本發(fā)明涉及基于數(shù)值建模的mp遷移路徑和沉降速度監(jiān)測系統(tǒng)及方法，屬于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與水污染治理。

背景技術(shù)：

1、微塑料污染已成為全球環(huán)境問題的熱點(diǎn)，特別是在海洋生態(tài)系統(tǒng)中。這些微小的塑料顆粒因其廣泛分布和細(xì)小尺寸，對海洋生物乃至人類健康構(gòu)成了潛在威脅。目前，微塑料的監(jiān)測主要依賴人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，這些方法不僅成本高效率低，而且無法提供即時(shí)數(shù)據(jù)，限制了對微塑料污染動(dòng)態(tài)變化的廣泛和快速響應(yīng)。盡管這些傳統(tǒng)方法在微塑料污染研究中仍然具有重要地位，但其局限性顯而易見，難以滿足大范圍、實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求。隨著數(shù)值建模技術(shù)的發(fā)展，為微塑料的環(huán)境監(jiān)測提供了新的解決方案。通過利用數(shù)值建模，可以高效、準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測微塑料在環(huán)境中的遷移路徑和聚集區(qū)域。這種技術(shù)通過整合實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)與微塑料的物理特性，能夠詳細(xì)模擬微塑料在水體中的動(dòng)態(tài)行為和最終分布。然而當(dāng)前用于跟蹤微塑料遷移的數(shù)值模型主要基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些模型往往無法全面捕捉影響微塑料行為的物理和環(huán)境因素。例如，有的模型嚴(yán)重依賴于精確的微塑料特性描述，如大小、形狀和密度，而這些特性在動(dòng)態(tài)的海洋環(huán)境中難以持續(xù)準(zhǔn)確測定。

2、此外，現(xiàn)有數(shù)值模型在處理復(fù)雜環(huán)境變量的交互作用時(shí)存在局限性，難以全面反映海洋環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。微塑料在海洋中的行為不僅受到流體動(dòng)力學(xué)影響，還涉及溫度、鹽度、沉降速度等多種因素，這些因素的交互作用增加了模擬的復(fù)雜性和不確定性。因此，亟需一種能夠綜合考慮多種環(huán)境因素并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的數(shù)值建模系統(tǒng)，以提高微塑料監(jiān)測的精度和實(shí)用性。

3、基于此，本發(fā)明提出了基于數(shù)值建模的mp遷移路徑和沉降速度監(jiān)測系統(tǒng)及方法，通過集成海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和微塑料物理特性，模擬微塑料在海洋中的遷移和沉降路徑。該系統(tǒng)采用區(qū)域海洋模型系統(tǒng)（roms）和拉格朗日粒子追蹤技術(shù)，不僅能夠模擬微塑料粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，還能精確計(jì)算其沉降速度，從而顯著提高微塑料污染監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性。本發(fā)明的技術(shù)方案為解決微塑料污染問題提供了科學(xué)和技術(shù)支持，對環(huán)境保護(hù)和海洋管理具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有數(shù)值模型在處理復(fù)雜環(huán)境變量的交互作用時(shí)存在局限性，難以全面反映海洋環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化的技術(shù)問題，進(jìn)而提出基于數(shù)值建模的mp遷移路徑和沉降速度監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明提出基于數(shù)值建模的mp遷移路徑和沉降速度監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

3、傳感器模塊、海上采樣設(shè)備、預(yù)處理模塊、數(shù)值模型模塊、離散化求解模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和可視化模塊；

4、傳感器模塊用于實(shí)時(shí)采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)；

5、海上采樣設(shè)備用于采集微塑料樣本，記錄每個(gè)微塑料樣本的初始位置和物理特性；

6、預(yù)處理模塊用于對實(shí)時(shí)采集的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

7、數(shù)值模型模塊用于模擬微塑料在海洋環(huán)境中的遷移路徑和沉降速度，得到微塑料粒子運(yùn)動(dòng)方程和沉降速度公式；

8、離散化求解模塊用于對微塑料粒子運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行離散化求解，并根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)變化對數(shù)值模型模塊的模擬參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

