CN110851981B - 一种实现突发水污染快速溯源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现突发水污染快速溯源的方法。本发明针对二维顺直河道突发性水污染事故污染源溯源问题，通过对瞬时点源二维扩散模型进行逆向推导，进行时间域和空间域上的偏导计算得到溯源算法。通过河流中布设的常设监测点和应急监测点获得污染物监测浓度作为溯源算法的输入，可计算得到污染源排放位置、排放时间和泄漏量。本发明具有监测布点简单高效，数据需求量少等优点，可用于突发性水污染事故的应急管理。该方法相比目前的水污染溯源方法相比，大大减少了数据需求量，节约了大量的时间和成本，更经济、更高效。

Description

一种实现突发水污染快速溯源的方法

技术领域

本发明属于突发水污染事故溯源的技术领域，涉及一种实现突发水污染快速溯源的方法。

背景技术

突发水污染事故会对水系及生态环境造成严重的污染和伤害。突发水污染事故的发生的时间和地点具有很大的不确定性，同时也很难确定危害的方式和程度，容易导致社会生活、生产秩序的无法正常运行。因此，需要找到有效可靠的污染源溯源方法，快速准确地找到导致突发性水污染的污染源发生时间和位置，做出正确的决策，并采取切实可行的措施加以处理。

目前已经提出的污染源溯源方法包括基于水质模型法、基于地学统计方法、基于遗传算法、基于Bayes方法、基于反向位置概率密度函数法等污染源溯源方法。许多学者在基于传统Bayes污染源溯源方法的基础上对于算法中敏感参数的不确定性和灵敏度进行了进一步研究分析，从而提高了溯源方法的可靠性。

但是上述污染源溯源方法都采用了间接法——基于模型输出与观测值的接近程度的迭代寻优过程，通过构建一个模拟残差方程来进行反复评价，这就需要大量的测量数据来建立污染源反演模型，监测成本高，在求解过程中存在不确定性误差。

发明内容

针对以上问题，本发明采用直接法，从纯数学的角度，针对二维顺直河道突发性水污染事故污染源溯源问题，进行了突发水污染事故快速溯源方法的研究。通过对瞬时点源二维扩散模型进行逆向推导，进行时间域和空间域上的偏导计算得到溯源算法。在河流中设置常设监测点和应急监测点获得污染物监测浓度作为溯源算法的输入，可计算得到污染源排放位置、排放时间和泄漏量。本发明具有监测布点简单高效，数据需求量少等优点，可用于突发性水污染事故的应急管理。

本发明的目的是提供一种实现突发水污染事故快速溯源的方法。本发明的目的是通过以下技术实现的。布点方法如图1所示

一种实现突发水污染快速溯源的方法，该方法通过在监测到河流污染物浓度超标的常设监测点P₁周围设置应急监测点P₂、P₃，将常设监测点P₁和应急监测点P₂、P₃监测到的河流污染物浓度代入突发水污染快速溯源算法中，从而获得突发水污染的发生位置、发生时间和污染物泄漏量，该方法包括以下步骤：

(1)报警：为了保护我国水环境，在各大水系中布置有国控、省控水质监测断面。除此之外，由企业等其他单位在水系中布置的不可移动的水质监测断面，在本发明中，都称常设监测点P₁。当常设监测点P₁监测到河流污染物浓度超标，会报警并提出溯源请求；

(2)布点：收到溯源请求后，如图1所示，以常设监测点P₁为原点，河流流向平行方向为x轴，河流流向垂直方向为y轴建立坐标系，在x轴上距离原点Δx处布置一个应急监测点P₂，在y轴上距离原点Δy处布置一个应急监测点P₃；

(3)采样：布置好应急监测点P₂、P₃之后，可通过常设监测点P₁和应急监测点P₂、P₃进行河流污染物浓度的监测，获得常设监测点P₁和应急监测点P₂、P₃处的河流污染物浓度。如图1所示，距离污染源发生位置(X,Y)处布置有常设监测点P₁，并监测到污染物浓度超标报警。在T时刻常设监测点P₁和应急监测点P₂、P₃同时测量河流污染物浓度，获得(X,Y)、(X+Δx,Y)、(X,Y+Δy)这三个点在T时刻的污染物浓度，分别为C_P1(X,Y,T)、C_P2(X+Δx,Y,T)、C_P3(X,Y+Δy,T)；在T+Δt时刻，再次测量常设监测点P₁处污染物浓度，为C_P1(X,Y,T+Δt)；

