【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及計算機模型，特別涉及地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統。
技術介紹
1、地下水污染是當今全球環境保護面臨的重大挑戰之一，特別是在工業化和城市化快速發展的地區，地下水資源的污染問題日益嚴峻。地下水作為一種重要的水資源，不僅為農業灌溉、工業生產和居民生活提供了寶貴的水源，也對維持生態系統的穩定性具有重要意義。然而，由于地下水系統的封閉性和緩慢的更新速度，一旦受到污染，恢復的過程異常緩慢，且污染擴散范圍難以精確預測。常見的地下水污染物包括有機污染物（如石油烴類、農藥）、無機污染物（如重金屬）以及各種工業廢棄物。這些污染物的來源多樣，包括農業廢水、工業排放、城市污水滲漏等。
2、現有的地下水污染監測和治理技術雖然取得了一定進展，但仍然存在多方面的不足。首先，現有的監測手段通常依賴于離散的監測點，這些監測點分布在地下水域中，數據收集多為點狀的時空采集，無法全面覆蓋整個地下水域。這種方法在捕捉污染物擴散的時空動態方面存在局限性，特別是在面對復雜地質結構和多源污染的情況下，現有監測網絡難以準確反映污染物的遷移路徑。其次，傳統的地下水污染擴散模擬方法多基于對流-彌散模型，盡管這一模型能夠較好地模擬污染物在地下水中的擴散和遷移過程，但它通常假設地下水環境相對均勻，忽略了實際地下水系統中的復雜性。例如，地下水流動路徑往往受到地形起伏、土壤和巖層結構變化等因素的影響，而這些因素對污染物的擴散起到了至關重要的作用。
3、現有技術中，對地下水污染的模擬和預測還面臨著較大的挑戰。傳統對流-彌散模型假定地下水流速和
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，顯著提升了地下水污染的監測和修復能力，提升了修復的效率。
2、為解決上述技術問題，本專利技術提供地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，所述系統包括：數據監測與圖網絡構建部分、污染擴散模擬分析部分和生態修復部分；所述數據監測與圖網絡構建部分，用于在目標地下水域設置多個監測點，在各個監測點設置相同的傳感器組，每個傳感器組包括多個傳感器，用以獲取目標地下水域的水質數據，將各個監測點視為圖網絡中的一個節點，以每個節點為中心，設置一個半徑值，劃定一個圓形區域，將圓形區域內的節點視為連通的節點，構建圖網絡的邊，根據各個監測點在目標地下水域中的位置，將各個節點之間的距離的倒數作為邊權重，完成圖網絡的構建；所述污染擴散模擬分析部分，用于對圖網絡進行特征提取，得到圖網絡特征，基于圖網絡特征，使用改進的對流-彌散方程模擬污染物在目標地下水域的遷移擴散，得到目標地下水域中各個位置的污染物濃度分布；所述生態修復部分，用于設定一個目標污染物濃度分布，計算污染物濃度分布與目標污染物濃度分布的差距；基于歷史數據，建立生態修復操作與污染物濃度變化的知識圖譜；根據差距，利用知識圖譜，篩選出最優生態恢復操作。
3、進一步的，水質數據至少包括：溫度、濁度、電導率、總固體溶解量、ph值、溶解氧、氨氮濃度、硝酸鹽濃度、磷酸鹽濃度、重金屬含量、揮發性有機化合物濃度和總大腸菌群數量。
4、進一步的，所生態修復操作至少包括：生物通氣、化學氧化、化學還原和氣相吹脫。
5、進一步的，數據監測與圖網絡構建部分在構建圖網絡時，設定目標地下水域為非平坦的，建模為黎曼流形，節點和之間的距離使用黎曼度量張量進行計算，公式如下：
6、；
7、其中，是在上連接和的測地線；是度量張量；是節點的位置；是節點的位置；和均為整數下標索引；設表示節點與節點之間的邊權重，其值為的倒數；節點和均為圖網絡中的節點，其中表示節點集合，邊集表示各節點之間的邊；為節點數量，其值等于監測點數量，也等于傳感器組的數量。
8、進一步的，所述污染擴散模擬分析部分，對圖網絡進行特征提取，得到圖網絡特征的過程具體包括：設圖網絡的鄰接矩陣為，鄰接矩陣的每個元素表示監測點和之間的連通性；節點對應的特征向量為；特征向量中的每個元素均為一項水質數據；所有節點的特征向量，構成圖網絡在第0層的特征向量為；通過如下公式，計算得到圖網絡的歸一化拉普拉斯矩陣：
