本發(fā)明涉及污染物監(jiān)測，具體涉及一種基于氣流運動的小尺度氣體污染物軌跡溯源方法。

背景技術(shù)：

1、大氣環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的必要條件，保護和改善大氣環(huán)境質(zhì)量對于促進人類社會、經(jīng)濟的發(fā)展以及保障人體健康都具有十分重要的意義。工業(yè)園區(qū)內(nèi)不同行業(yè)的企業(yè)眾多、聚集度高，導致其大氣污染物種類繁多、排放強度大，且大氣污染物的擴散受排放源類型、地理環(huán)境、氣象條件等多種因素的影響。因此，面對突發(fā)性的投訴和監(jiān)測濃度上升，導致工業(yè)園區(qū)大氣污染物排放的控制與管理陷入了溯源難、監(jiān)管難的困境。尋求一種可靠、可行的工業(yè)園區(qū)大氣污染物排放模擬方法，對于工業(yè)園區(qū)大氣污染物排放的監(jiān)測和溯源極其重要，已成為目前工業(yè)園區(qū)大氣污染監(jiān)管的熱點問題。

2、現(xiàn)階段，大氣污染溯源主要采用兩種方式，一種方式是基于站點監(jiān)測，通過在區(qū)域內(nèi)布設(shè)精細化的監(jiān)控網(wǎng)格，實時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量變化趨勢，當發(fā)生污染時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢路徑進行污染溯源；另一種方式是基于空氣質(zhì)量模型，在模擬區(qū)域氣象的基礎(chǔ)上，通過模擬空氣質(zhì)量獲取污染物擴散以及各個污染物之間的生化反應，當某個站點的空氣質(zhì)量出現(xiàn)異常時，通過模型網(wǎng)格的輸出結(jié)果和傳輸過程定位到污染源，從而進行污染溯源。以上兩種方式均需要布置大量的監(jiān)測點位，成本較高。目前，還有一種移動式的大氣污染溯源，通過車輛搭載空氣在線監(jiān)測分析設(shè)備，將空氣在線監(jiān)測分析設(shè)備移動至不同的區(qū)域位點對大氣環(huán)境進行監(jiān)測分析和污染溯源，該方式作為一種暫時性的污染監(jiān)測和溯源方法，對人力的要求也較高。

3、因此，亟需提出針對工業(yè)園區(qū)提出一種節(jié)約人力和設(shè)備成本的氣體污染物軌跡溯源方法，提高對氣體污染物軌跡的溯源精度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于氣流運動的小尺度氣體污染物軌跡溯源方法，通過模擬不同氣象條件下的氣流運動軌跡構(gòu)建廠區(qū)氣流軌跡數(shù)據(jù)集，利用廠區(qū)氣流軌跡數(shù)據(jù)集訓練并測試基于機器學習方法構(gòu)建的大氣污染物氣流軌跡模型，利用大氣污染物氣流軌跡模型實現(xiàn)了對廠區(qū)內(nèi)氣體污染物軌跡的實時獲取，大幅度節(jié)約了氣體污染物監(jiān)測所需要的設(shè)備成本和人力成本，實現(xiàn)了對氣體污染物來源位置的準確獲取，為指導污染物排放決策的制定提供了依據(jù)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于氣流運動的小尺度氣體污染物軌跡溯源方法，包括以下步驟：

4、步驟1，選取待監(jiān)測廠區(qū)，獲取廠區(qū)的gis、地形數(shù)據(jù)和地表建筑數(shù)據(jù)，提取廠區(qū)地面附著物的幾何特征并進行簡化，構(gòu)建廠區(qū)幾何模型；

5、步驟2，對廠區(qū)幾何模型進行網(wǎng)格劃分，確定計算域；

6、步驟3，利用廠區(qū)幾何模型進行氣流運動軌跡模擬，構(gòu)建廠區(qū)氣流軌跡數(shù)據(jù)集；

7、步驟4，基于機器學習算法構(gòu)建大氣污染物氣流軌跡模型，利用廠區(qū)氣流軌跡數(shù)據(jù)集內(nèi)的氣流運動軌跡樣本對大氣污染物氣流軌跡模型進行訓練和測試，得到測試合格的大氣污染物氣流軌跡模型；

8、步驟5，在廠區(qū)內(nèi)設(shè)置監(jiān)測站點，利用監(jiān)測站點獲取氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)并輸入至測試合格的大氣污染物氣流軌跡模型中，利用大氣污染物氣流軌跡模型實時確定廠區(qū)內(nèi)的大氣污染物氣流軌跡。

9、優(yōu)選地，所述大氣污染物包括vocs、pm2.5、pm10、h2s和so2。

10、優(yōu)選地，所述步驟1中，通過對廠區(qū)內(nèi)的地表附著物進行合并，消除相鄰地面附著物之間的間隙，簡化廠區(qū)地面附著物的幾何特征。

11、優(yōu)選地，所述步驟2中，獲取廠區(qū)幾何模型的水平區(qū)域地形數(shù)據(jù)和附著物數(shù)據(jù)，生成廠區(qū)幾何模型的下墊面，并根據(jù)監(jiān)測設(shè)備的高度，設(shè)置廠區(qū)幾何模型的邊界高度并生成側(cè)面，確定廠區(qū)幾何模型的計算域并進行網(wǎng)格劃分。