(4)溯源：将获得的河流污染物浓度代入突发水污染快速溯源算法中，得到突发水污染的发生位置、发生时间和污染物泄漏量。突发水污染快速溯源算法如下：

公式(1)为瞬时点源二维扩散模型，式中，为C(x,y,t)河流中点的污染物浓度，单位mg/L；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；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；M为瞬时污染的污染物总量，单位t；h为水位，单位m；D_x、D_y分别为x和y方向上的弥散系数，单位m²/s；u为x方向上的流速，单位m/s；v为y方向上的流速，单位m/s；k为降解系数，单位1/d；C₀为河流本底浓度，单位mg/L。

设C_Δ＝C-C₀，则

其中C_Δ是关于x,y,t的函数关系式，对C_Δ(x,y,t)的x,y,t分别求偏导，得到：

设

将(6)、(7)、(8)式代入(3)、(4)、(5)中，求得：

x＝(u-a)·t                (9)

y＝(v-b)·t              (10)

a中

为浓度在x方向上的导数，即

其中C_P1为常设监测点P1的监测浓度、C_P2为同一时间距离常设监测点P1的距离为Δx处的应急监测点P2的监测浓度。

b中

为浓度在y方向上的导数，即

其中C_P1为常设监测点P1的监测浓度、C_P3为同一时间距离常设监测点P1的距离为Δy处应急监测点P3的监测浓度。

e中

为浓度在时间t上的导数，即

其中C_P1(X,Y,Y)为常设监测点P1的监测浓度、C_P1(X,Y,Y+Δt)为常设监测点P₁监测点经过Δt时间的监测浓度。

通过公式(2)—(14)，求得的x，y，t即为(X,Y,T)的解。将求得的x，y，t代入公式(1)即可求得污染物泄漏量M。至此，突发水污染事故的发生位置可由(X,Y)确定。发生时间可由T确定，第一次监测河流污染物浓度的时间往前推移时间T即可获得发生时间。污染物泄漏量由M确定。

附图说明

图1是本发明中常设监测点和应急监测点的布置图；

图2是本发明中进行突发水污染事故快速溯源的流程图；

具体实施步骤

本发明的具体实施例如下：

假设河流某处发生瞬时点源污染，污染物排放量M＝60t，在距离该点源(X,Y)＝(1395.44,18.37)m处有一常设监测点P₁，该监测点监测到污染物浓度超标。此时，在常设监测点P₁的x方向上距离Δx＝9m处布置应急监测点P₂，y方向上距离Δy＝1m处布置应急点P₃，测量常设监测点P₁、应急监测点P₁，应急监测点P₃在T＝1800s时第一次测量河流污染物浓度，经过Δt＝10s时刻，再次测量常设监测点P₁处污染物浓度。

发生突发水污染事故时，(X,Y,T,M)是未知的，需要通过本发明中的快速溯源方法来求得污染源的发生位置(X,Y)、发生时间T和泄漏量M。Δx、Δy、Δt为人为设定参数，为已知条件。其余计算参数，根据实际河流环境测得，为已知条件。h＝3m；D_x＝50m²/s；D_y＝0.1m²/s；u＝0.5m/s；v＝0m/s；k＝0.2d^－1；c₀＝12mg/L。

假设在距离突发水污染事故T时间后，常设监测点P₁和应急监测点P₂、P₃进行了第一次河流污染物浓度的测量，在距离第一次监测河流污染物浓度的Δt时间后，常设监测点P₁进行了第二次河流污染物浓度的测量，得到

表1监测点浓度监测结果

将表1的全部数据代入公式(6)—(14)，得到

表2算例污染源理论值与反演结果

经过本发明中的突发水污染事故快速溯源方法，可得到突发水污染源的发生位置，发生时间以及污染物泄漏量。如表2所示，突发水污染事故的理论值与经过本发明快速溯源方法得到的溯源值的误差在可接受范围之内。

确定突发水污染源的发生位置，发生时间及泄漏量之后，即可上报有关部门进行应急处理，因此本发明可用于突发性水污染事故的应急管理。

Claims (4)