9、數(shù)據(jù)分析模塊用于分析數(shù)值模型模塊模擬得到的數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)的一致性，根據(jù)分析結(jié)果對數(shù)值模型模塊進(jìn)行調(diào)整；

10、可視化模塊用于實(shí)時(shí)展示微塑料的分布情況和遷移路徑。

11、可選的，傳感器模塊包括但不限于流速計(jì)、溫度計(jì)、鹽度計(jì)和波浪傳感器。

12、基于數(shù)值建模的mp遷移路徑和沉降速度監(jiān)測方法，包括：

13、步驟1：基于傳感器模塊實(shí)時(shí)采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，并將實(shí)時(shí)采集的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心；

14、步驟2：基于海上采樣設(shè)備采集微塑料樣本，并記錄微塑料樣本的初始位置和物理特征；其中，物理特性包括但不限于微塑料的大小、形狀和密度；

15、步驟3：基于預(yù)處理模塊對傳感器模塊和海上采樣設(shè)備的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

16、步驟4：基于區(qū)域海洋模型和拉格朗日粒子追蹤方法構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，得到微塑料的微塑料粒子運(yùn)動(dòng)方程和沉降速度公式；

17、步驟5：基于離散化求解模塊，結(jié)合有限差分法對微塑料粒子的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行離散化求解，迭代計(jì)算微塑料粒子的速度和位置，并根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)變化對海洋動(dòng)力學(xué)模型的模擬參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

18、本發(fā)明的數(shù)值模型綜合考慮了微塑料的物理特性（如大小、形狀、密度）和環(huán)境因素（如水流速度、溫度、鹽度），通過精確的數(shù)學(xué)計(jì)算模型描述微塑料的動(dòng)力學(xué)行為。該模型不僅能夠描述微塑料在靜水中的沉降行為，也能夠模擬其在動(dòng)水環(huán)境下的漂移、懸浮及底部推移狀態(tài)，為微塑料的行為提供了定量的描述和預(yù)測

19、步驟6：基于數(shù)據(jù)分析模塊對離散化求解和迭代計(jì)算后的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，檢查模擬數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)的一致性，根據(jù)分析結(jié)果對對數(shù)值模型模塊進(jìn)行調(diào)整，并對調(diào)整后的數(shù)值模型進(jìn)行新一輪驗(yàn)證；

20、步驟7：利用可視化模塊實(shí)時(shí)展示驗(yàn)證后的微塑料的分布情況和遷移路徑。

21、可選的，步驟3中對傳感器模塊和海上采樣設(shè)備的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理具體包括：

22、應(yīng)用濾波算法去除采集數(shù)據(jù)中的噪聲，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和歸一化處理，將預(yù)處理后的采集數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫中。

23、可選的，步驟4中微塑料的微塑料粒子運(yùn)動(dòng)方程和沉降速度公式的獲取步驟包括：

24、步驟4.1：基于海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、微塑料樣本的初始位置和物理特性初始化數(shù)值模型，建立數(shù)值模型的邊界條件和初始條件；其中，數(shù)值模型的邊界條件包括但不限于微塑料粒子的初始位置、速度和密度，數(shù)值模型的初始條件包括但不限于海流速度場、溫度和鹽度；

25、步驟4.2：采用區(qū)域海洋模型，結(jié)合三維非靜力平衡方程，精確描述初始化后的海洋運(yùn)動(dòng)力過程，并通過整合和分析影響微塑料懸浮、沉降和擴(kuò)散的環(huán)境變量，為微塑料在海洋環(huán)境中的行為提供全面的動(dòng)力學(xué)描述；其中，海洋運(yùn)動(dòng)力過程包括水流的速度、方向和強(qiáng)度，影響微塑料懸浮、沉降和擴(kuò)散的環(huán)境變量包括但不限于溫度、鹽度、水深和海底地形；

26、步驟4.3：采用拉格朗日方法來建立微塑料粒子的運(yùn)動(dòng)方程，并引入隨機(jī)擴(kuò)散模型以模擬微塑料在海洋環(huán)境中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散過程；

