排水冒溢地表污染暴露单元识别与演化追踪方法和系统与流程

本发明涉及城市排水模拟、地表水环境风险识别和时空对象追踪的，尤其是排水冒溢地表污染暴露单元识别与演化追踪方法和系统。

背景技术：

1、城市排水管网在降雨或其他排水负荷条件下发生水力超载时，管内水体可能经检查井、雨水口或其他排水节点向地表冒溢，并沿道路、低洼空间及其他地表汇流通道扩散。现有一维排水管网与二维地表水动力水质模型或者地表监测系统，已经能够获得排水节点冒溢状态以及地表网格的水深、污染物浓度和流动信息，为地表污染暴露分析提供了连续时序数据基础。

2、然而，水深与污染物浓度在空间上并不必然同步变化。仅依据单一水深阈值、单一浓度阈值，或者在每一时步独立执行双阈值判定，容易在阈值附近受模型数值波动、监测误差或者短时局部变化影响，使同一网格在相邻时步之间反复进入和退出污染暴露状态，造成污染暴露边界闪烁、斑块虚假形成或虚假消退，进而影响后续时序追踪的稳定性。

3、进一步地，单纯统计全部超阈值网格的面积、体积或浓度，难以区分同一时步中彼此分离的多个地表污染暴露实体。若仅按照平面相邻关系对超阈值网格进行聚合，还可能将受到建筑物、围墙、不可漫越路缘、高程阻隔或者模型关闭边分隔的网格错误合并，从而使得到的空间对象与实际地表水体可流通关系不一致。

4、对于相邻时步的污染暴露对象，现有几何追踪方式通常利用质心距离、几何重叠或者各向同性搜索范围建立对应关系。当含污积水沿道路纵坡、微地形或者局部通道整体迁移时，前后时步对象可能具有较小几何重叠；同时，空间距离较近的两个对象也可能处于不同阻隔区域或者位于相反的水力传播方向。仅依据几何信息容易产生漏关联或者错误关联，也难以利用实际传播时间判断某一后时步对象是否能够由前时步对象在给定时步间隔内传播到达。

5、此外，地表污染暴露对象在传播过程中可能发生延续、分裂和合并。若仅采用一对一最近邻关联，难以同时保持主要对象身份的连续性并记录分支来源或合并来源。对于短时数据缺测或者短时未达到确认条件的情况，还容易造成原有轨迹被提前截断并重新分配身份。现有全区域汇总评价也难以将具体地表污染暴露谱系与其局部关联排水节点相对应，因而难以确定局部排水节点停止冒溢后相应地表污染暴露仍持续存在的拖尾过程。

6、因此，需要一种能够在统一有效流通拓扑约束下，将稳定状态判定、水力传播约束、跨时步主次关联、分裂合并谱系重构以及局部排水节点反向关联进行衔接的城市排水冒溢地表污染暴露单元识别与演化追踪技术。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了排水冒溢地表污染暴露单元识别与演化追踪方法和系统，以解决上述技术问题。

2、根据本发明的第一方面，提出了排水冒溢地表污染暴露单元识别与演化追踪方法，包括：

3、s1：获取连续时步的地表网格水深、目标污染物浓度、地表高程、有效流通连接、公共边法向流速及排水节点冒溢时序数据，并以地表网格为顶点、有效流通连接为边建立有效流通基础拓扑；

4、s2：针对各地表网格设置水深进入阈值、退出阈值及浓度进入阈值、退出阈值，结合前一已确认状态和连续确认次数进行滞回判定，得到污染暴露网格，并在有效流通基础拓扑上提取连通分量形成污染暴露斑块；

5、s3：根据地表高程和水深确定网格水力势，优先依据公共边法向流速、在法向流速缺失或无效时依据水力势差确定传播方向和传播速度，根据传播速度确定边传播时间形成有向传播图，并以前时步污染暴露斑块为多源起点进行限时搜索，得到输移预测覆盖区；

