跨界河流水污染应急决策支持系统研究

【摘要】：与非跨界河流污染相比,跨界河流突发性水污染事故普遍存在特征污染物不易光解、降解,污染强度大、跨度长,波及范围广、时间久的特点。针对我国跨界河流污染风险管理与控制实践中存在的问题,在对国内外典型流域跨界环境污染案例与环境风险管理机制调研的基础上,以典型跨界流域(跨省、国界)松花江流域为研究对象,开展了跨界河流水污染应急决策支持系统研究。 将跨界河流污染划分为常规污染与非常规突发污染,基于数据驱动模型研究河流常规污染预测技术,应用MATLAB软件建立了基于人工神经网络(ANN)技术的常规水质预测模型,通过对模型近期和远期预测数据进行分析得到:近期平均预测误差是3.82%,远期平均预测误差是4.74%,即模型对近期的预测效果要明显好于对远期水质的预测效果。对于突发污染高浓度污染团长时间、大尺度传输问题,基于机理模型—地表水模拟系统(Surface Water Modeling System,SMS)推演污染演替过程。同时基于不确定性原理构建二维随机水质模型,进一步研究数据稀缺条件下突发水污染事故污染带尺寸和目标断面浓度时间线的预测与分析。利用相关实测数据采用确定性和不确定性方法分别对模型进行了参数率定,得到了横向与纵向传质系数的概率分布和最大频率;污染带长度和宽度的模拟验证的平均误差小于15%,表明模型可较准确模拟计算河流污染带。 针对环境监管部门对跨界污染事件应急处置技术预案缺乏科学有效评估方法问题,和对国内外跨界水环境污染事件进行分类梳理基础上,设计构建了基于案例与规则联合推理的跨界环境污染应急预案库。利用层次分析法(AHP)建立案例评价指标体系,计算指标权重,提出包括问题描述、解决方案和结果评价框架的案例表示标准模型,比较分析了常用的数学算法,采用改进的欧氏距离法用于案例匹配以消除指标间数量级差异引起的计算问题,并利用决策树方法建立规则推理机制以完善预案生成过程。最后基于盲数理论建立预案可信度评价算法,并对松花江硝基苯污染案例进行验证。 基于博弈理论对跨界河流污染过程中,地方政府间竞争与合作这一不完全信息动态博弈过程进行分析,辨识与定义决策过程中的博弈要素,构建博弈双方收益矩阵,遵从纳什均衡概念寻求群体决策策略均衡点,建立跨界流域污染群体决策模式。基于“情景-应对”型应急管理理论与多智能体(Multi-Agent)技术研究了跨界风险协同决策机理,将流域上下游众多部门视为独立的智能体(Agent),采用带权分配的合同网协议(CNP)作为Agent间的协作机制,建立多智能体协同决策模型。将流域跨界污染问题视为复杂问题求解过程,进行分解和重构的过程,基于分布式并行处理的设计思想,由传统的群体一致性算法处理每个子问题的结果,消解多智能体间子预案冲突问题。 集成人工智能和软件工程技术,基于WebGIS技术建立了跨界河流水污染应急决策支持系统,并设计了相关数据库,以2005年松花江流域硝基苯污染事件为例,反演历史污染案例,验证河流长程污染模拟、快速预案生成及决策会商模块,实现了环境风险信息的通报与共享、流域水污染事故的应急响应处理与法律法规查询等功能,为有效控制松花江流域跨界污染提供群体决策支持。 【关键词】：跨界河流污染 动态数值模拟 应急预案 应急决策支持系统 松花江
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X522;X507
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第1章 绪论16-32
• 1.1 课题来源16
• 1.2 研究背景16-21
• 1.2.1 跨界污染的界定17
• 1.2.2 我国跨界水系污染现状分析17-18
• 1.2.3 近年我国突发水污染事件综述18-19
• 1.2.4 我国跨界河流水污染应急管理存在问题19-21
• 1.3 环境应急决策支持系统研究进展21
• 1.4 应急预案生成技术研究进展21-23
• 1.5 水质预测方法研究进展23-27
• 1.5.1 数据驱动的确定性水质模型23-25
• 1.5.2 机理驱动的确定性水质模型25-26
• 1.5.3 不确定性理论26-27
• 1.6 群体决策支持系统研究进展27-29
• 1.6.1 基于“情景—应对”应急模式的群决策支持系统28