27、步驟4.4：根據(jù)微塑料的特性，使用stokes沉降公式計(jì)算微塑料的沉降速度，并基于分析微塑料遇到的水流阻力和湍流情況，對stokes公式的計(jì)算進(jìn)行調(diào)整；其中，微塑料的特性包括但不限于微塑料的密度、形狀和尺寸；

28、stokes公式為：

29、（1）；

30、公式（1）中，為微塑料粒子的沉降速度，單位為m/s，微塑料粒子的半徑，單位為m，微塑料粒子的密度，單位為kg/m3，海水的密度，單位為kg/m3，重力加速度，單位為m/s2，通常為9.81?m/，海水的動(dòng)態(tài)粘度，單位為pa·s。

31、可選的，步驟4.3中建立微塑料粒子的運(yùn)動(dòng)方程和模擬微塑料在海洋環(huán)境中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散過程的步驟包括：

32、步驟4.3.1：設(shè)為微塑料粒子在時(shí)間的位置，為微塑料粒子在時(shí)間的速度，根據(jù)粒子受到的總力構(gòu)建改進(jìn)的拉格朗日方程，來計(jì)算微塑料粒子在任意時(shí)刻的位置和速度；其中，微塑料粒子受的總力包括動(dòng)力、重力、浮力、黏滯阻力；

33、步驟4.3.2：將所有微塑料粒子的初始速度設(shè)為0，根據(jù)改進(jìn)方程計(jì)算微塑料粒子在特定時(shí)間內(nèi)的位置和速度，將微塑料粒子設(shè)置為被動(dòng)追蹤的粒子，得到微塑料粒子的運(yùn)動(dòng)方程；

34、步驟4.3.3：引入隨機(jī)擴(kuò)散模型，并采用monte?carlo方法生成微塑料粒子的隨機(jī)擴(kuò)散路徑，基于隨機(jī)抽樣模擬微塑料粒子在海洋環(huán)境中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)；

35、步驟4.3.4：基于微塑料粒子的運(yùn)動(dòng)方程獲取微塑料粒子的位置、時(shí)間和預(yù)處理后的采集數(shù)據(jù)中的局部溫度和鹽度對海水密度的影響計(jì)算微塑料粒子的漂移速度；

36、步驟4.3.5：計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)d，將塑料粒子的漂移速度和擴(kuò)散系數(shù)d代入微塑料粒子的運(yùn)動(dòng)方程中，模擬微塑料在海洋環(huán)境中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散過程；

37、流體動(dòng)力的計(jì)算公式為：

38、（2）；

39、公式（2）中，為流體壓力，為流體的黏性系數(shù)，為拉普拉斯算子；

40、重力的計(jì)算公式為：

41、（3）；

42、公式（3）中，為粒子的質(zhì)量，為重力加速度；

43、浮力的計(jì)算公式為：

44、（4）；

45、公式（4）中，為流體密度，為粒子排開流體的體積，為向上的單位向量；

46、黏滯性阻力的計(jì)算公式為：

47、（5）；

48、公式（5）中，為阻力系數(shù)，為粒子橫截面積，為粒子速度的大小，為速度向量；

49、微塑料粒子的運(yùn)動(dòng)方程為：

50、（6）；

51、擴(kuò)散系數(shù)d的計(jì)算公式為：

52、（7）；

53、公式（7）中，為基線擴(kuò)散系數(shù)，為一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，為海水局部溫度，表明擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化而變化；

54、塑料在海洋環(huán)境中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散過程的表達(dá)式為：

55、（8）；

56、公式（8）中，為時(shí)間時(shí)微塑料粒子的位置，為由流體動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的微塑料粒子的漂移速度，包括由水流和風(fēng)等因素引起的速度；為擴(kuò)散系數(shù)，可以根據(jù)海水溫度、鹽度和其他環(huán)境因素動(dòng)態(tài)調(diào)整；為隨機(jī)擾動(dòng)的多維布朗運(yùn)動(dòng)，表示環(huán)境隨機(jī)性對微塑料粒子路徑的影響。