9、；
10、其中，為單位矩陣；為度矩陣，是一個對角矩陣，其中每個元素表示每個節點的度；再基于歸一化拉普拉斯矩陣，計算得到圖網絡的特征。
11、進一步的，通過如下公式，計算得到圖網絡的特征：
12、；
13、其中，是非線性激活函數；為構成圖網絡在第層的特征向量；當設定為圖網絡的總層數時，將作為圖網絡特征；為加上自環后的鄰接矩陣；為加上自環后的度矩陣；為權重矩陣，其中每個元素為。
14、進一步的，基于圖網絡特征，通過如下公式，使用改進的對流-彌散方程模擬污染物在目標地下水域的遷移擴散，得到目標地下水域中各個位置的污染物濃度分布：
15、；
16、其中，為在位置和時間的污染物濃度；為在位置的水流速；為梯度運算符；為在位置和時間時的污染物濃度；為節點間的距離矩陣，其中每個元素為；為污染物源，表示了在位置和時間的污染物濃度的增量；表示的秩。
17、進一步的，建立生態修復操作與污染物濃度變化的知識圖譜的過程具體包括：根據歷史數據，針對每個生態修復操作，獲取執行該生態修復操作后，污染物濃度的變化值；獲取同時執行任意兩個生態修復操作后，污染物濃度的變化值；獲取同時執行任意三個生態修復操作后，污染物濃度的變化值；獲取同時執行任意四個生態修復操作后，污染物濃度的變化值；構建生態修復操作、執行數量和污染物濃度的變化值構成的知識圖譜，對于知識圖譜中的第項數據，表示為：
18、；
19、其中，為知識圖譜；為知識圖譜中的數據量；為生態修復操作，為一個向量，當執行一種生態修復操作時，為一維向量；當執行兩種生態修復操作時，為二維向量；當執行三種生態修復操作時，為三維向量；當執行四種生態修復操作時，為四維向量；為執行生態修復操作的數量；為污染物濃度的變化值。
20、進一步的，根據差距，利用知識圖譜，篩選出最優生態恢復操作的過程具體包括：根據知識圖譜，找到任意污染物濃度的變化值的加和值超過差距的兩倍的多項數據，作為一種組合；從所有的組合中，找到執行生態修復操作的數量的和值最小的組合，將該組合作為最優生態恢復操作。
21、本專利技術的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，具有以下有益效果本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，所述系統包括：數據監測與圖網絡構建部分、污染擴散模擬分析部分和生態修復部分；所述數據監測與圖網絡構建部分，用于在目標地下水域設置多個監測點，在各個監測點設置相同的傳感器組，每個傳感器組包括多個傳感器，用以獲取目標地下水域的水質數據，將各個監測點視為圖網絡中的一個節點，以每個節點為中心，設置一個半徑值，劃定一個圓形區域，將圓形區域內的節點視為連通的節點，構建圖網絡的邊，根據各個監測點在目標地下水域中的位置，將各個節點之間的距離的倒數作為邊權重，完成圖網絡的構建；所述污染擴散模擬分析部分，用于對圖網絡進行特征提取，得到圖網絡特征，基于圖網絡特征，使用改進的對流-彌散方程模擬污染物在目標地下水域的遷移擴散，得到目標地下水域中各個位置的污染物濃度分布；所述生態修復部分，用于設定一個目標污染物濃度分布，計算污染物濃度分布與目標污染物濃度分布的差距；基于歷史數據，建立生態修復操作與污染物濃度變化的知識圖譜；根據差距，利用知識圖譜，篩選出最優生態恢復操作。
2.如權利要求1所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特
3.如權利要求2所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，所生態修復操作至少包括：生物通氣、化學氧化、化學還原和氣相吹脫。
4.如權利要求3所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，數據監測與圖網絡構建部分在構建圖網絡時，設定目標地下水域為非平坦的，建模為黎曼流形，節點和之間的距離使用黎曼度量張量進行計算，公式如下：
5.如權利要求4所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，所述污染擴散模擬分析部分，對圖網絡進行特征提取，得到圖網絡特征的過程具體包括：設圖網絡的鄰接矩陣為，鄰接矩陣的每個元素表示監測點和之間的連通性；節點對應的特征向量為；特征向量中的每個元素均為一項水質數據；所有節點的特征向量，構成圖網絡在第0層的特征向量為；通過如下公式，計算得到圖網絡的歸一化拉普拉斯矩陣：
