本發(fā)明涉及地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬，具體涉及基于bilstm的強(qiáng)非均質(zhì)條件下地下水溶質(zhì)運(yùn)移智能模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、地下水污染因其隱蔽特性，難以直接觀測(cè)，需依賴專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)與調(diào)查手段方能揭露，但這往往伴隨著高昂的人力物力成本。準(zhǔn)確識(shí)別地下水污染源顯得尤為重要，它不僅能有效節(jié)約資源，還能精確追蹤污染源位置及釋放歷史，為地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及責(zé)任判定奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2、另一方面，地下水系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，含水層介質(zhì)的物理非均質(zhì)性顯著，這一特性直接或間接加劇了化學(xué)非均質(zhì)性的表現(xiàn)，具體反映在污染物遷移過(guò)程中的吸附特性與反應(yīng)速率分布隨時(shí)間和空間發(fā)生的劇烈變化。然而，傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法在處理此類(lèi)問(wèn)題時(shí)，往往未充分考慮空間異質(zhì)性的影響，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在顯著差異。

3、在地下水污染源識(shí)別、含水層參數(shù)(滲透系數(shù)、孔隙度)反演過(guò)程中，特別是在考慮空間異質(zhì)性時(shí)，需要反復(fù)地調(diào)用數(shù)值模擬模型進(jìn)行試算，模型的復(fù)雜性和計(jì)算量更是顯著增加，由此會(huì)產(chǎn)生海量的計(jì)算負(fù)荷，同時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，提出基于bilstm的強(qiáng)非均質(zhì)條件下地下水溶質(zhì)運(yùn)移智能模擬方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)運(yùn)算，從而大幅減少計(jì)算時(shí)間和成本，提高實(shí)際生產(chǎn)中地下水污染源識(shí)別、含水層參數(shù)(滲透系數(shù)、孔隙度)反演的準(zhǔn)確性。

2、根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的第一個(gè)方面，提供了基于bilstm的強(qiáng)非均質(zhì)條件下地下水溶質(zhì)運(yùn)移智能模擬方法，包括以下步驟：

3、對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化處理，初步構(gòu)建地下水溶質(zhì)運(yùn)移水文地質(zhì)概念模型，用以反映地下水溶質(zhì)運(yùn)移的規(guī)律；

4、確定地下水溶質(zhì)運(yùn)移水文地質(zhì)概念模型中污染物的污染源特征、含水層參數(shù)；根據(jù)污染源特征的取值范圍，隨機(jī)采樣若干組工況；

5、構(gòu)建強(qiáng)非均質(zhì)條件下的地下水溶質(zhì)運(yùn)移-雙域基準(zhǔn)模型；

6、將若干組工況逐一代入所述地下水溶質(zhì)運(yùn)移-雙域基準(zhǔn)模型，得到每組污染源排放強(qiáng)度樣本的模型響應(yīng)，該模型響應(yīng)對(duì)應(yīng)于監(jiān)測(cè)井位置的污染物濃度，形成由“模型輸入-模型響應(yīng)”樣本對(duì)構(gòu)成的訓(xùn)練樣本集和檢驗(yàn)樣本集；

7、根據(jù)訓(xùn)練樣本集，采用深度學(xué)習(xí)-bilstm算法構(gòu)建地下水溶質(zhì)運(yùn)移-雙域基準(zhǔn)模型的替代模型，使用該替代模型預(yù)測(cè)觀測(cè)井的污染物濃度。

8、進(jìn)一步的，使用模擬退火法優(yōu)化拉丁超立方抽樣算法sa-lhs，隨機(jī)采樣若干組工況。

9、進(jìn)一步的，用modflow、mt3dms程序構(gòu)建地下水溶質(zhì)運(yùn)移-雙域基準(zhǔn)模型

10、進(jìn)一步的，所述地下水溶質(zhì)運(yùn)移-雙域基準(zhǔn)模型的替代模型，包括前向lstm單元和后向lstm單元；該模型基于記憶單元和門(mén)控機(jī)制學(xué)習(xí)和保留長(zhǎng)期依賴關(guān)系；通過(guò)多層次的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和激活函數(shù)進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)建模；使用時(shí)間步長(zhǎng)的遞歸方式適應(yīng)不規(guī)則數(shù)據(jù)間隔。

