本發(fā)明涉及基于數(shù)值建模的mp遷移路徑和沉降速度監(jiān)測系統(tǒng)及方法，屬于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與水污染治理。

背景技術(shù)：

1、微塑料污染已成為全球環(huán)境問題的熱點，特別是在海洋生態(tài)系統(tǒng)中。這些微小的塑料顆粒因其廣泛分布和細(xì)小尺寸，對海洋生物乃至人類健康構(gòu)成了潛在威脅。目前，微塑料的監(jiān)測主要依賴人工采樣和實驗室分析，這些方法不僅成本高效率低，而且無法提供即時數(shù)據(jù)，限制了對微塑料污染動態(tài)變化的廣泛和快速響應(yīng)。盡管這些傳統(tǒng)方法在微塑料污染研究中仍然具有重要地位，但其局限性顯而易見，難以滿足大范圍、實時監(jiān)測的需求。隨著數(shù)值建模技術(shù)的發(fā)展，為微塑料的環(huán)境監(jiān)測提供了新的解決方案。通過利用數(shù)值建模，可以高效、準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測微塑料在環(huán)境中的遷移路徑和聚集區(qū)域。這種技術(shù)通過整合實際環(huán)境數(shù)據(jù)與微塑料的物理特性，能夠詳細(xì)模擬微塑料在水體中的動態(tài)行為和最終分布。然而當(dāng)前用于跟蹤微塑料遷移的數(shù)值模型主要基于實驗數(shù)據(jù)，這些模型往往無法全面捕捉影響微塑料行為的物理和環(huán)境因素。例如，有的模型嚴(yán)重依賴于精確的微塑料特性描述，如大小、形狀和密度，而這些特性在動態(tài)的海洋環(huán)境中難以持續(xù)準(zhǔn)確測定。

2、此外，現(xiàn)有數(shù)值模型在處理復(fù)雜環(huán)境變量的交互作用時存在局限性，難以全面反映海洋環(huán)境的動態(tài)變化。微塑料在海洋中的行為不僅受到流體動力學(xué)影響，還涉及溫度、鹽度、沉降速度等多種因素，這些因素的交互作用增加了模擬的復(fù)雜性和不確定性。因此，亟需一種能夠綜合考慮多種環(huán)境因素并進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的數(shù)值建模系統(tǒng)，以提高微塑料監(jiān)測的精度和實用性。

3、基于此，本發(fā)明提出了基于數(shù)值建模的mp遷移路徑和沉降速度監(jiān)測系統(tǒng)及方法，通過集成海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和微塑料物理特性，模擬微塑料在海洋中的遷移和沉降路徑。該系統(tǒng)采用區(qū)域海洋模型系統(tǒng)（roms）和拉格朗日粒子追蹤技術(shù)，不僅能夠模擬微塑料粒子的運動軌跡，還能精確計算其沉降速度，從而顯著提高微塑料污染監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性。本發(fā)明的技術(shù)方案為解決微塑料污染問題提供了科學(xué)和技術(shù)支持，對環(huán)境保護(hù)和海洋管理具有重要的實際意義和應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有數(shù)值模型在處理復(fù)雜環(huán)境變量的交互作用時存在局限性，難以全面反映海洋環(huán)境的動態(tài)變化的技術(shù)問題，進(jìn)而提出基于數(shù)值建模的mp遷移路徑和沉降速度監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明提出基于數(shù)值建模的mp遷移路徑和沉降速度監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

3、傳感器模塊、海上采樣設(shè)備、預(yù)處理模塊、數(shù)值模型模塊、離散化求解模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和可視化模塊；

4、傳感器模塊用于實時采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)；

5、海上采樣設(shè)備用于采集微塑料樣本，記錄每個微塑料樣本的初始位置和物理特性；

6、預(yù)處理模塊用于對實時采集的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

7、數(shù)值模型模塊用于模擬微塑料在海洋環(huán)境中的遷移路徑和沉降速度，得到微塑料粒子運動方程和沉降速度公式；

8、離散化求解模塊用于對微塑料粒子運動方程進(jìn)行離散化求解，并根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)變化對數(shù)值模型模塊的模擬參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

