缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法技术

本发明专利技术提供一种缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法，包括：利用站点浓度观测数据获得关键参数；将关键参数代入到对流扩散方程中并进行离散，求解浓度的时空分布；利用求得的关键参数及浓度分布，根据公式计算目标误差函数J；推导对流扩散方程的伴随方程并对其进行离散，进而计算出伴随算子的时空分布；结合浓度分布与伴随算子，推求出目标误差函数J关于各个关键参数的梯度；根据目标误差函数J推导出各个关键参数的调整公式，并根据调整公式对各关键参数进行调整；检查目标误差函数是否满足收敛准则。本发明专利技术能够同时对每个时段的释放强度、纵向离散系数以及流速进行估计，从而解决现有技术难以进行污染物释放过程重建的工作。重建的工作。重建的工作。

【技术实现步骤摘要】
缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法


[0001]本专利技术属于环境水力学的
，具体涉及一种缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法。

技术介绍

[0002]河流在灌溉农田、提供饮用水和为水生生物提供栖息地方面发挥着重要作用。一旦在河流中发生危险化学品或有毒重金属的释放，将危及居民和环境的安全。及时的获得污染源的释放过程和影响污染物迁移扩散的关键参数对决策者采取应急处置措施以及后续的减灾措施的实施具有巨大的帮助。同时，这些信息也为灾后的危害评估及责任追究提供了依据。
[0003]但是传统的污染物释放过程重建方法和技术都严格依赖于关键参数的选取，然而在缺资料河流中，这些参数通常无法得到，这些方法难以成功。此外，即使根据测量得到了关键参数，但是由于测量结果的误差，其结果也是存在较大误差的，并且测量所需的时间也将耽搁应急处置措施的实施。因此，亟需一种能够同时对污染物释放及关键参数进行估计的技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法，该方法能够同时对每个时段的释放强度、纵向离散系数以及流速进行估计，从而解决了以往方法或者技术手段难以进行缺资料河流中的污染物释放过程重建的工作。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，利用站点浓度观测数据获得关键参数；/>[0008]步骤2，将步骤1获得的关键参数代入到对流扩散方程中，对该方程进行离散，求解浓度的时空分布；
[0009]步骤3，利用以上步骤中求得的关键参数及浓度分布，根据公式计算目标误差函数J；
[0010]步骤4，推导对流扩散方程的伴随方程并对其进行离散，进而计算出伴随算子λ的时空分布；
[0011]步骤5，根据步骤4推导的公式结合步骤2中求得的浓度分布与步骤4中求得的伴随算子λ，推求出目标误差函数J关于各个关键参数的梯度；
[0012]步骤6，根据目标误差函数J推导出各个关键参数的调整公式，并根据调整公式对各关键参数进行调整；
[0013]步骤7，检查目标误差函数是否满足收敛准则，当满足迭代收敛准则时，则停止迭代计算并输出此时的各个关键参数的值；否则，返回步骤2，利用最新计算得到的关键参数
重新计算浓度分布，依次进行后续各步骤，直至满足收敛准则为止。
[0014]进一步地，步骤1中的关键参数包括：污染物流速u的初猜值、纵向离散系数D
x
的初猜值以及污染物释放过程函数的初猜值
[0015]进一步地，流速u的初猜值公式为：
[0016][0017]式中：x1为测点1的位置，x2为测点2的位置；为污染团质心到达测点1的平均时间，为污染团质心到达测点2的平均时间，其中，平均时间的求解方法由下式给出：
[0018][0019]式中：为污染团质心到达测点的平均时间；t
j
为第j个测量数据对应的测量时间，C
j
为第j个测量数据对应的污染物浓度，m为该测点处浓度观测数据的个数；
[0020]纵向离散系数D
x
的初猜值公式为：
[0021][0022]式中：为测点1处浓度时变分布的方差，为测点2处浓度时变分布的方差，其求法如下：
[0023][0024]式中变量同上；
[0025]释放过程函数的初猜值可以设为0向量，即公式为：
[0026][0027]式中：n是假设的释放的总的单位时段Δt的数目，并且满足nΔt＝T0，T0为假设的释放持续的总时长；符号T表示矩阵的转置操作。
[0028]进一步地，步骤3中目标误差函数./的表达式为：
[0029][0030]式中：符号^代表变量的观测值或者初猜值(或者上一迭代步中的值)；为污染物的释放速率向量，即步骤中1中的污染物释放过程函数的初猜值C为污染物浓度；x
m
