[发明专利]一种接近湖泊岸边的三维污染源定位方法

说明书

技术领域

本发明属于水污染源定位技术领域。具体涉及一种接近湖泊岸边的三维污染源定位方法。

背景技术

水资源是人类赖以生存的资源之一。近年来，水环境污染事件已经引起人们的广泛关注，水环境的污染直接危害着人类经济和社会的发展。大多数水环境的污染问题都是由于日常生活废水及工业生产废水的近岸排放造成的，然而这些排放废水的管道又常常被埋在水体内部。因此，想要找到污染源的具体排放位置，近岸水环境的三维污染源定位就显得十分重要。

现有的近岸水环境污染源定位主要对水污染源的平面定位，主要方法有：非线性最小二乘法和无迹卡尔曼滤波法等。非线性最小二乘法是运用实际的约束条件，满足测量的实际浓度值与计算的理论浓度值之差的平方和最小时的参数估计。该方法在每个测量时刻都有历史时刻的测量值和当前时刻的测量值参与最小二乘数值运算，然而随着测量次数的增加，数据量会急剧增长，在不同的测量时刻有重复而繁杂的最小二乘数值计算。若在定位过程中某些监测节点的信息误差偏大，则会造成整个定位方法的误差增大。故此方法易受测量噪声的干扰，定位结果的稳定性差，并由于存储数据量大，导致工作效率低、耗时长。

无迹卡尔曼滤波法是用每个时刻的测量值去更新待求定位参数的先验估计而得到定位参数的后验估计，整个计算过程不需要保存和计算历史数据。如“一种靠近湖泊岸边的污染源定位方法”(2014102053234)，该方法使用的实际浓度数据包含了整个水污染源扩散全过程的信息，并且考虑了每个时刻的测量噪声。与所述非线性最小二乘法相比，此方法的定位周期相对较短、稳定性相对较高。但是在实际应用中，污染源位置常常会隐藏在水体内某一位置，由于此方法无法定位出水体内污染源的深度位置，故存在定位精度低的缺陷。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷。目的是提供一种定位周期短、精度高且稳定性强的接近湖泊岸边的三维污染源定位方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

步骤1、在接近湖泊岸边的三维水体中，以岸边方向为x轴、垂直于岸边方向为y轴、水体深度为z轴和岸边水体底部任意一点为原点，建立三维直角坐标系。假设在接近湖泊岸边(ε,η,ξ)位置处有一连续污染源从τ时刻开始以速率为Q均匀地向三维水体中排放浓度为C₀的污染物，所述污染物的质量流率M＝QC₀；三维水体中设有N个传感器节点，N个传感器节点共计监测了S个采样时刻的水体污染物浓度，第i(i＝1,...,N)个传感器节点(x_i,y_i,z_i)在t_k(k＝1,...,S)时刻监测的水体污染物浓度为：

式(1)中：

t_k(k＝1,...,S)表示第k个采样时刻，h；

X表示以污染源位置(ε,η,ξ)、初始扩散时间τ和所述污染物的质量流率M所组成的待求向量,X＝(ε,η,ξ,τ,M)^T；

W_i^(k)表示第i(i＝1,...,N)个传感器节点(x_i,y_i,z_i)在t_k(k＝1,...,S)时刻的监测噪声，kg/m³；W_i^(k)的均值为0，W_i^(k)的方差为V_i^(k)，(kg/m³)²；

C(x_i,y_i,z_i,t_k,X)表示第i(i＝1,...,N)个传感器节点(x_i,y_i,z_i)在t_k时刻的理论水体污染物浓度，kg/m³；

式(2)中：

R_i表示第i(i＝1,...,N)个传感器节点(x_i,y_i,z_i)到污染源(ε,η,ξ)的距离，m；