6、s4：仅将与输移预测覆盖区相交的后时步污染暴露斑块作为候选斑块，依据输移校正重叠和预测质心残差，并结合有效的方向一致性和浓度连续性确定跨时步关联得分，通过最大权匹配确定主关联边，并依据关联得分、覆盖率及与主关联边的共享关系确定次级关联边；

7、s5：根据主关联边和次级关联边识别延续、分裂和合并关系，构建污染暴露斑块谱系有向无环图；

8、s6：沿有向传播图的反向边限时搜索局部关联排水节点，根据谱系首次确认消退时刻和局部关联排水节点冒溢停止时刻确定污染暴露拖尾，并输出轨迹及谱系演化结果。

9、在一些具体的实施例中，地表网格水深、目标污染物浓度、公共边法向流速及排水节点冒溢时序数据来源于一维排水管网—二维地表水动力水质耦合模型、地表监测数据或其组合；对获取的数据统一坐标系统、高程基准、网格标识、计量单位和时间基准，并保存相邻时步的实际时间间隔；对异常负值、重复记录、无效浓度、拓扑孤立网格及网格变化进行有效性校验；当不同时步采用不同地表网格时，将各时步数据转换至统一空间索引后进行污染暴露状态判定。

10、在一些具体的实施例中，水深进入阈值、水深退出阈值、浓度进入阈值和浓度退出阈值满足：将水深和目标污染物浓度均通过有效性校验的时步确定为网格状态判定有效时步；当前一已确认状态为非暴露状态时，在水深不小于且目标污染物浓度不小于的进入条件连续满足个网格状态判定有效时步后转为污染暴露状态；当前一已确认状态为污染暴露状态时，在水深不小于且目标污染物浓度不小于时维持污染暴露状态，并在水深小于或目标污染物浓度小于的退出条件连续满足个网格状态判定有效时步后转为非暴露状态；其中，和均为不小于1的整数，并根据数据输出步长和状态判定值的波动程度确定。

11、在一些具体的实施例中，水深退出阈值和浓度退出阈值按照：，确定，其中，和分别为水深滞回带宽和浓度滞回带宽，满足、，并根据模型输出分辨率、监测误差、模型率定误差或管理容差中的至少一种确定；或者

12、按照：，确定，其中，和分别表示水深和目标污染物浓度的不确定度或阈值附近数值波动尺度，和为大于零的调节系数。

13、在一些具体的实施例中，有效流通连接为两个相邻地表网格具有公共边界，且公共边界未被建筑物、围墙、不可漫越路缘、高程阻隔或模型关闭边阻断的连接；对于规则网格采用经阻隔校核的共享公共边四邻域连接，对于非规则网格采用二维模型网格连接表中的有效公共边；污染暴露斑块、有向传播图和局部关联排水节点的反向限时搜索均由同一有效流通基础拓扑派生。

14、在一些具体的实施例中，第个地表网格在第时步的网格水力势按照下式确定：，其中，为地表高程，为水深；对于具有有效流通连接的第个地表网格和第个地表网格，当公共边法向流速有效且其绝对值大于流速容差时，以公共边法向流速的符号确定传播方向，并以其绝对值确定传播速度；当公共边法向流速缺失或无效、水力势差绝对值大于水力势容差且相邻地表网格平均水深有效并大于零时，沿水力势降低方向建立有向传播边，并按照下式确定传播速度：，其中，为相邻地表网格间的等效地表糙率，为相邻地表网格平均水深，为网格中心距离；仅对满足建边条件且传播速度大于零的有向传播边按照下式确定边传播时间：，其中，为大于零且仅用于边传播时间数值计算的最小计算速度，不用于赋予不满足建边条件的公共边以传播资格。

15、在一些具体的实施例中，流速容差和水力势容差根据水动力模型的数值计算精度、数值波动及代表性事件中的传播结果确定；针对前时步污染暴露斑块，以其所含地表网格为多源搜索起点，确定由有向传播图到达各目标网格的最小累计传播时间，将满足下式的目标网格纳入输移预测覆盖区：其中，为前、后时步的实际时间间隔，为不小于0的时间容差，用于限定在实际时间间隔基础上允许的传播时间偏差；输移预测覆盖区不得跨越有效流通基础拓扑中不存在的有效流通连接。