表示测点的坐标；X、T分别表示整个计算域的长度和计算的总时长；K1、K2、K3、K4为高斯精度模量，用来协调各变量不同量纲，从而在下降算法中同步迭代调整，其值根据计算结果调整。
[0031]进一步地，步骤4具体包括：
[0032]以对流扩散方程作为约束条件，并与引入的伴随算子λ做内积，得到增广拉格朗日函数，再对该增广拉格朗日函数求极值从而推求出对流扩散方程的伴随方程，采用有限差
分法对流项一阶迎风差分，扩散项采用中心差分对伴随方程进行离散求解，即得到伴随算子λ的时空分布。
[0033]进一步地，步骤7中的收敛准则为：
[0034][0035]式中：J
k
代表本次迭代中的目标函数值；J
k
‑1代表上次迭代中的目标函数值。
[0036]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术所提供的缺资料河流污染物释放过程反演及参数计算方法能够同时对每个时段的释放强度、纵向离散系数以及流速进行估计，从而解决了以往方法或者技术手段难以进行缺资料河流中的污染物释放过程重建的工作，同时该方法不局限于缺资料河流中的释放估计问题；由于本专利技术的方法在进行污染物释放估计的同时，也对关键参数(流速和纵向离散系数)进行估计，这与传统方法采用参数测量值或经验公式的方式相比，结果的精度大大的提高。
附图说明
[0037]图1为本专利技术实施例中的缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法的流程图；
[0038]图2为本专利技术实施例1(Murray Burn河流示踪实验数据)污染物真实释放与估计释放对比图；
[0039]图3为本专利技术实施例1(Murray Burn河流示踪实验数据)污染物浓度过程曲线与观测值对比图；
[0040]图4为本专利技术实施例2(Uvas Creek河流示踪实验数据)污染物真实释放与估计释放对比图；
[0041]图5为本专利技术实施例2(Uvas Creek河流示踪实验数据)污染物浓度过程曲线与观测值对比图。
具体实施方式
[0042]下面将结合本专利技术实施例对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0043]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0044]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。
[0045]本专利技术提供一种缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法，包括以下步骤：
[0046]步骤1，利用站点浓度观测数据获得关键参数；在该步骤中，可以根据矩量法利用站点浓度观测数据获得关键参数，该关键参数包括流速u的初猜值、纵向离散系数D本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，利用站点浓度观测数据获得关键参数；步骤2，将步骤1获得的关键参数代入到对流扩散方程中，对该方程进行离散，求解浓度的时空分布；步骤3，利用以上步骤中求得的关键参数及浓度分布，根据公式计算目标误差函数J；步骤4，推导对流扩散方程的伴随方程并对其进行离散，进而计算出伴随算子λ的时空分布；步骤5，根据步骤4推导的公式结合步骤2中求得的浓度分布与步骤4中求得的伴随算子λ，推求出目标误差函数J关于各个关键参数的梯度；步骤6，根据目标误差函数J推导出各个关键参数的调整公式，并根据调整公式对各关键参数进行调整；步骤7，检查目标误差函数是否满足收敛准则，当满足迭代收敛准则时，则停止迭代计算并输出此时的各个关键参数的值；否则，返回步骤2，利用最新计算得到的关键参数重新计算浓度分布，依次进行后续各步骤，直至满足收敛准则为止。2.根据权利要求1所述的缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法，其特征在于，步骤1中的关键参数包括：污染物流速u的初猜值、纵向离散系数D
x
的初猜值以及污染物释放过程函数的初猜值3.根据权利要求2所述的缺资料河流污染物释放过程反演及参数确定的方法，其特征在于，流速u的初猜值公式为：式中：x1为测点1的位置，x2为测点2的位置；为污染团质心到达测点1的平均时间，为污染团质心到达测点2的平均时间，其中，平均时间的求解方法由下式给出：式中：为污染团质心到达测点的平均时间；t
j
为第j个测量数据对应的测量时间，C
j
为第j个测量数据对应的污染物浓度...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨中华，荆平飞，槐文信，岳遥，张为，李达，朱政涛，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：