基于蒙特卡洛和层次分析法的突发性水污染事故预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及污染物模拟领域，具体提出一种基于蒙特卡洛和层次分析法的突发性 水污染事故预警方法。
【背景技术】
[0002] 水是生命之源，也是自然环境的一个重要组成部分。水资源是社会发展不可缺少 的重要自然资源，然而，随着经济的快速发展和人类活动的日趋频繁，水污染事故频繁发 生，已经对居民的饮用水安全造成了严重影响，从而导致了一系列的经济和社会问题。如何 有效的确保饮用水安全问题，是保证国家稳定发展的基础，也是保障人民群众根本利益的 基本要求。
[0003] 各类水污染事故中，河流突发污染事故是一类高发、高危害的事故，给饮用水安全 造成极大的危害。这类河流突发污染事故均具有以下特点：（1)事故的发生是突然地、不可 预测的；（2)事故发生之后，由于水文气象条件的改变、河流环境的复杂，污染物的扩散具 有很强的不确定性；（3)这类事故都会造成恶劣的社会影响。为了保证饮用水安全，在污染 物扩散造成更大影响之前，对污染物扩散进行有效的预测预警可以为有关部门采取必要的 预防措施提供决策支持，因此，建立有效的预测预警模型变得迫在眉睫。
[0004] 确定性水质模型主要是根据污染物在水中物理、化学、生物的变化过程，建立数学 模型定量的计算污染物在水体的扩散趋势，在模型参数测量（率定）并且相关数据充足的 情况下可以得到较为精确的预测结果。然而，水环境是一个复杂的系统，繁琐的数学建模、 复杂的参数率定和大量的数值计算时间限制了确定性水质模型的发展。
[0005] 相较于确定性水质模型，不确定性水质模型一般在建立一个不确定性水质模型时 主要有以下几个阶段。（1)模型的规划；（2)输入数据准备；（3)模型建模方法确定；(4)模 型参数率定；（5)模拟和评估。不确定性存在于整个建模过程中，可以针对每个环节进行不 确定性分析。
[0006] 不确定性水质模型可以分为两大类，一类是基于数据的黑箱水质模型，模型的建 立基于大量的水质水文数据，模型注重不同的输入对结果的影响，弱化对于污染物在水体 中的具体的物理和生化过程。其优点在于模型结构简单，操作容易，在工程上的应用也较为 广泛。而另一类不确定性水质模型主要是对结合随机理论和确定性水质模型，通过利用不 确定的变量输入得到输出结果的概率分布，从而实现对于污染物扩散的模拟。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明提供一种基于蒙特卡洛和层次分析法的突发性水污 染事故预警方法，主要利用不确定性方法把研究污染物浓度的确定值转移到研究污染物超 过阈值的概率，同时结合风险评估方法给出有效的预警信息，提供较为直观的污染物事态 发展趋势。
[0008] -种基于蒙特卡洛和层次分析法的突发性水污染事故预警方法，该预警方法结合 了水质模拟和风险评估两个模块，从污染事故发生的概率以及事故带来的影响两个维度综 合给出污染事故的风险等级，给出了一个基于不确定性方法的四步风险预警方法；
[0009] S1、基于蒙特卡洛方法的污染物模拟；
[0010] 基于不确定性分析，构建不确定性水质模型，根据水质、水文、气象数据，应用蒙特 卡洛方法模拟计算得到污染物扩散的时间空间变化规律；
[0011] S2、污染事故发生概率计算；
[0012] 通过定义下游污染事故发生的条件，结合第一步得到的污染物扩散结果得到污染 物峰值浓度和污染物超标持续时间的概率密度函数，进一步得到下游污染事故发生的概 率；
[0013] S3、污染事故影响计算；
[0014] 参考污染物扩散的状态，结合层次分析法（AHP)对突发污染事故进行评估，得到 污染事故可能造成的健康、经济、社会和供水系统影响；
[0015] S4、基于风险矩阵的风险等级判定；
[0016] 通过定义预警点EP的污染物风险，在第二步、第三步得到的污染事故发生概率以 及污染物事故影响量化的基础上，采用风险矩阵法综合得到预警点的风险。
[0017] Sl中所述的污染物模拟包括：
[0018] (2. 1)不确定性分析
[0019] 对事故的不确定性来源的有效分析，构建水质模型，提高模型预测的准确性；
[0020] (2. 2)数据预处理
[0021] 对相关数据进行清洗、变换和归约方法以提高模型预测的精度。
