[发明专利]一种基于大数据和NMF模型的二噁英来源解析方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于大数据和NMF模型的二噁英来源解析方法及系统，方法包括以下步骤：获取多源排放二噁英浓度数据，对原始数据进行标准化处理，利用随机森林算法构建二噁英来源识别模型；获取环境介质中二噁英浓度数据，利用NMF对环境介质中二噁英来源进行定量解析；构建判别模型，判别NMF解析出来的源是否为已知源，获得环境介质中二噁英各来源的贡献率。本发明可实现对环境中二噁英来源的精准、定量识别，获得环境介质中二噁英各排放源的贡献率，有效提高二噁英监测监管的针对性、科学性和准确性，提升环境精细化管理水平，大力推动二噁英减排控制，改善环境质量，有效解决二噁英管控难、成本高的问题。

技术领域

本发明涉及有机污染物防治技术领域，具体涉及一种基于大数据和NMF模型的二噁英来源解析方法及系统。

背景技术

近年来，随着经济的高速发展，环境中二噁英的排放量呈逐年上升的趋势。根据全国主要行业持久性有机污染物调查显示，17个主要行业二噁英排放企业有万余家，涉及钢铁、再生有色金属、废弃物焚烧处置、造纸生产、氯碱工业等多个领域。

二噁英通常指具有相似结构和理化特性的一组多氯取代的平面芳烃类化合物，属氯代含氧三环芳烃类化合物，是多氯二苯并对二噁英(PCDDs)和多氯二苯并呋喃(PCDFs)的总称，由于氯原子取代数目和位置不同，构成了75种PCDDs和135种PCDFs的210种同类物，以17种2，3，7，8四个位置被氯原子取代的化合物生物毒性最强，其中又以2，3，7，8-TCDD毒性最大，其毒性相当于氰化钾的1000倍以上，是目前发现的无意识合成的副产品中毒性最强的化合物，被称为“地球上最强的毒物”。二噁英是一类具有急性致死毒性、高致癌、致畸、致突变、内分泌干扰及生殖和发育毒性的持久性有机污染物(POPs)，被列入优先控制化学品名录和重点管控新污染物清单。

由于二噁英属于非故意产生的POPs，因此不能通过对其禁产和禁用来达到控制污染的目的，二噁英污染控制的关键是源头减排，但二噁英来源极其广泛，不同源排放的二噁英生成机制与排放状况差异很大，关于二噁英来源解析的研究不多，且大多数研究为定性解析，仅有的少数定量解析研究也存在一定的局限性和不确定性问题，对环境中二噁英来源的精准、定量解析研究更是严重缺乏。

现有技术中，常用的污染物源解析技术有化学质量平衡模型(CMB)、主成分分析(PCA)、正定矩阵因子分解(PMF)模型。

化学质量平衡模型(CMB)是一种在污染物源解析中广泛应用并且发展较为成熟的模型，该模型的基本原理是质量守恒，由于各个污染源的指纹谱有一定的差别，从而可以通过检测受体中各种物质的含量(组成)来确定各种污染源的贡献率。该模型存在以下缺点：1.需要污染源较完整的指纹谱图，不能解析未知源，尤其是对于环境中二噁英等持久性有毒污染物的污染源指纹谱图难以获得，且其成分复杂，如果直接应用会带来较大的误差；2.排放源的选择上存在主观性和经验性；3.对存在共线性的源解析结果较差。因此，CMB模型在应用于二噁英等持久性有毒污染物的源解析时受到一定限制。

主成分分析(PCA)是通过线性变换将多个变量转化为数量较少、两两不相关的新变量(即主成分)的一种多元统计分析方法。该技术为定性分析，无法量化给出各污染源的贡献率。

正定矩阵因子分解(PMF)模型目前常用的污染物源解析方法，它是一个多元因子分析类模型，通过将样本数据的矩阵(X)分解成因子贡献(G)和因子成分谱(F)两个矩阵，通过多线性多次迭代(ME)算法识别因子数量和因子贡献。该模型存在以下缺点：1.目前，该技术在二噁英来源解析方面的应用尚不成熟。由于二噁英组分复杂，实际应用过程中会出现某个或某几个排放源的贡献率为负值，难以解释。因此，该方法对于二噁英的来源解析存在一定的局限性；2.需要通过特定源的指纹图谱来识别潜在的排放源。由于PMF模型计算不需要测量源指纹图谱，即可对污染物来源进行解析。目前许多学者使用PMF模型进行二噁英来源解析时，大都是将PMF模型计算结果与已知的污染源的指纹谱图进行比对，如果其特征跟某个排放源特征相似，就认为来自该排放源，这种人为判别排放源的方式，存在一定的主观性和很大的不确定性。