1.本发明涉及水污染溯源领域，特别涉及一种基于等效污染源思想的水质模型参数率定方法。
背景技术：
2.近几年，国内经济迅速发展，导致了许多水污染问题的出现，同时突发水污染事件发生的可能性以及污染强度逐渐增大，实现水污染事故的溯源，对污染源进行定位、对排放量及时间进行确定，从而及时切断污染源或采取相关措施，对水污染的防控至关重要。
3.目前水污染溯源的方法有很多，其中纯数学模型模拟的方法主要通过数学方式逆向求解，相关数据不易获得，可实施性较差；纯依靠实时监测的方法可及时发现异常，但溯源效率较低；基于确定性理论的溯源方法主要是建立水质模型模拟值与监测站实测值之间的误差最小的优化问题，具有一定时效性及较高的效率，但因为水质模型参数受不同河流自身条件的影响，对水质模型参数的准确性要求较高。
4.水质模型参数一般需要通过理论公式、示踪实验法或经验公式确定，或通过模型参数率定得到，由于不同河流具有不同特征，理论公式及经验公式具有一定不确定性，而示踪实验法及后期模型参数率定缺乏时效性，在突发水污染溯源中也不适用。
5.通过查阅水质模型参数率定相关文献和专利，相关专利《基于适应性策略差分演化的水质模型参数辨识方法》(申请(专利权)人：江西理工大学，公开号：cn108304675a)，此方法注重适应性策略差分演化的使用步骤，未对实测水质数据来源做深入阐述；相关专利《一种改进的混合遗传算法优化水质模型参数的设计方法》(申请(专利权)人：南京大学，公开号：cn1900956a)，此专利公开了一种基于改进混合遗传算法对水质模型参数率定的方法，注重遗传算法的改进及实施，未考虑参数率定的时效性。
技术实现要素：
6.本发明的目的是利用实时在线水质监测设备获取的水质数据，通过对上下游断面数据的处理实现水质模型参数的在线率定，从而提高水质模型的准确度，进而提高基于确定性理论的溯源方法的溯源精度。
7.一种基于等效污染源思想的水质模型参数率定方法，其流程如图1所示，包含如下步骤：
8.步骤1：获取待率定河道区域基本数据，通过二维河流污染物对流扩散模型进行建模，并确定待率定参数。
9.步骤2：在待率定河道范围内等距布设在线监测设备实时监测水质状况。
10.步骤3：污染发生时利用水质异常设备及其下游最近设备进行数据获取，获得两组污染物浓度值序列。
11.步骤4：利用积分思想将上游断面污染物浓度值序列等效为已知污染物总量，且在空间一定范围上同时瞬时投放的分布源作为下游断面的污染源，通过积分形式将等效成的
无数个瞬时分布源叠加，模拟计算下游断面的污染物浓度值序列。
12.步骤5：通过经验公式确定k及dy取值,从而确定范围及步长，各参数在取值范围内遍历组合。
13.步骤6：建立下游断面的模拟值与实测值序列间误差最小的目标函数。
14.步骤7：在待率定参数范围内遍历参数组合进行数值模拟并计算目标函数值。
15.步骤8：对目标函数值进行排序，根据目标函数值及河道情况最终确定一组参数组合作为率定结果。
16.进一步地，所述一种基于等效污染源思想的水质模型参数率定方法，适用河道深度/宽度应小于等于1/30。
17.进一步地，所述步骤1中提出的二维河流污染物对流扩散模型建模，所需河道区域基本数据包括河流深度h、河流宽度b、平行河岸流速u
x
、垂直河岸流速uy等可测数据，待率定参数为横向弥散系数dx、垂向弥散系数dy及降解系数k。
18.进一步地，所述步骤2中提出的在线监测设备布设，所布设的在线监测设备间隔距离应小于等于200m,监测频率应小于等于间隔距离/平行河岸流速。
19.进一步地，所述步骤3中提出的水质数据获取，污染发生时判断标准为连续三次监测数据均大于上一监测值20％，即呈上升趋势。
20.进一步地，所述步骤3中提出的水质数据获取，两组设备在同一采样时间段内进行采样，采样时间段起始时间为上游设备连续三次监测数据均大于上一监测值20％时第一次监测时间，结束时间为下游设备连续三次监测数据均小于上一监测值20％时最后一次监测时间。
