基于污染源输入输出通量的土壤污染预测方法及系统与流程

本发明涉及土壤污染风险预警，更具体地说，本发明涉及基于污染源输入输出通量的土壤污染预测方法及系统。

背景技术：

1、随着工业化、城市化进程的加速以及农业集约化生产的持续推进，工业三废排放、农业面源污染、大气沉降等多源污染物不断进入土壤环境，导致土壤重金属、持久性有机污染物等累积问题日益严峻，土壤污染具有隐蔽性、滞后性、累积性和不可逆性的特点，一旦形成污染，不仅会破坏土壤生态系统功能，还会通过食物链富集威胁人体健康，且后期治理修复成本高、周期长、难度大。

2、目前，土壤污染预测方法在实际应用过程中还存在以下技术缺陷：

3、对污染物输入输出通量的核算不全面，往往仅重点考虑人为排放或大气沉降等单一途径，忽略了地表径流跨网格迁移、地下水补给与淋溶、植物吸收、土壤生物降解等关键过程，导致土壤污染物质量守恒关系不完整，浓度计算偏差较大；

4、传统数值预测方法仅基于当前时刻的通量条件进行外推，未充分利用长期历史监测数据所蕴含的污染演变规律，无法修正模型参数不确定性和突发污染源带来的预测误差，长期预测精度随时间步长显著下降。

5、为此，推出基于污染源输入输出通量的土壤污染预测方法及系统。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供基于污染源输入输出通量的土壤污染预测方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于污染源输入输出通量的土壤污染预测方法，包括：

4、区域离散化采集：将研究区划分为边长为l的正方形网格单元，采集每个网格单元的基础属性参数，包括土壤性质参数、地形参数以及水文参数；

5、输入通量计算：针对每个网格单元，计算其在单位时间内的污染物总输入通量，包括大气沉降通量、地表径流输入通量、地下水补给输入通量和人为排放通量；

6、输出通量计算：针对每个网格单元，计算其在单位时间内的污染物总输出通量，包括地表径流输出通量、地下水淋溶输出通量、土壤降解通量、植物吸收通量；

7、污染程度分级：对于任意第j个网格单元，进行土壤中污染物浓度的计算后，基于计算得到的各网格当前污染物浓度，量化单网格污染程度并生成空间分布图；

8、污染程度预测：采用一阶显示差分格式，给定时间步长对未来各网格单元j的污染物浓度进行预测，预测完成时结合历史浓度变化趋势利用修正逻辑进行动态调整后，作为最终预测污染浓度。

9、具体的，土壤性质参数包含有机质含量、ph值、黏粒含量、砂粒含量、容重、孔隙度量；

10、地形参数包含数字高程、坡度、坡向；

11、水文参数包含地下水位埋深、地表径流量、土壤含水率、年降水量。

12、具体的，污染物总输入通量；

13、、、、分别表示大气沉降通量、地表径流输入通量、地下水补给输入通量和人为排放通量。

14、具体的，污染物总输出通量；

15、其中、、、分别表示地表径流输出通量、地下水淋溶输出通量、土壤降解通量、植物吸收通量。

16、具体的，对于任意一个网格单元j，在单位时间δt内，土壤中污染物总质量的变化量等于输入通量减去输出通量：；

17、为网格单元j内土壤中污染物的总质量；

18、将质量转换为浓度，网格内土壤污染物总质量可表现为：；

19、其中为网格j内土壤污染物平均浓度，为土壤体积，为土壤容重；

20、则质量守恒方程变为：

21、，则。

22、具体的，基于任意网格单元的浓度，利用预先建立的映射规则完成污染程度等级的映射，将各网格的污染浓度与等级赋值到对应栅格单元，生成研究区当前污染程度空间分布图。

23、具体的，采用一阶显式差分格式，给定时间步长δt，则从t到δt的浓度更新公式为：；

24、针对任意网格单元j，提取e个按时间先后排序的历史污染物浓度值；记为；

25、确定趋势强度比和浓度趋势比后进行综合处理，输出浓度变化系数；

26、利用预先建立的映射规则，将浓度变化系数转化为修正系数后，与相乘，作为最终预测污染浓度。

27、具体的，以时间为横轴、各组历史污染物浓度为纵轴，绘制单网格浓度时间序列折线图，每个时间节点对应一个数值点，相邻数值点连接形成数值线；

28、对于各条数值线，进行两组数值点浓度值的比对，若数值线所组成数值点之中位于右边数值点的浓度数值高于左边数值点的浓度数值，则将数值线的斜率标记为第一斜率；对所有第一斜率求和得到浓度上升值；

29、若数值线所组成数值点之中位于右边数值点的浓度数值低于左边数值点的浓度数值，则将数值线的斜率取绝对值后标记为第二斜率；

30、对所有第二斜率求和得到浓度下降值；以浓度上升值为分子，浓度下降值为分母进行比值计算，输出趋势强度比；

31、将基于中间时间点进行分割，得到前半区浓度序列和后半区浓度序列；对两组序列，分别取算术平均值，输出前半浓度均值和后半浓度均值；以后半浓度均值为分子，前半浓度均值为分母进行比值计算，输出浓度趋势比。

32、基于污染源输入输出通量的土壤污染预测系统，包括：

33、网格单元参数采集模块，用于将研究区划分为设定边长的正方形网格单元，采集各网格对应的土壤性质参数、地形参数、水文参数；

34、污染物输入通量核算模块，用于分大气沉降、地表径流汇入、地下水补给输入、人为排放四类路径核算单网格污染物总输入通量；

35、污染物输出通量核算模块，用于分地表径流输出、地下水淋溶、土壤降解、植物吸收四类路径核算单网格污染物总输出通量；

36、污染分级与动态预测模块，基于质量守恒公式求解当前网格土壤污染物浓度，划分低、中、高三级污染风险等级并生成空间分布数据；采用一阶显式差分公式初步预测未来污染物浓度，提取多组历史时序浓度数据确定修正系数优化差分初算浓度，输出最终预测浓度。

37、本发明的技术效果和优点：

38、本发明通过设定边长正方形网格对研究区进行离散化，全面采集土壤性质、地形、水文等空间异质性参数，同时构建了包含大气沉降、地表径流输入、地下水补给输入、人为排放四类输入通量，以及地表径流输出、地下水淋溶、土壤降解、植物吸收四类输出通量的质量守恒体系，针对人为污染源，创新性引入地形阻隔修正因子与距离衰减因子加权融合的影响系数计算方法，精准量化复杂地形下污染源的空间贡献，解决了传统模型通量核算不完整、空间精度低、地形影响失真的问题，显著提升了土壤污染物浓度计算的准确性，能够精准识别重点区域的局部高污染风险点，为土壤环境精细化管控提供可靠支撑；

39、本发明采用机理驱动与数据修正相结合的预测逻辑，先通过一阶显式差分格式基于当前通量条件完成污染物浓度的初步预测，再提取多组历史时序浓度数据，通过计算趋势强度比和浓度趋势比综合得到浓度变化系数，进而转化为修正系数对初步预测结果进行动态调整，充分挖掘了历史监测数据蕴含的污染演变规律，有效修正了模型参数不确定性和突发污染源带来的预测误差，解决了传统数值模型长期预测精度随时间步长显著下降的缺陷，大幅提升了土壤污染长期预测的可靠性，能够为土壤污染风险预警和治理决策提供科学依据。