[发明专利]基于浓度分析的水体污染扩散模拟预测方法和装置

说明书

基于浓度分析的水体污染扩散模拟预测方法和装置，该方法包括：将模拟区域按小方格进行网格划分，对于每一个网格用一个数值记录其中心处的污染物浓度，所有网格对应的数值构成代表污染物分布的浓度矩阵，计算每个网格的污染物浓度变化；其中，将污染物的浓度变化过程划分为三个独立的子过程，即，迁移过程、分散过程和衰减过程，分析计算每个子过程导致的浓度矩阵变化，再将子过程进行叠加以得到污染物扩散过程，相应地更新浓度矩阵；依时间步长不断迭代计算浓度矩阵，以浓度矩阵中的数值表征相应网格区域处的污染物浓度，从而实现污染物扩散过程的模拟预测。本发明能够实现水体特别是大范围水体（如海洋）中多种污染物的高效扩散模拟预测。

技术领域

本发明涉及水体中污染物扩散过程的分析与预测，特别是涉及一种基于浓度分析的水体污染扩散模拟预测方法和装置。

背景技术

随着全球经济的快速发展，人类活动对周边环境的影响日益增强，由此带来的环境污染和生态破坏问题也受到越来越多的关注。在海洋领域中，工业废水排放、海上原油泄漏等一系列由人为因素引起的事件，使海洋生态环境面临着严峻挑战。为了对污染物在水中的扩散行为进行更准确的描述和预测，到目前为止国内外已经发展出了多种多样的扩散模型，如用于湖泊生态系统的LAKECO模型、用于海洋扩散分析的涡流分辨模型等等，并出现了结合有限元技术的扩散分析软件如TIDAL、HydroGeoSphere、MIKE3等等。然而，这些扩散模拟方法和分析软件也存在着各自的缺陷，例如未考虑放射性元素的衰减、需设置复杂的模拟参数、要求多种环境数据作为输入等等，特别是在海洋这种大规模扩散的场景下，难以充分获取所需的输入数据如随时间变化的风场、温度等数据，且存在模拟耗时过长难以接受的问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于浓度分析的水体污染扩散模拟预测方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于浓度分析的水体污染扩散模拟预测方法，包括：将模拟区域按小方格进行网格划分，对于每一个网格用一个数值记录其中心处的污染物浓度，所有网格对应的数值构成代表污染物分布的浓度矩阵，计算每个网格的污染物浓度变化；其中，将污染物的浓度变化过程划分为三个独立的子过程，即，迁移过程、分散过程和衰减过程，分析计算每个子过程导致的浓度矩阵变化，再将子过程进行叠加以得到污染物扩散过程，相应地更新浓度矩阵；依时间步长不断迭代计算浓度矩阵，以浓度矩阵中的数值表征相应网格区域处的污染物浓度，从而实现污染物扩散过程的模拟预测。

进一步地：

所述分散过程通过如下方式分析计算：对任意两个相邻小方格，已知中心点处污染物浓度的差值为，经过一个模拟步长后，低浓度方格的污染物浓度将增加，而高浓度方格的污染物浓度将减少，当分散系数保持不变时，给定小方格沿某个方向的边长和模拟的时间步长之后，为一恒定值，记为，为浓度变化量。

所述迁移过程通过如下方式分析计算：流场在小方格中心点处的流速大小为v，沿两个正交方向的分量分别为和，经过时间步长后，小方格中心点处的流体微元将沿方向和方向分别前进和的距离到达新的位置，迁移后新位置处的浓度等于迁移前小方格中心处的浓度，其中，取移动距离为小方格边长的整倍数，小方格中心点处的流体微元沿方向和方向前进的方格数分别记为和；

其中，每计算个分散过程才计算1个迁移过程，即分散过程和迁移过程的时间步长分别为和，为一正整数，分散过程在时间内能够扩散个小方格的距离，污染物在时间内移动个小方格的距离，满足如下条件：

。

所述衰减过程通过如下方式分析计算：计算衰减过程时，每次将所有小方格的浓度乘以，为衰变常数，得到经过衰减过程后的新浓度矩阵。