21.进一步地，所述步骤4中提出的污染源等效，包括以下步骤：
22.步骤4.1：将应急监测设备测得时间序列转换为空间序列，计算公式为:n＝tn×ux
(1)ni＝ti×ux
(2)公式(1)中，n为空间总长度，tn为监测总时长，u
x
为平行河岸流速；公式(2)中，ni为空间序列间距；ti为监测频率；u
x
为平行河岸流速。
23.步骤4.2：利用matlab将转换后的序列图形与常见曲线进行拟合，确定浓度与距离的关系函数为f(x)。
24.步骤4.3：通过积分形式将若干个瞬时集中源叠加计算下游断面的模拟污染物浓度值序列，在指定时刻，x处叠加浓度的计算公式为：公式(3)中，c(x,t)为t时刻x处的污染物浓度，单位mg/l；f(x)为浓度与距离的关系函数；n为上游断面的空间总长度；x为在河流流向平行方向上，河流点距离瞬时点源的长度，单位m，此处应为两台设备间的间隔距离；y为在河流流向垂直方向上，河流点距离瞬时点源的长度，单位m；t为距离瞬时污染发生的时间，单位s，此处应为需计算的时间节点；h为河流深度，单位m；d
x
、dy分别为x和y方向上的弥散系数，单位m2/s；u
x
为平行河岸流速，单位m/s；uy为垂直河岸流速，单位m/s；k为降解系数，单位1/d。
25.进一步地，所述步骤5中提出的率定参数范围及步长确定，相关经验公式分别为：k＝(lnc
1-lnc2)*u
x
/l(4)(4)公式(4)中，c1、c2分别为河道上、下游断面的污染物浓度，mg/l；u
x
为平行河岸流速,m/s；l为两个断面之间的距离，m。公式(5)、(6)中，u
x
为平行河岸流速，m/s；b为河宽，m；h为水深，m；i为水力坡降；g为重力加速度，9.8m/s。
26.进一步地，所述步骤5中提出的率定参数范围及步长，确定dy、k取值范围为[0.1dy
*
，10dy
*
],[0.1k*，10k*],dx取经验值范围[10,20],dy
*
、k*分别为实际数据根据经验公式确定的计算值，其中dx步长为0.1，dy步长为0.01，k步长为0.001。
[0027]
进一步地，所述步骤6中提出的目标函数建立，目标函数为利用污染扩散模型计算的下游断面污染物浓度值序列和实际观测污染物浓度值序列的偏差总和，目标函数如下：公式(7)中，f(y,y*)为目标函数；y为污染物浓度理论计算值；y*为浓度观测值；m为观测值的个数。
[0028]
与现有技术相比，本发明充分利用实时监测数据进行污染物扩散模型参数在线率定，将上游断面等效为下游断面的污染源，通过经验公式结合相关实际参数计算后确定各参数取值范围，在合理范围内通过遍历方法模拟计算下游断面污染物浓度值序列并计算目标函数值进行排序，并结合排序结果及实际情况确定最优解，同时保留次优解结果，提高了参数率定的准确性。
[0029]
本发明提出一种基于等效污染源思想的水质模型参数率定的方法，具有率定快速、高效和准确的特点。本发明的有益效果在于：
[0030]
本发明提出利用两组实时监测数据采用污染源等效方法进行参数率定，保证了数据来源的准确性及时效性。
[0031]
本发明提出利用经验公式及实际河流数据确定待率定参数范围，保证了待率定参数范围的合理性，同时缩小遍历范围节约率定时间。
[0032]
本发明提出在合理范围内设定步长后采用遍历方法实现不同参数的随机组合，提高了率定的准确性，计算目标函数后进行排序，结合实际情况确定最优解，同时保留其他解，避免了结果的单一性。
附图说明
[0033]
图1为一种基于等效污染源思想的水质模型参数率定方法流程图。
[0034]
图2为上游断面污染物浓度值序列图。
[0035]
图3为下游断面污染物浓度值序列图。
[0036]
图4为上游断面时间序列及距离序列转换图。