• 1.6.2 基于博弈理论的群决策支持系统28
• 1.6.3 基于多智能体技术的群决策支持系统28-29
• 1.7 课题的目的意义及主要研究内容29-32
• 1.7.1 研究目的29
• 1.7.2 研究内容29-32
• 第2章 系统开发环境与研究方法32-46
• 2.1 系统开发环境32-33
• 2.1.1 硬件环境32
• 2.1.2 软件环境32-33
• 2.2 研究方法33-46
• 2.2.1 河流污染动态模拟研究方法33-35
• 2.2.2 应急预案生成技术与方法35-40
• 2.2.3 环境群体决策支持系统方法40-46
• 第3章 河流污染动态数值模拟及程序设计46-64
• 3.1 引言46
• 3.2 基于数据驱动模型的污染动态模拟46-48
• 3.2.1 松花江流域ANN预测可行性分析46-47
• 3.2.2 预测对象和影响因子的选取47
• 3.2.3 水质数据预处理47-48
• 3.3 基于机理模型的污染动态模拟48-59
• 3.3.1 河流污染事中快速模拟技术48-54
• 3.3.2 在数据稀缺条件下的模拟技术54-59
• 3.4 河流污染动态数值模拟程序设计59-62
• 3.4.1 数据驱动的确定性河流污染动态模拟原型系统设计59-62
• 3.4.2 机理驱动的河流污染动态模拟原型系统设计62
• 3.5 本章小结62-64
• 第4章 基于CBR/RBR跨界污染应急预案生成系统及程序设计64-79
• 4.1 引言64
• 4.2 基于AHP建立案例评价指标体系64-69
• 4.2.1 指标体系中数值判断矩阵的确定64-67
• 4.2.2 污染事件案例表示模型67-69
• 4.3 基于CBR/RBR的联合推理与预案生成69-70
• 4.3.1 采用改进的欧氏距离法进行CBR案例推理69-70
• 4.3.2 采用决策树方法进行RBR规则推理70
• 4.4 基于盲数理论的污染事件预案评价70-77
• 4.4.1 污染事件的预案表示70-73
• 4.4.2 基于盲数理论的预案评价与应用73-77
• 4.5 跨界污染应急预案生成系统程序设计77
• 4.6 本章小结77-79
• 第5章 基于多智能体跨界协同决策模型及程序设计79-94
• 5.1 引言79
• 5.2 跨界河流上下游竞合博弈问题79-85
• 5.2.1 精炼贝叶斯纳什均衡79-82
• 5.2.2 跨界流域环境污染中的博弈过程82-85
• 5.3 多智能体跨界协同决策模型85-90
• 5.3.1 多智能体的协同决策机理85-86
• 5.3.2 多智能体的结构和功能层次解析86
• 5.3.3 多智能体冲突消解过程86-90
• 5.4 跨界协同决策模型程序设计90-92
• 5.5 本章小结92-94
• 第6章 基于WebGIS跨界河流水污染应急决策支持系统构建与案例应用94-114
• 6.1 系统总体设计94-97
• 6.1.1 需求分析94-95
• 6.1.2 结构设计95-96
• 6.1.3 数据库设计96-97
• 6.1.4 系统技术框架97
• 6.2 河流长程污染动态模拟及案例分析97-104
• 6.2.1 ANN水质预测模型组件97-99
• 6.2.2 污染事故快速模拟模型组件99-100
• 6.2.3 二维随机水质模型组件100-104
• 6.3 跨界河流突发污染事件预案生成系统及应用104-108
• 6.3.1 历史案例检索104
• 6.3.2 应急预案匹配104-105
• 6.3.3 备选预案评价105-108
• 6.4 跨界河流污染决策会商系统及应用108-112
• 6.4.1 方案集生成109-110
• 6.4.2 方案冲突消解110-111
• 6.4.3 最优方案生成111-112
• 6.5 本章小结112-114
• 结论114-116
• 参考文献116-126
• 附录126-134
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果134-137
• 致谢137-138
• 个人简历138

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