文章信息
通讯作者：姜继平 副教授，王宏杰 研究员
通讯单位：南方科技大学，哈尔滨工业大学（深圳）
亮点
• 发现了数值反演的监测数据累积过程中存在临界时间现象。
研究进展
当前我国大兵团式的水污染治理工程基本结束，城市水环境治理已经进入数字化、精准化运维的新时期，可称之为“后治污时代”。由偷漏排、雨季溢流等造成的水体污染事件更加成为城市水系统管控的重点。在人类活动和工业生产频繁的建成区，河道水质出现超标而原因未知时，需要迅速而准确地定位污染源，从而有效控制处置污染、降低风险。目前已经有多种水污染溯源方法报道，如物理探查法，化学法、数值法、同位素法等。其中数值反演方法通过下游污染团监测数据利用反演模型推算潜在污染源的位置、排放时刻和排放量等信息，在理论上具有较多优势。但现有研究主要集中在反演算法在假想情景的算法创新、方法耦合和算法性能提升上，对数值溯源在实践中有效性的研究相对较少。
实际应用中是否可以依据污染溯源结果进行物理巡查是不可知的。需要确定所需收集的数据量达到多少才以确保获得可靠的污染源反演（PSI）结果。这一实践问题可以被拆解为以下几个科学问题：
（1）在PSI 的监测数据积累过程中，是否存在一个临界时间点，可以在溯源的可靠性和及时性之间进行最佳权衡？
（2）如果该临界时间存在，监测条件和水动力条件是否或者如何影响临界时间？
（3）是否存在确定关键时间的方程，该方程能否从 “第一原理 ”中得到充分解释？
（4）如何设计一个高效的应急监测方案用于收集足够的有效数据?
对于这些知识目前研究是空缺的，限制了数值溯源技术的实践效用。
图1 图文摘要
图2 随着监测数据的积累，源参数反演误差的变化和临界时刻的定义。（a）释放质量；（b）源位置；（c）释放时间；（d）临界时刻的定义。
图3 监测条件和水动力学条件对关键时间的影响。（a）监测实践间隔；（b）监测误差水平；（c）同时监测的站点数量；（d）监测开始时间；（e）流速；（f）弥散系数；（g）U（流速）和Dx（弥散系数）的联合效应。点代表Λ值（基线情景以淡紫色显示），虚线是在不同Peclet数下Λ值的拟合曲线。
研究进一步通过信息熵理论第一性的解释了上述通用规则。数值溯源过程是一个不确定性降低的过程，临界时间就是该系统的不确定性不再显著降低的首个时刻（时间步）。定义在污染团空间分布的空间信息熵Gx与相对临界时间Λ之间存在负相关（R2=0.91），并且在本研究体系下存在精准的线性关系：Λ+0.58Gx=0.75，p-value=0.000。
图4 空间信息熵（Gx）与相对临界时间（Λ）的相关性分析。阴影区域表示95%的置信区间。
图5 相对临界时间-水动力特征的空间结构图。图中淡红色区域表示通过数值实验确定的关键时间-水动力特性平面，橙色区域代表自然河道中流速（U）和弥散系数（Dx）的范围。
最后，基于上述发现和论证提出了一种面向污染溯源的应急监测采样方案定量设计方法以及相应的溯源操作实践框架，从而为水污染事件制定及时可靠的紧急响应策略提供参考。这些设计可以在污染发生前也就是预案阶段进行充分考虑。
作者介绍
姜继平，博士，南方科技大学环境科学与工程学院研究副教授、博士生导师、给排水高级工程师，深圳市环境物联网工程实验室副主任，深圳市应用管理委员会委员。澳大利亚UNSW博士联合培养和荷兰KWR水研究所访问学者。主要从事水信息学、环境信息学、环境决策分析学研究和实践。主持科研项目20余项，发表论文70余篇，SCI论文40篇，谷歌引用2600次，申请和授权专利10余项、软著30项。担任国际环境建模与软件协会委员、国际开放模型组织创始委员、深圳市供排水行业协会智慧水务专委会副主任委员、中国水协青年委等。担任国际主流期刊Water Sci and Technol、Environ Model & Softw.，J Hydro X编委等。相关技术支撑了我国八省市的智慧环保、水务、水利工程信息化的设计与建设。获得IWA首创水星奖应用产业新人-金奖、广东省环境保护科学技术奖一等奖等。
王宏杰，研究员，博士生导师，深圳市地方级人才。主要研究方向为生活污水、工业污水处理和资源化、水系统综合治理规划。主持/参与科研项目共50余项，包括国家科技重大专项子课题、国家自然科学基金面上项目、深圳市技术创新等多项科研项目，成果发表于包括Water Research、Chemical Engineer Journal、Journal of Hazardous Materials、Bioresource Technology等国际知名期刊。迄今发表论文共110余篇， 授权专利40余项， 参与编写专著6部。获得2022年广东省环境技术进步奖、2021年广东省科技进步二等奖、2021年环境保护科学技术二等奖、2020年深圳市科技进步二等奖、2020年广东省工程勘察设计行业协会科学技术一等奖、2020年度建设部华夏建设科学技术一等奖、2019年广东省市政行业协会科学技术一等奖、2015年建设部华夏建设科学技术三等奖。
杨睿意，硕士，南方科技大学环境科学与工程学院科研助理，助理工程师。研究方向为污染溯源和基于大数据的环境监管，以第一作者在Water Research期刊发表论文1篇、英文专著章节1篇，合作作者发表中英文论文多篇，科技成果鉴定2项。
通讯邮箱：yangruiyi98@gmail.com
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