本發(fā)明涉及水質(zhì)監(jiān)測與分析，尤其是涉及一種地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移分析方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有技術(shù)中，地下水作為關(guān)鍵的淡水資源，其質(zhì)量與人類健康及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展緊密相關(guān)。伴隨工業(yè)進(jìn)步與人口增多，地下水污染問題漸趨嚴(yán)峻，致使地下水污染源的追蹤和溯源成為環(huán)境監(jiān)測與治理領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)。傳統(tǒng)的地下水監(jiān)測方法依賴于設(shè)置地下水監(jiān)測井，然后定期進(jìn)行取樣分析。然而，這種方式存在明顯弊端，既耗費(fèi)大量時(shí)間與人力，又難以達(dá)成對(duì)地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移的實(shí)時(shí)分析。

2、在現(xiàn)有的技術(shù)當(dāng)中，部分基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的方案，通過在地下水中部署傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集地下水的水質(zhì)數(shù)據(jù)，并借助無線網(wǎng)絡(luò)將其傳輸至數(shù)據(jù)處理中心予以存儲(chǔ)和分析，此類技術(shù)雖能實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移的實(shí)時(shí)分析，但仍存在諸多不足，一方面，這些技術(shù)側(cè)重于數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，缺少對(duì)地下水水質(zhì)因子運(yùn)移軌跡的模擬，導(dǎo)致無法精確判定污染物的來源位置、擴(kuò)散范圍以及潛在影響，另一方面，這些技術(shù)成本高昂，需要眾多的傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還包括數(shù)據(jù)處理中心的建設(shè)與維護(hù)，都需要高昂的成本，現(xiàn)階段需要一種地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移分析方法及系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中缺乏對(duì)地下水水質(zhì)因子運(yùn)移軌跡的模擬和建設(shè)成本較高的問題，本發(fā)明提供一種地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移分析方法及系統(tǒng)。

2、第一方面，本發(fā)明提供的一種地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移分析方法，采用如下的技術(shù)方案：

3、一種地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移分析方法，包括：

4、獲取地下水的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括獲取水質(zhì)因子濃度、水位、水溫、滲透率和孔隙度；

5、獲取投放電解質(zhì)的濃度，并基于獲取的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行電解質(zhì)擴(kuò)散速度計(jì)算，根據(jù)電解質(zhì)擴(kuò)散速度計(jì)算地下水流速度；

6、根據(jù)地下水流速度構(gòu)建基于對(duì)流-彌散方程的地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型，并引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)對(duì)地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化；

7、將優(yōu)化后的地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行模型求解，包括利用有限差分法將地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行離散化得到離散化方程；

8、根據(jù)求解結(jié)果進(jìn)行地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型的參數(shù)校準(zhǔn)；

9、利用校準(zhǔn)后的地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行水質(zhì)因子運(yùn)移軌跡分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷污染物的來源位置、擴(kuò)散范圍。

10、進(jìn)一步地，所述根據(jù)電解質(zhì)擴(kuò)散速度計(jì)算地下水流速度，包括利用菲克定律計(jì)算電解質(zhì)在地下水中的擴(kuò)散通量，根據(jù)擴(kuò)散通量計(jì)算地下水流速度，所述計(jì)算地下水流速度公式為：

11、,

12、其中，表示為擴(kuò)散通量，c表示為電解質(zhì)的平均濃度，v表示為地下水流速度，x表示為空間坐標(biāo)，表示為由于濃度梯度引起的擴(kuò)散導(dǎo)致的電解質(zhì)遷移通量。

13、進(jìn)一步地，所述根據(jù)地下水流速度構(gòu)建基于對(duì)流-彌散方程的地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型，包括基于獲取的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)并利用朗繆爾吸附模型計(jì)算源匯項(xiàng)，代入源匯項(xiàng)構(gòu)建地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型，所述地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型表達(dá)式為：

14、,

15、其中，表示為水質(zhì)因子濃度,t表示為時(shí)間，x表示為空間坐標(biāo)，v表示為地下水流速度，d表示為擴(kuò)散系數(shù)，s表示為源匯項(xiàng)，表示為由于濃度梯度引起的擴(kuò)散作用，表示為對(duì)流作用對(duì)水質(zhì)因子運(yùn)移的影響。

16、進(jìn)一步地，所述引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)對(duì)地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化，包括構(gòu)建由輸入層、隱藏層和輸出層組成的多層感知機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于預(yù)測擴(kuò)散系數(shù)d和地下水流速度v多層感知機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，之后引入由多個(gè)生成器和判別器構(gòu)成的對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過生成器和判別器的對(duì)抗訓(xùn)練進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化。

