一种应用于非定常多点源的污染物溯源方法以及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种非定常多点源的污染物溯源方法以及系统，本发明专利技术的非定常多点源的污染物溯源方法包括：S1、对大气化学模式进行离散，对所述潜在排放源位置的源汇关系进行计算；S2、计算所述潜在排放源位置的非定常排放产生的模拟浓度，并确定每个所述潜在排放源位置的正则化参数；S3、计算得到对于释放速率曲线的最优估计以及最小残差平方和，以确定第一个排放源的位置及其释放速率的时间廓线；S4、重复所述步骤S1

【技术实现步骤摘要】
一种应用于非定常多点源的污染物溯源方法以及系统


[0001]本专利技术涉及污染物排放溯源领域，具体而言，涉及一种应用于非定常多点源的污染物溯源方法以及系统。

技术介绍

[0002]对于单点源或多点源的源项估计，现有的多数研究均对排放源的释放形式进行了过度简化，即假定为简单的瞬时释放或定常释放。然而，在真实的污染状况中，其释放形式通常为非定常，即释放速率会随着时间的变化而改变。目前，关于此类普适性更强的非定常点源的源项估计问题的研究非常有限。
[0003]早期，针对排放源的释放速率，在已知排放源位置的情况下，Chino等(2011)、等(2012)和Katata等(2012)利用简单的逆推算法估计了福岛核事故中碘
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131和铯
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137的释放速率和释放总量；Chai等(2015)通过最小化浓度相关的代价函数成功重建了福岛事故中铯
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137的主要时间演变特征；Zhang等(2013)则针对连续释放源提出最小二乘优化理论的反演算法，该算法可准确估计单点源释放速率的时间演变特征，但同样必须事先知道源的位置。在集合卡尔曼滤波理论下，Zhang等(2014)利用改进的集合卡尔曼滤波资料同化方法有效提高了大气化学模式的预报水平并成功重建了随时间变化的释放速率及释放高度等源项信息。Zhang和Huang(2017)将集合卡尔曼滤波方法与一维平流扩散模型相结合并考虑了平均流速和纵向扩散系数的不确定性，最终成功估计了释放速率的时间廓线，
[0004]此外，针对排放源的位置估计，Chen等(2017)和Feng等(2018)分别采用基于粒子群优化算法的多机器人主动嗅觉搜索策略正确定位了二维及三维室内环境中的非定常排放源。为了获得更加全面的污染源信息，一些研究开始尝试同时确定非定常排放源的位置及其释放速率时间廓线。Rajaona等(2015)提出了一种贝叶斯概率方法并成功重建了FFT
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07测场试验中的污染事件；Zhang等(2015)也成功地实现了污染源的定位与量化，在其研究中，首先对源的位置进行采样，并求解其速率廓线，然后根据贝叶斯概率模型确定每个解出现的概率以获得最优估计；Qiu等(2017)则利用岭回归方法计算某一位置处的最优速率廓线并应用粒子群优化算法定位污染源；Liu等(2019)利用马尔科夫链模型模拟污染物输送并结合正则化和贝叶斯推论成功地估计了多隔间建筑中污染源的时变释放速率和释放位置。
[0005]可以发现，迄今为止，仅有少数研究致力于解决非定常排放源的源项估计问题，大多数的技术均是针对解决定常的源估计的问题，即通常假设污染持续释放，而且速率不变，这与真实的释放情况差异很大，会影响源估计的精度，尤其是对于多个点源的重建，这些通常需要事先给定某些先验信息，且算法的计算效率将随着模式时空分辨率及排放源个数的增加而大大增加。可见多点源的源项估计具有较大的挑战性。
[0006]总之，对于多点源的重建，反演算法必须将观测浓度解耦至每一个排放源并确定其源项特征。由于非定常污染源需要考虑释放速率随时间的变化特征，使得释放情景变得
更加复杂，因此非定常多点源的源项重建工作将异常艰巨。目前已有的非定常源项估计算法大多采用加入了约束的最小二乘优化算法估计释放速率时间廓线并利用贝叶斯概率模型确定排放源的位置，但很少有研究关注多个非定常排放源的重建问题。对于非定常多点源的源项估计，通常需要根据污染物浓度观测数据确定排放源的个数以及每一个排放源的位置及其随时间变化的释放速率，这样一来，未知参数将成倍增加。此外，一些算法在重建多点源时需要穷尽排放位置的所有排列组合，使其计算代价进一步增加。
[0007]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术公开了一种应用于非定常多点源的污染物溯源方法以及系统，该方法通过引入新的数学算法，解决污染源释放随着时间变化的问题，该方法更加贴近模拟真实的污染释放情景。其不同于现有的定常释放假设，保证了在排放速率随时间变化的情景下，还能进行高效的污染源反演，计算出非定常污染源的释放位置、释放速率的时间变化以及污染源个数。
[0009]具体地，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0010]第一方面，本专利技术公开了一种非定常多点源的污染物溯源方法，包括如下步骤：
[0011]S1、对大气化学模式进行离散，将离散的模式网格点假定为潜在排放源的位置，对所述潜在排放源位置的源汇关系进行计算；