11、更進(jìn)一步的，對(duì)于給定的污染源s1和s2，在期間sp1、sp2、sp3、sp4這4個(gè)應(yīng)力期內(nèi)污染物排放強(qiáng)度為xt，t表示時(shí)間步，前向lstm單元的輸出如下：

12、

13、式中，表示在時(shí)刻t前向輸入門(mén)的輸出，用于控制當(dāng)前時(shí)刻的候選單元狀態(tài)中有多少信息被更新到單元狀態(tài)中；wxi、whi是前向輸入門(mén)的權(quán)重矩陣，是前向輸入門(mén)偏置項(xiàng)，是當(dāng)前時(shí)刻的輸入，是上一時(shí)刻的觀測(cè)井obs1、obs2、obs3、obs4、obs5、obs6、obs7的地下水污染物濃度；σ表示sigmoid函數(shù)，其輸出值在0到1之間，用于決定信息的保留程度；

14、

15、式中，表示在時(shí)刻t前向遺忘門(mén)的輸出，用于控制上一時(shí)刻的單元狀態(tài)中有多少信息被遺忘，wxf、whf是前向遺忘門(mén)的權(quán)重矩陣，是前向遺忘門(mén)偏置項(xiàng)；

16、

17、式中，表示在時(shí)刻t前向輸出門(mén)的輸出，用于控制單元狀態(tài)中有多少信息被輸出到外部，wxo、who是前向輸出門(mén)的權(quán)重矩陣，是前向輸出門(mén)偏置項(xiàng)；

18、

19、式中，表示在時(shí)刻t的前向候選單元狀態(tài)，用于更新前向單元狀態(tài)wxg、whg是前向候選單元狀態(tài)的權(quán)重矩陣，是前向候選單元狀態(tài)偏置項(xiàng)，tanh雙曲正切函數(shù)，其輸出值在-1到1之間，用于生成前向候選單元狀態(tài)的值；

20、

21、式中，表示在時(shí)刻t前向lstm單元的輸出，即觀測(cè)井obs1、obs2、obs3、obs4、obs5、obs6、obs7在t時(shí)刻的地下水污染物濃度。

22、更進(jìn)一步的，后向lstm單元的輸出如下：

23、

24、式中，表示在時(shí)刻后向輸入門(mén)的輸出，用于控制當(dāng)前時(shí)刻的候選單元狀態(tài)中有多少信息被更新到單元狀態(tài)中；wxi1、whi1是后向輸入門(mén)的權(quán)重矩陣，是后向輸入門(mén)偏置項(xiàng)，是當(dāng)前時(shí)刻的輸入，是下一時(shí)刻的觀測(cè)井obs1、obs2、obs3、obs4、obs5、obs6、obs7的地下水污染物濃度；σ表示sigmoid函數(shù)，其輸出值在0到1之間，用于決定信息的保留程度；

25、

26、式中，表示在時(shí)刻t后向遺忘門(mén)的輸出，用于控制下一時(shí)刻的單元狀態(tài)中有多少信息被遺忘，wxf1、whf1是后向遺忘門(mén)的權(quán)重矩陣，是后向遺忘門(mén)偏置項(xiàng)；

27、

28、式中，表示在時(shí)刻t后向輸出門(mén)的輸出，用于控制單元狀態(tài)中有多少信息被輸出到外部，wxo1、who1是后向輸出門(mén)的權(quán)重矩陣，是后向輸出門(mén)偏置項(xiàng)；

