河流氮磷污染貢獻度評估方法與系統

本發明涉及環境保護，特別涉及一種河流氮磷污染貢獻度評估方法與系統。

背景技術：

1、隨著工業化和城市化的快速發展，河流氮磷污染問題日益嚴重，對人類生存環境及生態系統造成了巨大威脅。目前，針對河流污染的治理主要依賴于污染源的排查和污染物的清理，然而由于缺乏科學有效的污染貢獻度評估方法，導致治理工作難以精準定位，治理效果有限。

2、現有技術中大多對數據的處理能力較差，無法提供一種全面、有效應用于河流氮磷濃度貢獻度計算的算法模型。

3、因此，如何提供一種高效的河流氮磷污染貢獻度評估方法及系統是本領域技術人員亟待解決的技術問題。

技術實現思路

1、本發明針對上述研究現狀和存在的問題，提供了一種河流氮磷污染貢獻度評估方法與系統，具體來說是根據流域基站所測得的相應河流指標數據，構建水流網絡之間的氮磷污染貢獻度模型，有助于污染源的高效識別。

2、本發明提供的一種河流氮磷污染貢獻度評估方法，包括如下步驟：

3、基于水流網絡建立河流流域之間的流向關系網；

4、基于隨機森林算法構建氮磷污染的直接影響模型，確定被影響河流節點氮/磷濃度的影響因子，以所述影響因子作為直接影響模型的輸入，用于對被影響河流節點的當前時刻氮/磷濃度進行預測；所述影響因子包括：在所述流向關系網中與所述被影響河流節點存在直接連通關系的直接上游河流節點的影響因子，以及所述被影響河流節點的影響因子；

5、基于基尼系數計算隸屬于同一河流節點的所有影響因子的平均節點分裂不純度變化量，獲得所述河流節點在所述直接影響模型中的直接流向貢獻度；

6、根據間接上游河流節點至所述被影響河流節點依次經過的河流節點間的直接流向貢獻度構建氮磷污染的間接影響模型，獲得所述間接上游河流節點在所述間接影響模型中的間接流向貢獻度；所述間接上游河流節點包括：與所述被影響河流節點存在間接連通關系的河流節點。

7、優選的，所述影響因子包括：

8、流出點歷史時刻和當前時刻的總氮/磷濃度平均值，流出點歷史時刻和當前時刻的水溫平均值，流向點歷史時刻總氮/磷濃度值，以及流向點歷史時刻和當前時刻的水溫平均值；

9、所述流出點為與所述流向點有直接連通關系的所述流向點的上游河流節點。

10、優選的，所述直接影響模型包括：

11、直接流向貢獻度為第i個河流節點相關的所有影響因子的平均節點分裂不純度變化量：

12、

13、其中，分類樹節點m＝1，...，n；

14、基尼系數計算如下：

15、

16、pmk表示第m個分類樹節點中劃分k所占的比例，k＝1，...，k；

17、影響因子在分類樹節點m的重要度為：

18、vimm＝gim-git-gir；

19、git和gir分別表示由分類樹節點m分裂的兩個新節點t和r的基尼系數。

20、優選的，對影響因子在分類樹節點m的重要度進行歸一化處理后，用于計算直接流向貢獻度

21、優選的，所述間接影響模型包括：間接上游河流節點至所述被影響河流節點依次經過的河流節點間的直接流向貢獻度的乘積。

22、優選的，所述河流節點為河流觀測點。

23、本發明提供的一種根據所述的一種河流氮磷污染貢獻度評估方法的河流氮磷污染貢獻度評估系統，包括：

24、流向關系網構建模塊，用于基于水流網絡建立河流流域之間的流向關系網；

25、直接影響模型構建模塊，用于基于隨機森林算法構建氮磷污染的直接影響模型，確定被影響河流節點氮/磷濃度的影響因子，以所述影響因子作為直接影響模型的輸入，用于對被影響河流節點的當前時刻氮/磷濃度進行預測；所述影響因子包括：在所述流向關系網中與所述被影響河流節點存在直接連通關系的直接上游河流節點的影響因子，以及所述被影響河流節點的影響因子；基于基尼系數計算隸屬于同一河流節點的所有影響因子的平均節點分裂不純度變化量，獲得所述河流節點在所述直接影響模型中的直接流向貢獻度；