1.一种实现突发水污染快速溯源的方法，该方法通过在监测到河流污染物浓度超标的常设监测点周围设置应急监测点，将所述常设监测点和所述应急监测点监测到的河流污染物浓度代入突发水污染快速溯源算法中，从而获得突发水污染的发生位置、发生时间和污染物泄漏量，该方法包括以下步骤：

(1)报警：所述常设监测点监测到河流污染物浓度超标，报警并提出溯源请求；

(2)布点：收到溯源请求，在所述常设监测点周围布置所述应急监测点；

(3)采样：通过所述常设监测点和所述应急监测点进行河流污染物浓度的监测，获得所述常设监测点和所述应急监测点处的河流污染物浓度；

(4)溯源：将获得的河流污染物浓度代入所述突发水污染快速溯源算法中，得到突发水污染的发生位置、发生时间和污染物泄漏量；

所述布点方法如下：以所述常设监测点为原点，河流流向平行方向为x轴，河流流向垂直方向为y轴建立坐标系，在x轴上距离原点Δx处布置一个所述应急监测点，在y轴上距离原点Δy处布置一个所述应急监测点；

所述采样方法如下：距离污染源发生位置(X,Y)处布置有所述常设监测点P₁，并监测到污染物浓度超标报警；距离污染源发生已经过去T时间时，所述常设监测点P₁和所述应急监测点P₂、P₃同时进行第一次测量河流污染物浓度，获得(X,Y)、(X+Δx,Y)、(X,Y+Δy)这三个点在T时刻的污染物浓度，分别为C_P1(X,Y,T)、C_P2(X+Δx,Y,T)、C_P3(X,Y+Δy,T)；距离第一次测量河流污染物浓度已经过去Δt时间时，所述常设监测点再次测量河流污染物浓度，为C_P1(X,Y,T+Δt)；

所述突发水污染快速溯源算法如下：

公式(1)为瞬时点源二维扩散模型，式中，为C(x,y,t)河流中点的污染物浓度，单位mg/L；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；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；M为瞬时污染的污染物总量，单位t；h为水位，单位m；D_x、D_y分别为x和y方向上的弥散系数，单位m²/s；u为x方向上的流速，单位m/s；v为y方向上的流速，单位m/s；k为降解系数，单位1/d；C₀为河流本底浓度，单位mg/L；

设C_Δ＝C-C₀，则

其中C_Δ是关于x,y,t的函数关系式，对C_Δ(x,y,t)的x,y,t分别求偏导，得到：

设

将(6)、(7)、(8)式代入(3)、(4)、(5)中，求得：

x＝(u-a)·t                              (9)

y＝(v-b)·t                             (10)

a中

为浓度在x方向上的导数，即

其中C_P1为所述常设监测点P₁的监测浓度、C_P2为同一时间距离所述常设监测点P₁的距离为Δx处的所述应急监测点P₂的监测浓度；

b中

为浓度在y方向上的导数，即

其中C_P1为所述常设监测点P₁的监测浓度、C_P3为同一时间距离所述常设监测点P₁的距离为Δy处所述应急监测点P₃的监测浓度；

e中

为浓度在时间t上的导数，即

其中C_P1(X,Y,T)为所述常设监测点P₁的监测浓度、C_P1(X,Y,T+Δt)为所述常设监测点P₁监测点经过Δt时间的监测浓度；

通过公式(2)—(14)，求得的x，y，t即为(X,Y,T)的解，将求得的x，y，t代入公式(1)即可求得污染物泄漏量M；至此，突发水污染事故的发生位置可由(X,Y)确定，发生时间可由T确定，污染物泄漏量由M确定。

2.根据权利要求1所述的一种实现突发水污染快速溯源的方法，其特征在于：所述常设监测点包括国控断面、省控断面处布置的固定的水质信息监测点以及其余在水系中布置的不可移动的水质监测断面。

3.根据权利要求2所述的一种实现突发水污染快速溯源的方法，其特征在于：所述应急监测点是可移动的水质信息监测点。

4.根据权利要求3所述的一种实现突发水污染快速溯源的方法，其特征在于：所述Δx和Δy为人为设置的距离参数。

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