29、

30、式中，表示在時(shí)刻t的后向候選單元狀態(tài)，用于更新后向單元狀態(tài)wxg1、whg1是后向候選單元狀態(tài)的權(quán)重矩陣，是后向候選單元狀態(tài)偏置項(xiàng)，tanh雙曲正切函數(shù)，其輸出值在-1到1之間，用于生成后向候選單元狀態(tài)的值；

31、

32、式中，表示在時(shí)刻t后向lstm單元的輸出，即觀測(cè)井obs1、obs2、obs3、obs4、obs5、obs6、obs7在t時(shí)刻的地下水污染物濃度。

33、更進(jìn)一步的，前向lstm單元和后向lstm單元在各個(gè)時(shí)間步t的隱藏狀態(tài)拼合，得到觀測(cè)井obs1、obs2、obs3、obs4、obs5、obs6、obs7對(duì)應(yīng)的地下水污染物濃度ht：

34、

35、根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的第二個(gè)方面，提供了基于bilstm的強(qiáng)非均質(zhì)條件下地下水溶質(zhì)運(yùn)移智能模擬系統(tǒng)，包括：

36、概念模型建立模塊，對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化處理，初步構(gòu)建地下水溶質(zhì)運(yùn)移水文地質(zhì)概念模型，用以反映地下水溶質(zhì)運(yùn)移的規(guī)律；

37、工況獲取模塊，確定地下水溶質(zhì)運(yùn)移水文地質(zhì)概念模型中污染物的污染源特征、含水層參數(shù)；根據(jù)污染源特征的取值范圍，隨機(jī)采樣若干組工況；

38、基準(zhǔn)模型建立模塊，構(gòu)建強(qiáng)非均質(zhì)條件下的地下水溶質(zhì)運(yùn)移-雙域基準(zhǔn)模型；

39、樣本集獲取模塊，將若干組工況逐一代入所述地下水溶質(zhì)運(yùn)移-雙域基準(zhǔn)模型，得到每組污染源排放強(qiáng)度樣本的模型響應(yīng)，該模型響應(yīng)對(duì)應(yīng)于監(jiān)測(cè)井位置的污染物濃度，形成由“模型輸入-模型響應(yīng)”樣本對(duì)構(gòu)成的訓(xùn)練樣本集和檢驗(yàn)樣本集；

40、替代模型建立模塊，根據(jù)訓(xùn)練樣本集，采用深度學(xué)習(xí)-bilstm算法構(gòu)建地下水溶質(zhì)運(yùn)移-雙域基準(zhǔn)模型的替代模型，使用該替代模型預(yù)測(cè)觀測(cè)井的污染物濃度。

41、根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的第三個(gè)方面，提供了一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的基于bilstm的強(qiáng)非均質(zhì)條件下地下水溶質(zhì)運(yùn)移智能模擬方法。

42、根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的第四個(gè)方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的基于bilstm的強(qiáng)非均質(zhì)條件下地下水溶質(zhì)運(yùn)移智能模擬方法。

43、本發(fā)明采用的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的優(yōu)點(diǎn)是：1)本發(fā)明建立了地下水溶質(zhì)運(yùn)移-雙域基準(zhǔn)模型的替代模型，相較于傳統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)模型，其擁有對(duì)模型輸入-輸出關(guān)系更強(qiáng)的學(xué)習(xí)和泛化能力，更加擅于處理高度非線性化的地下水參數(shù)序列整理與數(shù)值模擬。

44、2)本發(fā)明解決了地下水溶質(zhì)運(yùn)移水文地質(zhì)概念模型的高精度替代問(wèn)題，可大幅提升污染物運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)的計(jì)算效率，為地下水污染源特征或污染物運(yùn)移參數(shù)反演識(shí)別等需要成千上萬(wàn)次調(diào)用概念模型的繁冗計(jì)算這一問(wèn)題提供高效解決途徑。