12、優(yōu)選地，所述步驟3中，包括以下步驟：

13、步驟3.1，設(shè)置氣象條件所對應的風速和風向，利用廠區(qū)幾何模型分別模擬不同風速和風向條件下計算域內(nèi)的氣流運動軌跡，得到不同氣象條件下所對應的氣流運動軌跡，生成氣流運動軌跡樣本；

14、步驟3.2，構(gòu)建包括訓練集和測試集的廠區(qū)氣流軌跡數(shù)據(jù)集，并將各氣流運動軌跡樣本隨機分配至廠區(qū)氣流軌跡數(shù)據(jù)集的訓練集和測試集中。

15、優(yōu)選地，所述步驟3中，所述風速根據(jù)風速計算區(qū)間設(shè)置，所述風速計算區(qū)間的最小風速與最大風速均根據(jù)當?shù)貧v年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得；

16、所述風向包括東、東南、南、西南、西、西北、北和東北。

17、優(yōu)選地，所述步驟3中，氣流運動軌跡模擬基于考慮了湍流中旋渦效應的rng?k-ε模型；

18、所述考慮了湍流中旋渦效應的rng?k-ε模型中，湍動能k和耗散率ε的輸運方程為：

19、

20、其中，

21、

22、式中，t為時間；ρ為流體密度；k為湍動能；xi為i方向上的距離；ui為i方向上的速度矢量；xl為l方向上的距離；αk為湍動能k的有效普朗特數(shù)的倒數(shù)；μeff為有效粘性系數(shù)，μeff＝μ+μt，μ為流體粘度系數(shù)，μt為湍流動力黏性系數(shù)；xj為j方向上的距離；gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能生成項；gb為由浮力引起的湍流動能生成項；ε為耗散率；ym為可壓縮湍流中脈動膨脹對總耗散率的貢獻；c1ε、c2ε、c3ε均為通過實驗確定的模型常數(shù)；r、η均為中間計算量；cμ為常數(shù)；η0、β均為固定參數(shù)，其中，η0取值為4.377，β取值為0.012；s為均應變速率張量的模量。

23、優(yōu)選地，所述機器學習算法采用隨機森林、決策樹、支持向量機或k近鄰方法。

24、優(yōu)選地，所述步驟4中，包括以下步驟：

25、步驟4.1，利用訓練集中的氣流運動軌跡樣本對大氣污染物氣流軌跡模型進行訓練，訓練大氣污染物氣流軌跡模型根據(jù)氣象條件生成大氣污染物氣流軌跡，得到訓練后的大氣污染物氣流軌跡模型；

26、步驟4.2，將測試集中的氣流運動軌跡樣本輸入至訓練后的大氣污染物氣流軌跡模型中，利用訓練后的大氣污染物氣流軌跡模型根據(jù)氣流運動軌跡樣本中的氣象條件生成大氣污染物氣流軌跡；

27、步驟4.3，將訓練后大氣污染物氣流軌跡模型生成的大氣污染物氣流軌跡與氣流運動軌跡樣本內(nèi)的大氣污染物氣流軌跡進行對比，計算訓練后大氣污染物氣流軌跡模型生成的大氣污染物氣流軌跡與氣流運動軌跡樣本內(nèi)的大氣污染物氣流軌跡之間的誤差值并與預設(shè)的精度值進行比較；若誤差值小于預設(shè)的精度值，則訓練后的大氣污染物氣流軌跡模型測試合格，得到測試合格的大氣污染物氣流軌跡模型，進入步驟5；否則，則調(diào)整訓練后的大氣污染物氣流軌跡模型，并返回至步驟4.1中繼續(xù)訓練。

28、優(yōu)選地，所述大氣污染物氣流軌跡計算周期為1h，計算周期內(nèi)設(shè)置有多個以經(jīng)緯度標記的來源坐標，大氣污染物氣流軌跡模型每5min計算一次大氣污染物氣流軌跡。

29、本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果：

30、(1)本發(fā)明針對工業(yè)園區(qū)內(nèi)因行業(yè)眾多、聚集度高而導致大氣污染物種類繁多、排放強度大且擴散易受排放源類型、地理環(huán)境、氣象條件等多種因素影響的問題，提出了一種基于氣流運動的小尺度氣體污染物軌跡溯源方法，實現(xiàn)了對大氣污染物氣流軌跡的準確獲取，通過精確判斷大氣污染物的來源位置，有效解決了大氣污染物排放控制與管理過程中污染物溯源難的問題。

31、(2)本發(fā)明提出的一種基于氣流運動的小尺度氣體污染物軌跡溯源方法，該方法僅需利用監(jiān)測點位處獲取的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)即可準確獲取大氣污染物氣流軌跡，并基于大氣污染物氣流軌跡進行大氣污染物來源軌跡溯源，克服了現(xiàn)有技術(shù)中基于監(jiān)測站點進行大氣污染物溯源時需要布設(shè)精細化監(jiān)控網(wǎng)格成本較高以及移動監(jiān)測需要耗費大量人力資源的問題，大幅度節(jié)約了氣體污染物監(jiān)測所需要的設(shè)備成本和人力成本。

32、(3)本發(fā)明提出的一種基于氣流運動的小尺度氣體污染物軌跡溯源方法，充分考慮了廠區(qū)內(nèi)建筑物對大氣污染物氣流軌跡的影響變化，既提高了對廠區(qū)內(nèi)大氣污染物氣流軌跡監(jiān)測的準確性，又實現(xiàn)了對大氣污染物來源位置的快速溯源，有利于指導大氣污染防治體系的建立，對促進大氣生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)性發(fā)展具有積極的推動作用。