[0037]
图5为上游断面污染源函数拟合图。
具体实施方式
[0038]
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述,但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0039]
一种基于等效污染源思想的水质模型参数率定方法，其流程如图1所示，包含如下步骤：
[0040]
步骤1：获取待率定河道区域基本数据，其中河流深度h为0.5m、河流宽度b为15m、平行河岸流速u
x
为0.5m/s、垂直河岸流速uy为0.01m/s,待率定参数为横向弥散系数dx、垂向弥散系数dy及降解系数k。
[0041]
步骤2：本实施例布设2处应急监测断面，两断面间距离为200米，监测时间间隔为10s。
[0042]
步骤3：污染发生后获取两组污染物浓度值序列，如图2、图3所示。
[0043]
步骤4：通过时间序列及空间序列的转换及积分换算将上游断面浓度值序列等效为下游断面的污染源。
[0044]
步骤5：结合河流实际情况，通过dy、k相关经验公式计算各参数值，并确定待率定参数范围为[0.1dy*，10dy*],[0.1k*，10k*],dy
*
、k*分别为实际数据根据经验公式确定的计算值,dx根据经验确定范围为[10,20]。
[0045]
步骤6：根据采样频率及污染物浓度值序列监测值数量建立下游断面的模拟与实测序列间误差最小的目标函数为：其中m＝109，y
i*
为实测值，yi为模拟值。
[0046]
步骤7：在不同参数组合下分别利用积分形式的水质模型进行数值模拟并计算目标函数值。
[0047]
步骤8：对目标函数值进行排序，结合排序结果及河道情况确定参数组合作为率定结果。
[0048]
进一步地，所述步骤4中提出的污染源等效，包括以下步骤：
[0049]
步骤4.1：将应急监测设备测得时间序列转换为空间序列:n＝1090
×
0.5＝545mni＝10
×
0.5＝5m转换后序列如图4所示。
[0050]
步骤4.2：利用matlab将转换后的空间序列图形与常见曲线进行拟合，确定浓度与距离的关系函数为f(x)，r2为0.9946，拟合图如图5所示，其中f(x)如下：f(x)＝-1.017e-19
x
10
2.928e-16
x
9-3.602e-13
x8 2.466e-10
x
7-1.024e-7
x6 2.626e-5
x
5-0.004044x4 0.3427x
3-13.3x2 198.5x-778.8
[0051]
步骤4.3：通过积分形式将等效成的无数个瞬时集中源叠加计算下游断面的模拟污染物浓度值序列，在指定时刻，x处叠加浓度的计算公式为：
待率定参数为dx、dy、k,其中t为时间序列为10，20，...，1090。
[0052]
进一步地，所述步骤5中提出的率定参数范围及步长，结合相关参数及经验公式确定dy*、k*分别为：k
*
＝(ln24.00208202-ln1.84365e-13)*0.5/200＝0.0812513)*0.5/200＝0.08125
[0053]
进一步地，所述步骤5中提出的率定参数范围及步长，dy、k、d
x
取值范围为[0.0138，1.38],[0.008125，0.8125],[10,20]其中dx步长为0.1，dy步长为0.01，k步长为0.001。
[0054]
通过计算得到率定结果dx为18.3，dy为0.12、k为0.080。
[0055]
以上所述仅为本发明的最有效实施方案,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明工作原理的前提下,还可以做出适当的改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。