26、間接影響模型構建模塊，用于根據間接上游河流節點至所述被影響河流節點依次經過的河流節點間的直接流向貢獻度構建氮磷污染的間接影響模型，獲得所述間接上游河流節點在所述間接影響模型中的間接流向貢獻度；所述間接上游河流節點包括：與所述被影響河流節點存在間接連通關系的河流節點。

27、優選的，所述影響因子包括：

28、流出點歷史時刻和當前時刻的總氮/磷濃度平均值，流出點歷史時刻和當前時刻的水溫平均值，流向點歷史時刻總氮/磷濃度值，以及流向點歷史時刻和當前時刻的水溫平均值；

29、所述流出點為與所述流向點有直接連通關系的所述流向點的上游河流節點。

30、優選的，所述直接影響模型包括：

31、直接流向貢獻度為第i個河流節點相關的所有影響因子的平均節點分裂不純度變化量：

32、

33、其中，分類樹節點m＝1，...，n；

34、基尼系數計算如下：

35、

36、pmk表示第m個分類樹節點中劃分k所占的比例，k＝1，...，k；

37、影響因子在分類樹節點m的重要度為：

38、vimm＝gim-git-gir；

39、git和gir分別表示由分類樹節點m分裂的兩個新節點t和r的基尼系數。

40、優選的，所述間接影響模型包括：間接上游河流節點至所述被影響河流節點依次經過的河流節點間的直接流向貢獻度的乘積。

41、相較現有技術具有以下有益效果：

42、本發明利用相應的統計和機器學習模型解決流域污染貢獻度問題，做到對貢獻度的數值化，自動化。一定程度上規避了以往人工判斷造成的失誤，提升治理的高效性。

43、本發明模型的遷移性較強，可應用于不同地區的流域，解決了水流基站網絡改變造成的模型失效問題。

44、本發明相比于現階段各種龐雜的模型而言，本模型所需訓練資源相對較少，且模型精度高，方便部署。

技術特征：

1.一種河流氮磷污染貢獻度評估方法與系統，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種河流氮磷污染貢獻度評估方法，其特征在于，所述影響因子包括：

3.根據權利要求1所述的一種河流氮磷污染貢獻度評估方法，其特征在于，所述直接影響模型包括：

4.根據權利要求3所述的一種河流氮磷污染貢獻度評估方法，其特征在于，對影響因子在分類樹節點m的重要度進行歸一化處理后，用于計算直接流向貢獻度

5.根據權利要求1所述的一種河流氮磷污染貢獻度評估方法，其特征在于，所述間接影響模型包括：間接上游河流節點至所述被影響河流節點依次經過的河流節點間的直接流向貢獻度的乘積。

6.根據權利要求1所述的一種河流氮磷污染貢獻度評估方法，其特征在于，所述河流節點為河流觀測點。

7.一種根據權利要求1-6中任一項所述的一種河流氮磷污染貢獻度評估方法的河流氮磷污染貢獻度評估系統，其特征在于，包括：

8.根據權利要求7所述的河流氮磷污染貢獻度評估系統，其特征在于，所述影響因子包括：

9.根據權利要求7所述的河流氮磷污染貢獻度評估系統，其特征在于，所述直接影響模型包括：

10.根據權利要求7所述的河流氮磷污染貢獻度評估系統，其特征在于，所述間接影響模型包括：間接上游河流節點至所述被影響河流節點依次經過的河流節點間的直接流向貢獻度的乘積。

技術總結
本發明公開了一種河流氮磷污染貢獻度評估方法與系統，包括：建立河流流域之間的流向關系網；基于隨機森林算法構建氮磷污染的直接影響模型，利用被影響河流節點氮/磷濃度的影響因子對被影響河流節點的當前時刻氮/磷濃度進行預測；基于基尼系數計算隸屬于同一河流節點的所有影響因子的平均節點分裂不純度變化量，獲得河流節點的直接流向貢獻度；根據間接上游河流節點至被影響河流節點依次經過的直接流向貢獻度構建氮磷污染的間接影響模型，獲得間接上游河流節點的間接流向貢獻度。本發明根據流域基站所測得的相應河流指標數據，構建水流網絡之間的氮磷污染貢獻度模型，有助于污染源的高效識別。

技術研發人員：李夏,徐麗莉,張成,徐小方,常佳奇,唐陶,蔡燕子
受保護的技術使用者：北京師范大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21