17、進(jìn)一步地，所述利用有限差分法將地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行離散化得到離散化方程，包括將求解區(qū)域劃分為一系列網(wǎng)格點(diǎn)，并將偏微分方程在這些網(wǎng)格點(diǎn)上進(jìn)行離散化，其中，對(duì)于時(shí)間導(dǎo)數(shù)采用向前差分，對(duì)于二階空間導(dǎo)數(shù)和一階空間導(dǎo)數(shù)采用中心差分，得到離散化方程，通過不斷迭代計(jì)算，逐步推進(jìn)時(shí)間，求解出每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在不同時(shí)刻的水質(zhì)因子濃度值。

18、進(jìn)一步地，所述根據(jù)求解結(jié)果進(jìn)行地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型的參數(shù)校準(zhǔn)，包括獲取水質(zhì)因子濃度的計(jì)算值和實(shí)際測量濃度值，采用均方根誤差作為衡量計(jì)算值和實(shí)際測量濃度值差異的目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)對(duì)參數(shù)的梯度，并按照一定的步長更新參數(shù)。

19、進(jìn)一步地，所述利用校準(zhǔn)后的地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行水質(zhì)因子運(yùn)移軌跡分析，包括將求解出的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在不同時(shí)刻的水質(zhì)因子濃度值繪制成三維坐標(biāo)圖，提取出水質(zhì)因子濃度中心坐標(biāo)隨時(shí)間和空間的變化曲線，根據(jù)變化曲線定量的描述運(yùn)移軌跡。

20、第二方面，一種地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移分析系統(tǒng)，包括：

21、數(shù)據(jù)獲取模塊，被配置為：獲取地下水的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括獲取水質(zhì)因子濃度、水位、水溫、滲透率和孔隙度；

22、計(jì)算模塊，被配置為：獲取投放電解質(zhì)的濃度，并基于獲取的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行電解質(zhì)擴(kuò)散速度計(jì)算，根據(jù)電解質(zhì)擴(kuò)散速度計(jì)算地下水流速度；

23、模型模塊，被配置為：根據(jù)地下水流速度構(gòu)建基于對(duì)流-彌散方程的地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型，并引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)對(duì)地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化；

24、模型求解模塊，被配置為：將優(yōu)化后的地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行模型求解，包括利用有限差分法將地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行離散化得到離散化方程；

25、校準(zhǔn)模塊，被配置為：根據(jù)求解結(jié)果進(jìn)行地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型的參數(shù)校準(zhǔn)；

26、輸出模塊，被配置為：利用校準(zhǔn)后的地下水水質(zhì)因子運(yùn)移模型進(jìn)行水質(zhì)因子運(yùn)移軌跡分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷污染物的來源位置、擴(kuò)散范圍。

27、第三方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其中存儲(chǔ)有多條指令，所述指令適于由終端設(shè)備的處理器加載并執(zhí)行所述的一種地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移分析方法。

28、第四方面，本發(fā)明提供一種終端設(shè)備，包括處理器和計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，處理器用于實(shí)現(xiàn)各指令；計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)用于存儲(chǔ)多條指令，所述指令適于由處理器加載并執(zhí)行所述的一種地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移分析方法。

29、綜上所述，本發(fā)明具有如下的有益技術(shù)效果：

30、1、本發(fā)明通過綜合考慮多種因素，包括歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、電解質(zhì)擴(kuò)散速度、地下水流速度等，并引入先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化，能夠更準(zhǔn)確地模擬地下水水質(zhì)因子的動(dòng)態(tài)運(yùn)移，提高分析的準(zhǔn)確性，利用校準(zhǔn)后的模型進(jìn)行水質(zhì)因子運(yùn)移軌跡分析，可以更精準(zhǔn)地判斷污染物的來源位置、擴(kuò)散范圍，為污染防控提供更有針對(duì)性的措施。

31、2、本發(fā)明將求解區(qū)域劃分為網(wǎng)格點(diǎn)并進(jìn)行離散化，可以將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程，從而便于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行快速求解，提高了計(jì)算效率，通過不斷迭代計(jì)算，逐步推進(jìn)時(shí)間，能夠?qū)崟r(shí)獲取每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在不同時(shí)刻的水質(zhì)因子濃度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水水質(zhì)因子動(dòng)態(tài)運(yùn)移的分析，減少了傳感器和一系列的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安裝，在一定程度上節(jié)約了人力、物力和時(shí)間成本。