9、數(shù)據(jù)分析模塊用于分析數(shù)值模型模塊模擬得到的數(shù)據(jù)和真實數(shù)據(jù)的一致性，根據(jù)分析結(jié)果對數(shù)值模型模塊進(jìn)行調(diào)整；

10、可視化模塊用于實時展示微塑料的分布情況和遷移路徑。

11、可選的，傳感器模塊包括但不限于流速計、溫度計、鹽度計和波浪傳感器。

12、基于數(shù)值建模的mp遷移路徑和沉降速度監(jiān)測方法，包括：

13、步驟1：基于傳感器模塊實時采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，并將實時采集的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心；

14、步驟2：基于海上采樣設(shè)備采集微塑料樣本，并記錄微塑料樣本的初始位置和物理特征；其中，物理特性包括但不限于微塑料的大小、形狀和密度；

15、步驟3：基于預(yù)處理模塊對傳感器模塊和海上采樣設(shè)備的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

16、步驟4：基于區(qū)域海洋模型和拉格朗日粒子追蹤方法構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，得到微塑料的微塑料粒子運動方程和沉降速度公式；

17、步驟5：基于離散化求解模塊，結(jié)合有限差分法對微塑料粒子的運動方程進(jìn)行離散化求解，迭代計算微塑料粒子的速度和位置，并根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)變化對海洋動力學(xué)模型的模擬參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

18、本發(fā)明的數(shù)值模型綜合考慮了微塑料的物理特性（如大小、形狀、密度）和環(huán)境因素（如水流速度、溫度、鹽度），通過精確的數(shù)學(xué)計算模型描述微塑料的動力學(xué)行為。該模型不僅能夠描述微塑料在靜水中的沉降行為，也能夠模擬其在動水環(huán)境下的漂移、懸浮及底部推移狀態(tài)，為微塑料的行為提供了定量的描述和預(yù)測

19、步驟6：基于數(shù)據(jù)分析模塊對離散化求解和迭代計算后的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，檢查模擬數(shù)據(jù)和真實數(shù)據(jù)的一致性，根據(jù)分析結(jié)果對對數(shù)值模型模塊進(jìn)行調(diào)整，并對調(diào)整后的數(shù)值模型進(jìn)行新一輪驗證；

20、步驟7：利用可視化模塊實時展示驗證后的微塑料的分布情況和遷移路徑。

21、可選的，步驟3中對傳感器模塊和海上采樣設(shè)備的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理具體包括：

22、應(yīng)用濾波算法去除采集數(shù)據(jù)中的噪聲，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和歸一化處理，將預(yù)處理后的采集數(shù)據(jù)儲存至數(shù)據(jù)庫中。

23、可選的，步驟4中微塑料的微塑料粒子運動方程和沉降速度公式的獲取步驟包括：

24、步驟4.1：基于海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、微塑料樣本的初始位置和物理特性初始化數(shù)值模型，建立數(shù)值模型的邊界條件和初始條件；其中，數(shù)值模型的邊界條件包括但不限于微塑料粒子的初始位置、速度和密度，數(shù)值模型的初始條件包括但不限于海流速度場、溫度和鹽度；

25、步驟4.2：采用區(qū)域海洋模型，結(jié)合三維非靜力平衡方程，精確描述初始化后的海洋運動力過程，并通過整合和分析影響微塑料懸浮、沉降和擴(kuò)散的環(huán)境變量，為微塑料在海洋環(huán)境中的行為提供全面的動力學(xué)描述；其中，海洋運動力過程包括水流的速度、方向和強(qiáng)度，影響微塑料懸浮、沉降和擴(kuò)散的環(huán)境變量包括但不限于溫度、鹽度、水深和海底地形；