16、在一些具体的实施例中，对于前时步污染暴露斑块和后时步污染暴露斑块，按照下式确定输移校正重叠项：,式中，表示对应空间区域的面积，表示由第时步第个前时步污染暴露斑块经限时搜索得到的第时步输移预测覆盖区，表示第时步第个后时步污染暴露斑块，和分别表示前时步污染暴露斑块和后时步污染暴露斑块的索引，表示时步索引;根据输移预测覆盖区的面积加权质心与后时步污染暴露斑块质心之间的距离确定预测质心残差衰减项；在前时步污染暴露斑块存在有效向外传播边、其合成传播向量的模大于传播方向容差且前、后时步污染暴露斑块质心位移的模大于位移容差时，确定方向一致项；在前、后时步污染暴露斑块的体积加权平均浓度均有效时，根据二者的浓度差确定浓度连续项；将和作为必选有效项，将有效的和作为附加有效项，并按照下式确定跨时步关联得分：其中，为有效项集合，各权重均为大于零的数值，表示有效项集合中的任一有效关联项，所述有效关联项为、、或中的一个，表示与有效关联项对应的权重。

17、在一些具体的实施例中，输移校正重叠项、预测质心残差衰减项、方向一致项和浓度连续项的取值范围均为0至1，使跨时步关联得分的取值范围为0至1；分别按照下式确定父斑块预测覆盖率和子斑块来源覆盖率：，第一关联阈值、第二关联阈值、父覆盖阈值及子覆盖阈值均为0至1之间的数值，且第一关联阈值不低于第二关联阈值，关联阈值、覆盖阈值及各有效项的权重根据模型空间分辨率、输出步长、数值波动和代表性事件中的斑块关联结果确定。

18、在一些具体的实施例中，以跨时步关联得分达到第一关联阈值的候选斑块对为边构建二分图，并执行最大权匹配，以确定互不共享前时步污染暴露斑块和后时步污染暴露斑块且关联得分总和最大的主关联边集合；当存在关联得分总和相同的多个匹配结果时，先选择候选斑块交集面积总和较大的匹配结果；仍相同时，根据前时步污染暴露斑块所属谱系形成时刻、前时步污染暴露斑块实例标识、后时步时刻和后时步污染暴露斑块实例标识组成的边键确定唯一匹配结果；对于未被确定为主关联边的候选斑块对，仅在其跨时步关联得分达到第二关联阈值、父斑块预测覆盖率达到父覆盖阈值或子斑块来源覆盖率达到子覆盖阈值中的至少一项、且与至少一条主关联边共享前时步污染暴露斑块或后时步污染暴露斑块时，确定为次级关联边。

19、在一些具体的实施例中，当一个前时步污染暴露斑块通过主关联边和次级关联边连接至少两个后继污染暴露斑块、连接中至少包含一条主关联边、且各后继污染暴露斑块的空间并集与该前时步污染暴露斑块的输移预测覆盖区之间的交集面积占输移预测覆盖区面积的比例达到分裂覆盖阈值时，确定为分裂事件；当一个后时步污染暴露斑块通过主关联边和次级关联边连接至少两个前驱污染暴露斑块、连接中至少包含一条主关联边、且各前驱污染暴露斑块的输移预测覆盖区的空间并集与该后时步污染暴露斑块之间的交集面积占该后时步污染暴露斑块面积的比例达到合并覆盖阈值时，确定为合并事件；其中，分裂覆盖阈值和合并覆盖阈值均为0至1之间的数值；主关联边用于确定轨迹身份继承，次级关联边用于记录分裂父子关系或合并来源关系。

