饮用水源地污染物在线检测与溯源分析方法与流程

本发明涉及水污染监测，具体的，涉及饮用水源地污染物在线检测与溯源分析方法。

背景技术：

1、传统的水质监测方法主要依赖于人工采样和实验室分析，存在时效性差、成本高、难以实现实时监控等问题。虽然近年来在线水质监测技术得到了发展，但现有的在线监测系统大多仅能检测水质参数的变化，难以实现污染物类型的快速识别和污染源的精准溯源。现有的污染物识别方法通常基于单一参数的阈值判断或简单的多参数关联分析，缺乏对污染物特征的深度挖掘，导致识别准确率不高，特别是在多种污染物共存或污染物浓度较低的情况下，误判率较高。对污染物在水体中的传播规律认识不足，难以准确描述污染物的时空演化过程。

2、在污染源溯源方面往往基于理想化的假设条件，未能充分考虑水体环境的复杂性和动态性。例如，传统水文模型通常假设污染物传播速度和衰减系数为恒定值，而实际水体中这些参数会随着水流条件、温度、水深等因素的变化而变化，导致溯源结果的准确性不足。现有方法缺乏对多传感器空间分布数据的有效利用，未能充分发挥分布式监测网络在污染源定位中的优势。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供饮用水源地污染物在线检测与溯源分析方法，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

2、本发明的技术方案为：饮用水源地污染物在线检测与溯源分析方法，包括以下步骤：

3、获取多个传感器在不同空间位置和时刻的水质参数并组织为时空张量，对时空张量沿时间维度进行梯度分解，获得污染特征标签；

4、识别污染特征标签的空间传播轨迹形成传感器节点序列，提取各节点中各参数分量的起始时刻和变化幅度；

5、提取传感器节点序列中同一传感器节点不同参数的起始时刻和变化幅度，基于各参数响应的时间先后顺序和幅度强弱关系构建多参数耦合的污染动力学指纹，通过不同污染物引发的参数响应顺序差异和响应强度比例差异识别污染物类型；

6、根据相邻传感器间的时空观测数据逐段提取传播速度和衰减系数，利用逐段提取的传播速度和衰减系数构建自适应传播模型；

7、对自适应传播模型进行反向时空反演，沿污染传播路径从下游向上游逆向追溯，得到污染物释放时刻和释放位置；

8、将释放位置与排污口位置进行匹配，结合污染物类型确定排污源身份并生成预警信息。

9、获取多个传感器在不同空间位置和时刻的水质参数并组织为时空张量，对时空张量沿时间维度进行梯度分解，获得污染特征标签包括：

10、将多个传感器在不同空间位置和时刻采集的水质参数组织为时空张量，时空张量的行维度和列维度对应空间位置，深度维度对应时间序列；

11、对时空张量沿时间维度计算相邻时刻的差分值生成时间梯度张量，时间梯度张量记录各空间位置的水质参数变化率；

12、在时间梯度张量中识别变化率发生突变的空间位置，对空间位置进行连通性聚合形成污染响应区域，提取污染响应区域的边界位置和边界位置对应的时间层索引；

13、从时间梯度张量中读取边界位置在时间层索引处的多参数变化率，对多参数变化率进行归一化得到参数间比例关系，将参数间比例关系作为污染特征标签。

14、识别污染特征标签的空间传播轨迹形成传感器节点序列，提取各节点中各参数分量的起始时刻和变化幅度包括：

15、从污染特征标签中提取参数间比例关系，在时空张量中搜索具有相同参数间比例关系的空间位置，基于相邻空间位置间的时空距离构建动态连接权重，根据动态连接权重对空间位置进行连通性聚合形成空间传播轨迹；

16、将空间传播轨迹中的空间位置与传感器的部署位置进行关联，按照空间传播轨迹中空间位置的时间顺序将关联的传感器连接形成传感器节点序列；

17、针对传感器节点序列中的每个传感器节点，从时空张量中提取对应的多参数时间序列，对多参数时间序列进行时域分解识别各参数分量的起始位置和峰值位置，提取起始位置对应的时刻作为各参数分量的起始时刻，计算峰值位置与起始位置的幅度差作为各参数分量的变化幅度。

18、基于各参数响应的时间先后顺序和幅度强弱关系构建多参数耦合的污染动力学指纹，通过不同污染物引发的参数响应顺序差异和响应强度比例差异识别污染物类型包括：

19、针对传感器节点序列中同一传感器节点的不同参数，将起始时刻按时间先后顺序排列构建时序响应向量，将变化幅度归一化后按对应顺序排列构建幅度响应向量；

20、将时序响应向量与幅度响应向量进行张量外积运算生成时序-幅度耦合矩阵，对时序-幅度耦合矩阵沿时序维度和幅度维度分别投影得到时序耦合特征向量和幅度耦合特征向量，将时序耦合特征向量和幅度耦合特征向量组合作为多参数耦合的污染动力学指纹；

21、计算时序耦合特征向量与预存的污染物指纹库中各已知污染物对应时序耦合特征向量的向量夹角作为参数响应顺序差异，计算幅度耦合特征向量与各已知污染物对应幅度耦合特征向量的向量夹角作为响应强度比例差异；