[0012]S2、计算所述潜在排放源位置的非定常排放产生的模拟浓度，并确定每个所述潜在排放源位置的正则化参数；
[0013]S3、利用所述模拟浓度以及所述正则化参数计算得到对于释放速率曲线的最优估计以及最小残差平方和，以确定第一个排放源的位置及其释放速率的时间廓线；
[0014]S4、重复所述步骤S1
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S3，并采用残差浓度代替所述模拟浓度以确定第二个排放源的位置，所述残差浓度为观测浓度与前面已经确定的所有非定常排放源所产生的模拟浓度之间的差别；
[0015]S5、计算第二个排放源的方差贡献率，如计算得到的方差贡献率大于阈值，重新计算第一个和第二个排放源的释放速率曲线，并随着排放源的数量增加按照所述步骤S4进行下一个排放源位置的确定，以此类推；
[0016]若方差贡献率小于阈值，停止继续计算并输出排放源的个数和每个排放源的位置及释放速率曲线；
[0017]所述方差贡献率的公式为：
[0018]TSS表示观测浓度的总方差，RSS为仅考虑已确定的排放源时的残差浓度的方差，而RSS'为加入新发现排放源后的残差浓度的方差。
[0019]第二方面，本专利技术公开了一种非定常多点源的污染物溯源系统，包括：
[0020]源汇关系计算模块：用于对大气化学模式进行离散，将离散的模式网格点假定为潜在排放源的位置，对所述潜在排放源位置的源汇关系进行计算；
[0021]正则化模块：用于计算所述潜在排放源位置的非定常排放产生的模拟浓度，并确定每个所述潜在排放源位置的正则化参数；
[0022]初排放源确定模块：用于利用所述模拟浓度以及所述正则化参数计算得到对于释放速率曲线的最优估计以及最小残差平方和，以确定第一个排放源的位置及其释放速率的时间廓线；
[0023]后续排放源确定模块：重复所述步骤S1
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S3，并采用残差浓度代替所述模拟浓度以确定第二个排放源的位置，所述残差浓度为观测浓度与前面已经确定的所有非定常排放源所产生的模拟浓度之间的差别；
[0024]显著性判断模块：用于计算第二个排放源的方差贡献率，如计算得到的方差贡献率大于阈值，重新计算第一个和第二个排放源的释放速率曲线，并随着排放源的数量增加按照所述步骤S4进行下一个排放源位置的确定，以此类推；
[0025]若方差贡献率小于阈值，停止继续计算并输出排放源的个数和每个排放源的位置及释放速率曲线。
[0026]第三方面，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非定常多点源的污染物溯源方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对大气化学模式进行离散，将离散的模式网格点假定为潜在排放源的位置，对所述潜在排放源位置的源汇关系进行计算；S2、计算所述潜在排放源位置的非定常排放产生的模拟浓度，并确定每个所述潜在排放源位置的正则化参数；S3、利用所述模拟浓度以及所述正则化参数计算得到对于释放速率曲线的最优估计以及最小残差平方和，以确定第一个排放源的位置及其释放速率的时间廓线；S4、重复所述步骤S1
‑
S3，并采用残差浓度代替所述模拟浓度以确定第二个排放源的位置，所述残差浓度为观测浓度与前面已经确定的所有非定常排放源所产生的模拟浓度之间的差别；S5、计算第二个排放源的方差贡献率，如计算得到的方差贡献率大于阈值，重新计算第一个和第二个排放源的释放速率曲线，并随着排放源的数量增加按照所述步骤S4进行下一个排放源位置的确定，以此类推；若方差贡献率小于阈值，停止继续计算并输出排放源的个数和每个排放源的位置及释放速率曲线；所述方差贡献率的公式为：TSS表示观测浓度的总方差，RSS为仅考虑已确定的排放源时的残差浓度的方差，而RSS'为加入新发现排放源后的残差浓度的方差。2.根据权利要求1所述的污染物溯源方法，其特征在于，所述S1步骤中，所述源汇关系进行计算的方法包括：在考虑风场、排放源位置以及观测站点位置的前提下，计算所有模式网络点上的源汇关系，并计算存储该矩阵H。3.根据权利要求2所述的污染物溯源方法，其特征在于，所述S2步骤中，所述模拟浓度表示为释放速率与源汇关系之间的卷积积分：其中，所述卷积积分表示为：上式中为所述矩阵H的其中一个元素，代表t
l
时刻的观测浓度与t
k
时刻的排放通量之间的源汇关系，为所述矩阵q的其中一个元素，是污染源在t
k
时刻的释放速率，即卷积积分的矩阵形式为：C
s
＝Hq。4.根据权利要求3所述的污染物溯源方法，其特征在于，所述S2步骤中，所述正则化参数是利用L曲线法计算得到，所述L曲线为残差项与正则化项在一系列正则化参数取值下所构成的对数曲线；所述计算方法包括如下步骤：选取L曲线的拐角处对应的正则化参数λ进行源项估计，利用最大曲率公式确定L曲线的最大曲率点，从而确定最优正则化参数：其中，X(logλ)＝log||Hq
‑
C
o
||，Y(logλ)＝log||q||。
5.根据权利要求4所述的污染物溯源方法，其特征在于，释放速率曲线的最优估计的方法包括：先列出正则化代价函数如下：...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘娟娟，王吉麟，刘娟，王斌，徐兰，沈晓，
申请(专利权)人：中国科学院大气物理研究所，
类型：发明
国别省市：