CN1794251A - 基于变分算法的陆源排污量反演方法 - Google Patents

基于变分算法的陆源排污量反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于陆源排污量的监测和管理技术领域，提出了一种能够通过海上取样监测的污染物浓度反演得到陆源排污量的海洋环境污染监测方法。首先建立了近海海洋动力学数值模式，然后将变分法引入到海洋环境问题的研究中，把由海上取样参数到排污参数的反演问题转化为一定约束条件下(数值模式方程)的变分问题，然后确定出计算过程中的每个参量，实现这一算法的最优估计，从而由海上取样监测的污染物浓度反演得到相应的陆源排污量。本发明实用性强、通用性高，主要用于对陆源排污量的监测和管理。

Description

基于变分算法的陆源排污量反演方法
技术领域
通过海上取样监测的污染物浓度和遗传算法得到陆源排污量的反演方法。
背景技术
在海洋环境管理和污染治理工作中，获取陆源污染源数据是核心环节。然而，由于排海污染源监测困难，加之陆源排污量调查本身是一个具有相当大不确定性的过程等诸多因素，造成了陆源排污量资料匮乏、资料质量低劣等问题，极大地阻碍着海洋环境污染的监控、治理与研究。
针对这一现状，本发明提出了对排污口附近海域的海水进行取样分析(以下简称“海上取样监测”)这一新的监测方法，它具有以下主要优点：(1)从很大程度上来看，海上取样可以较少地考虑不参与海洋扩散的固形污染物质的影响，更准确地获得对海洋环境产生较大影响的溶解与悬浮于海中的污染物排放量，因而更能反映陆源排污信息。(2)海上污染参数是对持续排污的积分平均，对排污口排污量起伏有一定的滤波作用，有利于通过少量采样获取更加可靠的平均排放信息。(3)海上取样监测可以避免排污口位置、地形等带来的监测困难，降低取样风险，提高观测效率。(4)相比较而言，海上取样监测要比排污口的监测无论在仪器设备和操作措施等方面都更易于实施。因此，海上取样监测是监测陆源污染物排放的有效手段。
然而，海上取样监测的海水污染物浓度虽然与陆源排污量密切相关，但是如果不考虑海洋的动力学过程，直接从采样分析结果推断实际排污量会产生很大误差。只有解决了从海上取样参数反推排污参数的问题，才能真正实现海上取样监测代替陆源排污口的监测。依靠海洋动力学关系从海上取样参数反推排污参数的问题在海洋中还没有应用的先例，但是在大气污染监测中已经初步发展了类似的方法，将其推广到海洋中是完全可行的。
发明内容
本发明的目的就是借助变分技术，发展出一种实用性强、通用性高，能够通过海上取样监测的污染物浓度反演得到陆源排污量的海洋环境污染监测方法。
本发明首先建立近海海洋动力学数值模式，然后将变分法引入到海洋环境问题的研究中，把由海上取样参数到排污参数的反演问题转化为一定约束条件下(数值模式方程)的变分问题，然后确定出计算过程中的每个参量，实现这一算法的最优估计，从而由海上取样监测的污染物浓度反演得到相应的陆源排污量。
附图说明
本发明的具体实施流程图
具体实施方式
1.把污染物扩散输运的动力过程看成是陆源排污量S的函数，用泛函分析的语言就是把污染物的扩散输运方程作为算子，海上污染物的分布状态是该算子对陆源排污量的一种映射，将观测浓度场与利用动力模式从一定陆源排污量分布场计算得到的浓度场进行比较，定义距离函数J(一般是模拟的海上浓度场(Cm)与实际观测浓度(Co)的“距离”对在有限时间内的积分或求和)，则J是陆源排污量S的泛函，求使泛函极小的陆源排污量分布，得到变分问题。将动力模式作为约束条件，通过不断调整陆源排污量的大小，来使距离函数J达到最小，从而达到反演的目的。
2.采用准牛顿算法实现上述最优化问题的求解过程：采用对数值模式的控制方程直接写伴随模式程序的方法，通过对伴随模式反向积分，可得目标函数对S的梯度；然后以负梯度方向作为搜索方向，求得使J达到最小的陆源排污量S。
本发明希望由反演得到的陆源排污量通过数值模拟算得的海上观测点污染物浓度(Cik)与实际海上取样监测的污染物浓度(Cok)最接近，因此取
min J ( S ) = Σ k = 1 N ( C ik - C ok ) 2
作为目标函数(其中k为排污口个数)。由于实际上某一区域排污量只能为一非负值，即S≥0，根据反演结果的情况，可适当考虑构造关于排污量S的罚函数，将原来由不等式约束的最优化问题转化为求解一系列罚函数的无约束最优化问题，以其作为目标函数利用准牛顿下降算法求解。

Claims (2)

1、把污染物扩散输运的动力过程看成是陆源排污量S的函数，用泛函分析的语言就是把污染物的扩散输运方程作为算子；海上污染物的分布状态是该算子对陆源排污量的一种映射，将观测浓度场与利用动力模式从一定陆源排污量分布场计算得到的浓度场进行比较，定义距离函数J(一般是模拟的海上浓度场(Cm)与实际观测浓度(Co)的“距离”对在有限时间内的积分或求和)，则J是陆源排污量S的泛函，求使泛函极小的陆源排污量分布，得到变分问题。将动力模式作为约束条件，通过不断调整陆源排污量的大小，来使距离函数J达到最小，从而达到反演的目的。
2、采用对数值模式的控制方程直接写伴随模式程序的方法，通过对伴随模式反向积分，得到目标函数对S的梯度；然后以负梯度方向作为搜索方向，求得使J达到最小的陆源排污量S。
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