22、将参数响应顺序差异和响应强度比例差异加权求和得到各已知污染物的综合匹配距离，选取综合匹配距离最小的已知污染物作为识别的污染物类型。

23、根据相邻传感器间的时空观测数据逐段提取传播速度和衰减系数，利用逐段提取的传播速度和衰减系数构建自适应传播模型包括：

24、根据相邻传感器节点间的时空观测数据从污染物到达时间差和空间距离中逐段提取段传播速度，从同一参数分量的变化幅度差异中逐段提取段衰减系数，计算段传播速度与段衰减系数的比值作为段传播衰减特征量；

25、将段传播速度、段衰减系数和段传播衰减特征量与空间位置关联形成传播参数空间序列；

26、对传播参数空间序列中的段传播衰减特征量进行空间变化率分析识别变化率突变位置，根据变化率突变位置将传播参数空间序列划分为多个空间连续段，对各空间连续段内的段传播速度和段衰减系数分别进行拟合得到传播速度空间分布函数和衰减系数空间分布函数；

27、将各空间连续段的传播速度空间分布函数和衰减系数空间分布函数与对应的空间范围进行映射，建立从空间位置查询对应传播速度和衰减系数的分段映射关系作为自适应传播模型。

28、对自适应传播模型进行反向时空反演，沿污染传播路径从下游向上游逆向追溯，得到污染物释放时刻和释放位置包括：

29、从传感器节点序列中提取各传感器节点观测到的污染到达时刻，按照污染到达时刻从晚到早的顺序对传感器节点进行排列形成逆向追溯路径；

30、从自适应传播模型中查询逆向追溯路径上相邻传感器节点之间的段传播速度，根据段传播速度和相邻传感器节点之间的空间距离计算逆向传播时间间隔；

31、沿逆向追溯路径从下游传感器节点向上游传感器节点逐段逆向追溯，将下游传感器节点的污染到达时刻减去逆向传播时间间隔得到上游传感器节点的推算到达时刻；

32、将推算到达时刻与上游传感器节点观测到的污染到达时刻进行比对，识别推算到达时刻早于观测到的污染到达时刻的传感器节点位置作为污染物释放位置，提取污染物释放位置对应传感器节点观测到的污染到达时刻作为污染物释放时刻。

33、将释放位置与排污口位置进行匹配，结合污染物类型确定排污源身份并生成预警信息包括：

34、获取各排污口位置的空间坐标，计算污染物释放位置与各排污口位置之间的空间距离，选取空间距离最小的排污口位置作为匹配排污口位置；

35、从排污口数据库中提取匹配排污口位置对应的排污源身份信息和排污许可信息，排污许可信息包含允许排放的污染物类型和允许排放时段；

36、将污染物类型与允许排放的污染物类型进行比对，将污染物释放时刻与允许排放时段进行比对，识别污染物类型超出许可范围或污染物释放时刻超出允许排放时段；

37、当污染物类型超出许可范围或污染物释放时刻超出允许排放时段时，将排污源身份信息、污染物类型、污染物释放时刻和污染物释放位置组合生成预警信息。

38、本发明实施例中提供饮用水源地污染物在线检测与溯源分析系统，所述系统包括：

39、数据获取模块，用于获取多个传感器在不同空间位置和时刻的水质参数并组织为时空张量，对时空张量沿时间维度进行梯度分解，获得污染特征标签；

40、轨迹识别模块，用于识别污染特征标签的空间传播轨迹形成传感器节点序列，提取各节点中各参数分量的起始时刻和变化幅度；

41、类型识别模块，用于提取传感器节点序列中同一传感器节点不同参数的起始时刻和变化幅度，基于各参数响应的时间先后顺序和幅度强弱关系构建多参数耦合的污染动力学指纹，通过不同污染物引发的参数响应顺序差异和响应强度比例差异识别污染物类型；

42、模型构建模块，用于根据相邻传感器间的时空观测数据逐段提取传播速度和衰减系数，利用逐段提取的传播速度和衰减系数构建自适应传播模型；

43、反演模块，用于对自适应传播模型进行反向时空反演，沿污染传播路径从下游向上游逆向追溯，得到污染物释放时刻和释放位置；

44、预警模块，用于将释放位置与排污口位置进行匹配，结合污染物类型确定排污源身份并生成预警信息。

45、本发明实施例中还提供的一种技术方案是一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述任意一项方法中的步骤。

46、本发明实施例中还提供的一种技术方案是一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述任意一项方法中的步骤。

47、本发明通过时空张量的梯度分解实现了污染特征的精准提取，提高了污染事件的识别准确性和时效性。通过构建多参数耦合的污染动力学指纹，充分利用不同水质参数的响应时序和幅度关系，实现了污染物类型的快速识别，解决了现有方法在多种污染物共存或低浓度污染情况下误判率高的问题。通过逐段提取传播速度和衰减系数构建自适应传播模型，克服了传统水文模型假设参数恒定的缺陷，显著提高了污染源溯源的准确性。通过反向时空反演从下游向上游逆向追溯，实现了对污染物释放时刻和位置的精准定位。通过将释放位置与排污口位置匹配并结合污染物类型识别结果，能够快速确定排污源身份，为应急响应和污染治理提供科学依据。