基于蒙特卡洛和層次分析法的突發(fā)性水污染事故預(yù)警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及污染物模擬領(lǐng)域，具體提出一種基于蒙特卡洛和層次分析法的突發(fā)性 水污染事故預(yù)警方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水是生命之源，也是自然環(huán)境的一個(gè)重要組成部分。水資源是社會(huì)發(fā)展不可缺少 的重要自然資源，然而，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類活動(dòng)的日趨頻繁，水污染事故頻繁發(fā) 生，已經(jīng)對居民的飲用水安全造成了嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)致了一系列的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題。如何 有效的確保飲用水安全問題，是保證國家穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，也是保障人民群眾根本利益的 基本要求。
[0003] 各類水污染事故中，河流突發(fā)污染事故是一類高發(fā)、高危害的事故，給飲用水安全 造成極大的危害。這類河流突發(fā)污染事故均具有以下特點(diǎn)：（1)事故的發(fā)生是突然地、不可 預(yù)測的；（2)事故發(fā)生之后，由于水文氣象條件的改變、河流環(huán)境的復(fù)雜，污染物的擴(kuò)散具 有很強(qiáng)的不確定性；（3)這類事故都會(huì)造成惡劣的社會(huì)影響。為了保證飲用水安全，在污染 物擴(kuò)散造成更大影響之前，對污染物擴(kuò)散進(jìn)行有效的預(yù)測預(yù)警可以為有關(guān)部門采取必要的 預(yù)防措施提供決策支持，因此，建立有效的預(yù)測預(yù)警模型變得迫在眉睫。
[0004] 確定性水質(zhì)模型主要是根據(jù)污染物在水中物理、化學(xué)、生物的變化過程，建立數(shù)學(xué) 模型定量的計(jì)算污染物在水體的擴(kuò)散趨勢，在模型參數(shù)測量（率定）并且相關(guān)數(shù)據(jù)充足的 情況下可以得到較為精確的預(yù)測結(jié)果。然而，水環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，繁瑣的數(shù)學(xué)建模、 復(fù)雜的參數(shù)率定和大量的數(shù)值計(jì)算時(shí)間限制了確定性水質(zhì)模型的發(fā)展。
[0005] 相較于確定性水質(zhì)模型，不確定性水質(zhì)模型一般在建立一個(gè)不確定性水質(zhì)模型時(shí) 主要有以下幾個(gè)階段。（1)模型的規(guī)劃；（2)輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；（3)模型建模方法確定；(4)模 型參數(shù)率定；（5)模擬和評估。不確定性存在于整個(gè)建模過程中，可以針對每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行不 確定性分析。
[0006] 不確定性水質(zhì)模型可以分為兩大類，一類是基于數(shù)據(jù)的黑箱水質(zhì)模型，模型的建 立基于大量的水質(zhì)水文數(shù)據(jù)，模型注重不同的輸入對結(jié)果的影響，弱化對于污染物在水體 中的具體的物理和生化過程。其優(yōu)點(diǎn)在于模型結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，在工程上的應(yīng)用也較為 廣泛。而另一類不確定性水質(zhì)模型主要是對結(jié)合隨機(jī)理論和確定性水質(zhì)模型，通過利用不 確定的變量輸入得到輸出結(jié)果的概率分布，從而實(shí)現(xiàn)對于污染物擴(kuò)散的模擬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于蒙特卡洛和層次分析法的突發(fā)性水污 染事故預(yù)警方法，主要利用不確定性方法把研究污染物濃度的確定值轉(zhuǎn)移到研究污染物超 過閾值的概率，同時(shí)結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評估方法給出有效的預(yù)警信息，提供較為直觀的污染物事態(tài) 發(fā)展趨勢。