26、步驟4.3：采用拉格朗日方法來建立微塑料粒子的運動方程，并引入隨機(jī)擴(kuò)散模型以模擬微塑料在海洋環(huán)境中的隨機(jī)運動和擴(kuò)散過程；

27、步驟4.4：根據(jù)微塑料的特性，使用stokes沉降公式計算微塑料的沉降速度，并基于分析微塑料遇到的水流阻力和湍流情況，對stokes公式的計算進(jìn)行調(diào)整；其中，微塑料的特性包括但不限于微塑料的密度、形狀和尺寸；

28、stokes公式為：

29、（1）；

30、公式（1）中，為微塑料粒子的沉降速度，單位為m/s，微塑料粒子的半徑，單位為m，微塑料粒子的密度，單位為kg/m3，海水的密度，單位為kg/m3，重力加速度，單位為m/s2，通常為9.81?m/，海水的動態(tài)粘度，單位為pa·s。

31、可選的，步驟4.3中建立微塑料粒子的運動方程和模擬微塑料在海洋環(huán)境中的隨機(jī)運動和擴(kuò)散過程的步驟包括：

32、步驟4.3.1：設(shè)為微塑料粒子在時間的位置，為微塑料粒子在時間的速度，根據(jù)粒子受到的總力構(gòu)建改進(jìn)的拉格朗日方程，來計算微塑料粒子在任意時刻的位置和速度；其中，微塑料粒子受的總力包括動力、重力、浮力、黏滯阻力；

33、步驟4.3.2：將所有微塑料粒子的初始速度設(shè)為0，根據(jù)改進(jìn)方程計算微塑料粒子在特定時間內(nèi)的位置和速度，將微塑料粒子設(shè)置為被動追蹤的粒子，得到微塑料粒子的運動方程；

34、步驟4.3.3：引入隨機(jī)擴(kuò)散模型，并采用monte?carlo方法生成微塑料粒子的隨機(jī)擴(kuò)散路徑，基于隨機(jī)抽樣模擬微塑料粒子在海洋環(huán)境中的隨機(jī)運動；

35、步驟4.3.4：基于微塑料粒子的運動方程獲取微塑料粒子的位置、時間和預(yù)處理后的采集數(shù)據(jù)中的局部溫度和鹽度對海水密度的影響計算微塑料粒子的漂移速度；

36、步驟4.3.5：計算擴(kuò)散系數(shù)d，將塑料粒子的漂移速度和擴(kuò)散系數(shù)d代入微塑料粒子的運動方程中，模擬微塑料在海洋環(huán)境中的隨機(jī)運動和擴(kuò)散過程；

37、流體動力的計算公式為：

38、（2）；

39、公式（2）中，為流體壓力，為流體的黏性系數(shù)，為拉普拉斯算子；

40、重力的計算公式為：

41、（3）；

42、公式（3）中，為粒子的質(zhì)量，為重力加速度；

43、浮力的計算公式為：

44、（4）；

45、公式（4）中，為流體密度，為粒子排開流體的體積，為向上的單位向量；

46、黏滯性阻力的計算公式為：

47、（5）；

48、公式（5）中，為阻力系數(shù)，為粒子橫截面積，為粒子速度的大小，為速度向量；

49、微塑料粒子的運動方程為：

50、（6）；

51、擴(kuò)散系數(shù)d的計算公式為：

52、（7）；

53、公式（7）中，為基線擴(kuò)散系數(shù)，為一個調(diào)節(jié)參數(shù)，為海水局部溫度，表明擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化而變化；

54、塑料在海洋環(huán)境中的隨機(jī)運動和擴(kuò)散過程的表達(dá)式為：

55、（8）；

56、公式（8）中，為時間時微塑料粒子的位置，為由流體動力學(xué)驅(qū)動的微塑料粒子的漂移速度，包括由水流和風(fēng)等因素引起的速度；為擴(kuò)散系數(shù)，可以根據(jù)海水溫度、鹽度和其他環(huán)境因素動態(tài)調(diào)整；為隨機(jī)擾動的多維布朗運動，表示環(huán)境隨機(jī)性對微塑料粒子路徑的影響。