6.如權利要求5所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，通過如下公式，計算得到圖網絡的特征：
7.如權利要求6所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，基于圖網絡特征，通過如下公式，使用改進的對流-彌散方程模擬污染物在目標地下水域的遷移擴散，得到目標地下水域中各個位置的污染物濃度分布：
8.如權利要求7所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，建立生態修復操作與污染物濃度變化的知識圖譜的過程具體包括：根據歷史數據，針對每個生態修復操作，獲取執行該生態修復操作后，污染物濃度的變化值；獲取同時執行任意兩個生態修復操作后，污染物濃度的變化值；獲取同時執行任意三個生態修復操作后，污染物濃度的變化值；獲取同時執行任意四個生態修復操作后，污染物濃度的變化值；構建生態修復操作、執行數量和污染物濃度的變化值構成的知識圖譜，對于知識圖譜中的第項數據，表示為：
9.如權利要求8所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，根據差距，利用知識圖譜，篩選出最優生態恢復操作的過程具體包括：根據知識圖譜，找到任意污染物濃度的變化值的加和值超過差距的兩倍的多項數據，作為一種組合；從所有的組合中，找到執行生態修復操作的數量的和值最小的組合，將該組合作為最優生態恢復操作。
...【技術特征摘要】
1.地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，所述系統包括：數據監測與圖網絡構建部分、污染擴散模擬分析部分和生態修復部分；所述數據監測與圖網絡構建部分，用于在目標地下水域設置多個監測點，在各個監測點設置相同的傳感器組，每個傳感器組包括多個傳感器，用以獲取目標地下水域的水質數據，將各個監測點視為圖網絡中的一個節點，以每個節點為中心，設置一個半徑值，劃定一個圓形區域，將圓形區域內的節點視為連通的節點，構建圖網絡的邊，根據各個監測點在目標地下水域中的位置，將各個節點之間的距離的倒數作為邊權重，完成圖網絡的構建；所述污染擴散模擬分析部分，用于對圖網絡進行特征提取，得到圖網絡特征，基于圖網絡特征，使用改進的對流-彌散方程模擬污染物在目標地下水域的遷移擴散，得到目標地下水域中各個位置的污染物濃度分布；所述生態修復部分，用于設定一個目標污染物濃度分布，計算污染物濃度分布與目標污染物濃度分布的差距；基于歷史數據，建立生態修復操作與污染物濃度變化的知識圖譜；根據差距，利用知識圖譜，篩選出最優生態恢復操作。
2.如權利要求1所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，水質數據至少包括：溫度、濁度、電導率、總固體溶解量、ph值、溶解氧、氨氮濃度、硝酸鹽濃度、磷酸鹽濃度、重金屬含量、揮發性有機化合物濃度和總大腸菌群數量。
3.如權利要求2所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，所生態修復操作至少包括：生物通氣、化學氧化、化學還原和氣相吹脫。
4.如權利要求3所述的地下水污染溯源分析與生態修復決策支持系統，其特征在于，數據監測與圖網絡構建部分在構建圖網絡時，設定目標地下水域為非平坦的，建模為黎曼流形，節點和之間的距離使用黎曼度量張量進行計算，公式如下：
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【專利技術屬性】
技術研發人員：陳娟，楊賓，張云慧，于靖靖，霍漢鑫，郭明達，
申請(專利權)人：生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心，
類型：發明
國別省市：
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