[0008] -種基于蒙特卡洛和層次分析法的突發(fā)性水污染事故預(yù)警方法，該預(yù)警方法結(jié)合 了水質(zhì)模擬和風(fēng)險(xiǎn)評估兩個(gè)模塊，從污染事故發(fā)生的概率以及事故帶來的影響兩個(gè)維度綜 合給出污染事故的風(fēng)險(xiǎn)等級，給出了一個(gè)基于不確定性方法的四步風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法；
[0009] S1、基于蒙特卡洛方法的污染物模擬；
[0010] 基于不確定性分析，構(gòu)建不確定性水質(zhì)模型，根據(jù)水質(zhì)、水文、氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用蒙特 卡洛方法模擬計(jì)算得到污染物擴(kuò)散的時(shí)間空間變化規(guī)律；
[0011] S2、污染事故發(fā)生概率計(jì)算；
[0012] 通過定義下游污染事故發(fā)生的條件，結(jié)合第一步得到的污染物擴(kuò)散結(jié)果得到污染 物峰值濃度和污染物超標(biāo)持續(xù)時(shí)間的概率密度函數(shù)，進(jìn)一步得到下游污染事故發(fā)生的概 率；
[0013] S3、污染事故影響計(jì)算；
[0014] 參考污染物擴(kuò)散的狀態(tài)，結(jié)合層次分析法（AHP)對突發(fā)污染事故進(jìn)行評估，得到 污染事故可能造成的健康、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和供水系統(tǒng)影響；
[0015] S4、基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的風(fēng)險(xiǎn)等級判定；
[0016] 通過定義預(yù)警點(diǎn)EP的污染物風(fēng)險(xiǎn)，在第二步、第三步得到的污染事故發(fā)生概率以 及污染物事故影響量化的基礎(chǔ)上，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法綜合得到預(yù)警點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0017] Sl中所述的污染物模擬包括：
[0018] (2. 1)不確定性分析
[0019] 對事故的不確定性來源的有效分析，構(gòu)建水質(zhì)模型，提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確性；
[0020] (2. 2)數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0021] 對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、變換和歸約方法以提高模型預(yù)測的精度。
[0022] 所述的不確定性分析中采用蒙特卡洛方法，其主要步驟為：
[0023] (3. 1)建立水質(zhì)模型，進(jìn)行蒙特卡洛模擬前需要根據(jù)實(shí)際環(huán)境建立一個(gè)數(shù)學(xué)模 型，即一個(gè)參數(shù)不確定的一維水質(zhì)模型；
[0024] (3.2)確定輸入變量分布，確定模型參數(shù)可能出現(xiàn)的范圍，并給出范圍內(nèi)可能出 現(xiàn)的值相應(yīng)的出現(xiàn)概率，每次試驗(yàn)時(shí)隨機(jī)從可能的概率分布中選取一個(gè)作為真實(shí)值進(jìn)行計(jì) 算；
[0025] (3. 3)確定隨機(jī)變量值，確定了輸入變量的分布之后，每次試驗(yàn)隨機(jī)從中選取一個(gè) 變量值作為一維水質(zhì)模型的參數(shù)，計(jì)算得到輸出值；
[0026] (3. 4)分析和制定決策，經(jīng)過計(jì)算模擬得到一系列輸出結(jié)果的概率分布，對得到的 統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析對比，為決策者提供相應(yīng)的預(yù)警信息作為決策制定的依據(jù)。
[0027] 所述的S2包含以下內(nèi)容
[0028] (4· 1)獲得污染物濃度概率密度函數(shù)
[0029] 獲取污染物濃度的概率密度函數(shù)有利于觀察污染物濃度的概率分布，預(yù)警點(diǎn)的污 染物峰值濃度C p和污染物超標(biāo)持續(xù)時(shí)間D表示為
[0032] 其中C|代表第i個(gè)斷面在j時(shí)刻的污染物濃度；Cf b代表離預(yù)警點(diǎn)EP最近的斷
[0030]
[0031] 面污染物濃度；(^表示污水處理廠的處理能力的閾值；