20、在一些具体的实施例中，为各污染暴露斑块分配唯一的斑块实例标识，并根据斑块关联关系分配谱系标识和轨迹标识；同一谱系中的斑块实例共享谱系标识，同一连续轨迹中的斑块实例共享轨迹标识；当一个污染暴露斑块在不超过个连续时步内因水深或目标污染物浓度数据缺测、或者短时未达到已确认污染暴露状态而未形成后继污染暴露斑块时，根据所跨越时段的实际时间间隔扩展其输移预测覆盖区；将扩展后的输移预测覆盖区与后续污染暴露斑块相交、跨时步关联得分达到间断重连阈值且后续污染暴露斑块尚未连接至既有谱系的斑块对确定为间断重连候选对，并通过最大权匹配确定间断重连边；其中，为不小于1的整数，间断重连阈值为0至1之间的数值，且用于确认谱系消退的连续有效时步数量满足：。

21、根据本发明的第二方面，提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有一或多个计算机程序，该一或多个计算机程序被计算机处理器执行时实施上述的方法。

22、根据本发明的第三方面，提出了排水冒溢地表污染暴露单元识别与演化追踪系统，包括：

23、时序数据接入与质控模块，配置用于获取连续时步的地表网格水深、目标污染物浓度、地表高程、有效流通连接、公共边法向流速和排水节点冒溢时序数据，并构建有效流通基础拓扑；

24、滞回状态判定模块，配置用于根据水深进入阈值、退出阈值、浓度进入阈值、退出阈值、前一已确认状态及连续确认次数确定污染暴露网格；

25、暴露斑块构建模块，配置用于在有效流通基础拓扑上提取污染暴露网格的连通分量形成污染暴露斑块；

26、水力输移关联模块，配置用于根据公共边法向流速和网格水力势确定传播方向和传播速度，形成具有边传播时间的有向传播图，并通过限时搜索生成输移预测覆盖区；

27、主次关联模块，配置用于将与输移预测覆盖区相交的后时步污染暴露斑块确定为候选斑块，根据输移校正重叠、预测质心残差、方向一致性和浓度连续性确定跨时步关联得分，通过最大权匹配确定主关联边，并依据关联得分、覆盖率及与主关联边的共享关系确定次级关联边；

28、谱系重构模块，配置用于根据主关联边和次级关联边确定轨迹身份以及分裂父子关系和合并来源关系，并构建污染暴露斑块谱系有向无环图；

29、演化输出模块，配置用于沿有向传播图的反向边限时搜索局部关联排水节点，根据污染暴露斑块谱系的首次确认消退时刻和局部关联排水节点的冒溢停止时刻确定污染暴露拖尾，并输出轨迹及谱系演化结果。

30、本发明提出了排水冒溢地表污染暴露单元识别与演化追踪方法和系统，其具有如下技术效果：

31、与现有技术相比，本发明通过水深和污染物浓度的双变量四门限滞回判定，使污染暴露状态能够结合前态记忆及连续确认结果进行稳定更新，降低阈值附近数值波动引起的暴露网格反复进入和退出；进一步基于同一有效流通基础拓扑，根据公共边法向流速及水力势差构建具有传播方向和边传播时间的有向传播图，并通过多源限时搜索获得输移预测覆盖区，使跨时步斑块关联受到实际流通路径、传播方向及旅行时间的共同约束，从而减少仅依据几何重叠或质心距离所产生的跨阻隔、逆水力方向及不可达斑块误关联。在此基础上，通过物理可达候选门控、跨时步关联得分及最大权匹配确定主关联边，并利用次级关联边记录分裂和合并关系，使污染暴露斑块在迁移、分裂和合并过程中能够保持主要轨迹身份并形成完整的时序谱系；同时沿同一有向传播图反向搜索局部关联排水节点，并结合谱系首次确认消退时刻与局部冒溢停止时刻确定污染暴露拖尾，由此实现对城市排水冒溢形成的地表污染暴露单元从稳定识别、物理约束追踪、谱系重构到恢复拖尾量化的连续表征。