57、本發(fā)明的數(shù)值模擬模型通過引入改進(jìn)的拉格朗日方程和隨機(jī)擴(kuò)散模型，更全面地模擬了微塑料在海洋中的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)，本發(fā)明提高了模型預(yù)測的準(zhǔn)確度，使模型能夠準(zhǔn)確反映微塑料在不同海洋動(dòng)力條件下的遷移和沉降規(guī)律。

58、可選的，步驟5中結(jié)合有限差分法對微塑料粒子的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行離散化求解的步驟包括：

59、基于物理原理對微塑料粒子的所有受力進(jìn)行量化，將連續(xù)的微塑料運(yùn)動(dòng)微分方程通過有限差分法轉(zhuǎn)化為離散形式，在空間上采用中心差分方法精確處理空間導(dǎo)數(shù)，在時(shí)間上采用向前差分方法進(jìn)行離散。

60、可選的，步驟6中對調(diào)整后的數(shù)值模型進(jìn)行新一輪驗(yàn)證具體包括：

61、分析模擬數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)的一致性，根據(jù)分析結(jié)果對模型進(jìn)行調(diào)整，并對調(diào)整后的數(shù)值模型進(jìn)行新一輪的驗(yàn)證，直至調(diào)整后的數(shù)值模型輸出的模擬數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)的誤差小于預(yù)設(shè)值；其中，模型調(diào)整包括但不限于調(diào)整模型的時(shí)間步長、空間離散化方法和模型邊界條件設(shè)定。

62、可選的，步驟7中利用可視化模塊實(shí)時(shí)展示驗(yàn)證后的微塑料的分布情況和遷移路徑的步驟包括：

63、步驟7.1：利用三維可視化工具matlab來實(shí)時(shí)展示驗(yàn)證后微塑料的分布情況和遷移路徑；

64、步驟7.2：根據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維視圖，生成微塑料的可視化報(bào)告，分析理解微塑料的遷移規(guī)律；其中微塑料的可視化報(bào)告包括但不限于微塑料分布圖、遷移路徑圖和沉降速度圖。

65、本發(fā)明的有益效果是：

66、1.精確模擬微塑料運(yùn)動(dòng)：本發(fā)明的數(shù)值模型綜合考慮了微塑料的物理特性（如大小、形狀、密度）和環(huán)境因素（如水流速度、溫度、鹽度），通過精確的數(shù)學(xué)計(jì)算模型描述微塑料的動(dòng)力學(xué)行為。該模型不僅能夠描述微塑料在靜水中的沉降行為，也能夠模擬其在動(dòng)水環(huán)境下的漂移、懸浮及底部推移狀態(tài)，為微塑料的行為提供了定量的描述和預(yù)測。

67、2.動(dòng)態(tài)遷移軌跡高效預(yù)測：與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明的數(shù)值模擬模型通過引入改進(jìn)的拉格朗日方程和隨機(jī)擴(kuò)散模型，更全面地模擬了微塑料在海洋中的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)，本發(fā)明提高了模型預(yù)測的準(zhǔn)確度，使模型能夠準(zhǔn)確反映微塑料在不同海洋動(dòng)力條件下的遷移和沉降規(guī)律。

68、3.提升微塑料監(jiān)測效率與準(zhǔn)確性：本發(fā)明的實(shí)施不僅顯著提升了在復(fù)雜海洋環(huán)境中對微塑料行為的模擬精確度和效率，還擴(kuò)大了模型的應(yīng)用范圍，較傳統(tǒng)的定性描述方法，本發(fā)明適用于從沿海到開放海洋的各種環(huán)境，為海洋環(huán)境保護(hù)和微塑料污染治理提供了強(qiáng)有力的科技支持。通過本系統(tǒng)精確預(yù)測微塑料的遷移和沉降規(guī)律，環(huán)境科學(xué)家和管理者可以更有效地追蹤微塑料污染源和傳播途徑，優(yōu)化環(huán)境保護(hù)措施，從而更好地保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)。