[0022] 所述的不确定性分析中采用蒙特卡洛方法，其主要步骤为：
[0023] (3. 1)建立水质模型，进行蒙特卡洛模拟前需要根据实际环境建立一个数学模 型，即一个参数不确定的一维水质模型；
[0024] (3.2)确定输入变量分布，确定模型参数可能出现的范围，并给出范围内可能出 现的值相应的出现概率，每次试验时随机从可能的概率分布中选取一个作为真实值进行计 算；
[0025] (3. 3)确定随机变量值，确定了输入变量的分布之后，每次试验随机从中选取一个 变量值作为一维水质模型的参数，计算得到输出值；
[0026] (3. 4)分析和制定决策，经过计算模拟得到一系列输出结果的概率分布，对得到的 统计结果进行分析对比，为决策者提供相应的预警信息作为决策制定的依据。
[0027] 所述的S2包含以下内容
[0028] (4· 1)获得污染物浓度概率密度函数
[0029] 获取污染物浓度的概率密度函数有利于观察污染物浓度的概率分布，预警点的污 染物峰值浓度C p和污染物超标持续时间D表示为
[0032] 其中C|代表第i个断面在j时刻的污染物浓度；Cf b代表离预警点EP最近的断
[0030]
[0031] 面污染物浓度；(^表示污水处理厂的处理能力的阈值；
[0033] 通过不确定性水质模拟得到下游预警点的污染物的峰值浓度和污染物超标持续 时间的概率密度函数，随机试验有限的次数，得到的是输出值的频次的柱状图，然后再拟合 得到相应的概率密度函数曲线，对于柱状图显示时，定义Frequence (h)为在第h条柱内的 所有出现的输出值的数量，则所有输出的结果的集合可表示为
[0034] ,、 ? (3)
[0035] 其中H表示柱形的数量；N表示所有可能出现的输出结果的集合；
[0036] 然后得到统计变量的密度
[0037]
租)：
[0038] 其中s表示柱形的宽度，
[0039] 基于上述方程（4)，当s足够小和N足够大时，污染物峰值浓度和污染物超标持续 时间的柱状图可以近似成概率密度函数，
[0040]
[0041 ]
[0042] (4. 2)预警点事故发生概率计算
[0043] 污染事故发生的概率定义为预警点污染物的峰值浓度Cp超过了预警的阈值C t，通 过比较模拟结果，得到污染事故的发生概率如下：
[0044]
(7)
[0045] 或者用统计结果的表达式：
[0046] (B)
[0047] 其中Cpi是第i次模拟得到的污染物峰值浓度，
[0048] 通过上述方程（7)或者（8)得到预警点污染事故发生的概率，然后根据实际的事 件的概率等级的分布定义，进而得到污染事故发生的概率等级。
[0049] 所述S3的主要流程为：
[0050] 通过水质模拟得到污染物浓度时空变化规律，以污染物峰值浓度、污染物到达预 警点时间、污染物超标持续时间事故参数作为风险评价方法的依据，根据层次分析法（AHP) 得到污染事故造成的健康、经济、社会和供水系统影响。
[0051] 所述的S4主要采用风险矩阵法给出污染事故的风险等级，
[0052] 对预警点EP的污染物风险有如下定义：
[0053] EPRisk = Z. ? / (9 )
[0054] 其中L代表在上游发生污染事故的前提下，预警点EP将会发生污染事故的概率， I表示污染事故在预警点EP带来的潜在影响，包括可能对整个城市带来的经济、社会、生态 各个方面的负面影响，?是一个基于L和I的关联方式，在第二步、第三步得到的污染事故 发生概率以及污染物事故影响量化的基础上，采用风险矩阵方法通过L和I综合得到预警 点的风险。
[0055] 所述河流突发污染事故的影响采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process， 简称ΑΗΡ)量化污染影响等级，分为三个步骤：
[0056] (5. 1)构建递阶层次
[0057] 应用AHP分析解决问题时，首先要构造出一个有层次结构的树状模型。通常情况 下树状结构的层次分为三层。上一层的元素作为准则对下一层的元素起支配作用；
[0058] (5. 2)构造比较矩阵
[0059] 确定各层次元素的权重，每个元素与从属于该元素下一层各元素共同构成一个子 区域，对于区域内的各元素构造若干比较矩阵Μ，用 ai j表示下一层中任意两个元素对上一 层元素的