57、本發(fā)明的數(shù)值模擬模型通過引入改進(jìn)的拉格朗日方程和隨機(jī)擴(kuò)散模型，更全面地模擬了微塑料在海洋中的運動軌跡。通過實驗數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)，本發(fā)明提高了模型預(yù)測的準(zhǔn)確度，使模型能夠準(zhǔn)確反映微塑料在不同海洋動力條件下的遷移和沉降規(guī)律。

58、可選的，步驟5中結(jié)合有限差分法對微塑料粒子的運動方程進(jìn)行離散化求解的步驟包括：

59、基于物理原理對微塑料粒子的所有受力進(jìn)行量化，將連續(xù)的微塑料運動微分方程通過有限差分法轉(zhuǎn)化為離散形式，在空間上采用中心差分方法精確處理空間導(dǎo)數(shù)，在時間上采用向前差分方法進(jìn)行離散。

60、可選的，步驟6中對調(diào)整后的數(shù)值模型進(jìn)行新一輪驗證具體包括：

61、分析模擬數(shù)據(jù)和真實數(shù)據(jù)的一致性，根據(jù)分析結(jié)果對模型進(jìn)行調(diào)整，并對調(diào)整后的數(shù)值模型進(jìn)行新一輪的驗證，直至調(diào)整后的數(shù)值模型輸出的模擬數(shù)據(jù)和真實數(shù)據(jù)的誤差小于預(yù)設(shè)值；其中，模型調(diào)整包括但不限于調(diào)整模型的時間步長、空間離散化方法和模型邊界條件設(shè)定。

62、可選的，步驟7中利用可視化模塊實時展示驗證后的微塑料的分布情況和遷移路徑的步驟包括：

63、步驟7.1：利用三維可視化工具matlab來實時展示驗證后微塑料的分布情況和遷移路徑；

64、步驟7.2：根據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維視圖，生成微塑料的可視化報告，分析理解微塑料的遷移規(guī)律；其中微塑料的可視化報告包括但不限于微塑料分布圖、遷移路徑圖和沉降速度圖。

65、本發(fā)明的有益效果是：

66、1.精確模擬微塑料運動：本發(fā)明的數(shù)值模型綜合考慮了微塑料的物理特性（如大小、形狀、密度）和環(huán)境因素（如水流速度、溫度、鹽度），通過精確的數(shù)學(xué)計算模型描述微塑料的動力學(xué)行為。該模型不僅能夠描述微塑料在靜水中的沉降行為，也能夠模擬其在動水環(huán)境下的漂移、懸浮及底部推移狀態(tài)，為微塑料的行為提供了定量的描述和預(yù)測。

67、2.動態(tài)遷移軌跡高效預(yù)測：與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明的數(shù)值模擬模型通過引入改進(jìn)的拉格朗日方程和隨機(jī)擴(kuò)散模型，更全面地模擬了微塑料在海洋中的運動軌跡。通過實驗數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)，本發(fā)明提高了模型預(yù)測的準(zhǔn)確度，使模型能夠準(zhǔn)確反映微塑料在不同海洋動力條件下的遷移和沉降規(guī)律。

68、3.提升微塑料監(jiān)測效率與準(zhǔn)確性：本發(fā)明的實施不僅顯著提升了在復(fù)雜海洋環(huán)境中對微塑料行為的模擬精確度和效率，還擴(kuò)大了模型的應(yīng)用范圍，較傳統(tǒng)的定性描述方法，本發(fā)明適用于從沿海到開放海洋的各種環(huán)境，為海洋環(huán)境保護(hù)和微塑料污染治理提供了強(qiáng)有力的科技支持。通過本系統(tǒng)精確預(yù)測微塑料的遷移和沉降規(guī)律，環(huán)境科學(xué)家和管理者可以更有效地追蹤微塑料污染源和傳播途徑，優(yōu)化環(huán)境保護(hù)措施，從而更好地保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)。