[0033] 通過不確定性水質(zhì)模擬得到下游預(yù)警點(diǎn)的污染物的峰值濃度和污染物超標(biāo)持續(xù) 時(shí)間的概率密度函數(shù)，隨機(jī)試驗(yàn)有限的次數(shù)，得到的是輸出值的頻次的柱狀圖，然后再擬合 得到相應(yīng)的概率密度函數(shù)曲線，對于柱狀圖顯示時(shí)，定義Frequence (h)為在第h條柱內(nèi)的 所有出現(xiàn)的輸出值的數(shù)量，則所有輸出的結(jié)果的集合可表示為
[0034] ,、 ? (3)
[0035] 其中H表示柱形的數(shù)量；N表示所有可能出現(xiàn)的輸出結(jié)果的集合；
[0036] 然后得到統(tǒng)計(jì)變量的密度
[0037]
租)：
[0038] 其中s表示柱形的寬度，
[0039] 基于上述方程（4)，當(dāng)s足夠小和N足夠大時(shí)，污染物峰值濃度和污染物超標(biāo)持續(xù) 時(shí)間的柱狀圖可以近似成概率密度函數(shù)，
[0040]
[0041 ]
[0042] (4. 2)預(yù)警點(diǎn)事故發(fā)生概率計(jì)算
[0043] 污染事故發(fā)生的概率定義為預(yù)警點(diǎn)污染物的峰值濃度Cp超過了預(yù)警的閾值C t，通 過比較模擬結(jié)果，得到污染事故的發(fā)生概率如下：
[0044]
(7)
[0045] 或者用統(tǒng)計(jì)結(jié)果的表達(dá)式：
[0046] (B)
[0047] 其中Cpi是第i次模擬得到的污染物峰值濃度，
[0048] 通過上述方程（7)或者（8)得到預(yù)警點(diǎn)污染事故發(fā)生的概率，然后根據(jù)實(shí)際的事 件的概率等級的分布定義，進(jìn)而得到污染事故發(fā)生的概率等級。
[0049] 所述S3的主要流程為：
[0050] 通過水質(zhì)模擬得到污染物濃度時(shí)空變化規(guī)律，以污染物峰值濃度、污染物到達(dá)預(yù) 警點(diǎn)時(shí)間、污染物超標(biāo)持續(xù)時(shí)間事故參數(shù)作為風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法的依據(jù)，根據(jù)層次分析法（AHP) 得到污染事故造成的健康、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和供水系統(tǒng)影響。
[0051] 所述的S4主要采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法給出污染事故的風(fēng)險(xiǎn)等級，
[0052] 對預(yù)警點(diǎn)EP的污染物風(fēng)險(xiǎn)有如下定義：
[0053] EPRisk = Z. ? / (9 )
[0054] 其中L代表在上游發(fā)生污染事故的前提下，預(yù)警點(diǎn)EP將會(huì)發(fā)生污染事故的概率， I表示污染事故在預(yù)警點(diǎn)EP帶來的潛在影響，包括可能對整個(gè)城市帶來的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài) 各個(gè)方面的負(fù)面影響，?是一個(gè)基于L和I的關(guān)聯(lián)方式，在第二步、第三步得到的污染事故 發(fā)生概率以及污染物事故影響量化的基礎(chǔ)上，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法通過L和I綜合得到預(yù)警 點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0055] 所述河流突發(fā)污染事故的影響采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process， 簡稱ΑΗΡ)量化污染影響等級，分為三個(gè)步驟：
[0056] (5. 1)構(gòu)建遞階層次
[0057] 應(yīng)用AHP分析解決問題時(shí)，首先要構(gòu)造出一個(gè)有層次結(jié)構(gòu)的樹狀模型。通常情況 下樹狀結(jié)構(gòu)的層次分為三層。上一層的元素作為準(zhǔn)則對下一層的元素起支配作用；
[0058] (5. 2)構(gòu)造比較矩陣
[0059] 確定各層次元素的權(quán)重，每個(gè)元素與從屬于該元素下一層各元素共同構(gòu)成一個(gè)子 區(qū)域，對于區(qū)域內(nèi)的各元素構(gòu)造若干比較矩陣Μ，用 ai j表示下一層中任意兩個(gè)元素對上一 層元素的