基于SSA-BP与SSA的地下水污染源反演识别

应用基于SSA-BP神经网络替代模型的模拟-优化方法和SSA研究了地下水污染源位置及释放历史的反演识别问题。并在建立地下水水流模型时,应用Cholesky分解方法建立含水层渗透系数连续场,该方法相比于普通的参数分区方法更好地描述了水文地质参数的非均质性。结果表明:SSA-BP神经网络替代模型对模拟模型具有较高的逼近精度,其平均相对误差仅有3.21%。应用SSA求解优化模型,能够快速准确地识别出点污染源的位置及释放历史。SSA对污染源位置的反演识别相对误差在10%左右,对污染源源强的反演识别相对误差不超过4%。因此,本文所提出的方法是一种有效的地下水污染源识别方法,可为污染责任认定及污染修复方案的优化提供参考。     

基于模拟-优化方法的地下水污染源溯源辨识

以抚顺市某煤矸石堆放场为研究区,根据研究区的实际条件建立地下水污染质运移模拟模型,预测地下水污染质未来时空变化特征.基于正演预报结果构建了假想例子,应用模拟-优化方法对地下水污染源源强及场地的渗透系数进行反演识别.为减小优化模型反复调用模拟模型所产生的计算负荷,分别采用Kriging方法和BP神经网络方法建立了模拟模型的替代模型.最后运用模拟退火法求解优化模型,得到反演识别结果.研究表明：应用Kriging方法建立的替代模型输出结果的平均相对误差为0.3%;应用BP神经网络方法建立替代模型的输出结果平均相对误差为1.5%,应用两种替代模型对污染源源强识别的相对误差均小于0.5%,对场地两个参数分区渗透系数识别的相对误差均不大于5%.综上,应用Kriging方法建立的替代模型精度高于BP神经网络方法,利用基于两种替代模型的模拟-优化方法对污染源源强和渗透系数进行同步识别精度可以满足实际需求,是有效可行的.     

不确定性条件下地下水污染监测井网优化设计——基于XGBoost替代模型

在地下水污染监测井网优化设计中,应用模拟优化方法时客观存在的模型参数不确定性往往会影响到设计监测井网的可靠性.针对该问题,重点考虑了渗透系数和污染源释放强度的不确定性,应用模拟优化方法和蒙特卡罗方法求解上述不确定性参数影响下的最优监测井布设方案.为缓解蒙特卡罗方法多次调用模拟模型所产生的巨大计算负荷,本研究建立了XGBoost替代模型,代替模拟模型与优化模型进行耦合.为提高监测井网对实际污染羽的监测精度,污染监测井网优化模型以监测空间矩误差极小化为优化目标.此外,本次研究还考虑了监测井网设计中污染源释放强度的动态变化过程.最后,以抚顺市某煤矸石堆放场地为基础建立假想例子,验证所提方法的有效性.结果表明:1.XGBoost能够有效近似模拟模型的输入输出关系,显著降低了计算负荷.2.空间矩能够有效评估监测井网插值污染羽和实际污染羽的逼近程度,优化设计后的监测井网能够较为准确地捕捉到实际污染羽的状态.3.模拟优化方法结合蒙特卡罗方法能有效求解不确定性条件下最优监测井网的设计问题.本文为地下水污染监测井网设计提供了一种稳定可靠的方法.     

基于两种耦合方法的模拟-优化模型在地下水污染源识别中的对比

采用一种基于模拟-优化模型的方法对地下水污染源进行识别研究.模拟-优化模型分别采用响应矩阵法和状态转移方程法进行耦合,并利用遗传算法求解,经过多次迭代,使得模拟结果与观测数据的误差达到最小.最后,通过一个假想例子评估模拟-优化模型的性能,同时比较应用不同耦合方法的计算结果.研究表明:应用响应矩阵法耦合模拟-优化模型所得结果的绝对误差范围为0.1~1.6g/L,应用状态转移方程法时,绝对误差范围为0~5.2g/L,因此,采用遗传算法求解模拟-优化模型能够有效且准确地得到地下水污染源的释放量,可以应用于地下水污染源识别问题,并且采用响应矩阵法耦合模拟-优化模型优于状态转移方程法.     

基于U-D分解卡尔曼滤波地下水污染源溯源辨识

采用基于U-D分解的卡尔曼滤波与非线性规划优化模型相结合,溯源辨识出地下水污染源的个数、位置与释放强度.基于一个假想例子,建立地下水污染质数值模拟模型,运用灵敏度分析筛选出对模型影响较大的参数作为模型中的随机变量.然后,应用基于U-D分解的卡尔曼滤波辨识出污染源的个数与位置.在此基础上建立辨识污染源释放强度的优化模型,应用克里格插值法建立地下水污染质运移数值模拟模型的替代模型,代替模拟模型,作为约束条件嵌入优化模型中,运用遗传算法求解优化模型辨识出地下水污染源源强.结果表明：采用基于U-D分解的卡尔曼滤波方法能够保证滤波的稳定性,有效识别出污染源的个数和位置;非线性规划优化模型,可以辨识出污染源释放强度.在优化模型的求解过程中,应用克里格方法建立模拟模型的替代模型嵌入优化模型,能在保证一定精度的情况下,大幅度减少计算负荷和计算时间.     

考虑参数和边界条件不确定性的地下水污染随机模拟

为了分析模型参数的随机变化和边界条件的随机变化对地下水溶质运移模型输出结果的不确定性影响,采用蒙特卡洛模拟对一假想算例展开研究,并结合风险评估阐述不确定性分析结果.首先,建立研究区地下水溶质运移数值模拟模型,并综合利用局部灵敏度分析和全局灵敏度分析方法筛选出对模型输出结果影响较大的参数,连同模型的边界条件(第一类边界条件-水头值)一起作为随机变量.然后,利用优化超参数的高斯过程回归(GPR)方法建立模拟模型的替代模型,代替模拟模型完成蒙特卡洛随机模拟.最后,对随机模拟的结果进行统计分析和区间估计,并利用污染物浓度的概率分布函数对1、2、3号观测井进行地下水污染风险评价.结果表明:置信水平>80%时,1,2,3号观测井污染物浓度值的置信区间分别为34.77~35.03,57.74~58.04,100.07~100.69mg/L.此外,1,2,3号观测井为轻度污染的风险分别为6%,100%,100%;为中度污染的风险分别为0%,0%,99.6%;为重度污染的风险分别为0%,0%,0.5%,藉此为地下水污染修复防治和地下水的合理利用提供可靠参考依据.     

基于参数不确定性的地下水污染治理多目标管理模型

引入随机Pareto控制排序和随机小生境技术,提出基于参数随机变化的改进小生境Pareto遗传算法,用于求解不确定性条件下地下水污染治理多目标管理模型.同时,利用顺序高斯条件模拟的蒙特卡罗方法,结合不确定性分析和风险评估,分析不同渗透系数条件点数对污染物运移结果不确定性和污染风险评价的影响.最后将该方法应用于一个考虑渗透系数为随机变量的二维地下水污染修复算例中.结果分析表明,该方法可为地下水污染治理提供变异性较小的Pareto管理策略,是一种稳定可靠的多目标随机优化方法.     

考虑边界条件不确定性的地下水污染风险分析

为分析边界条件不确定性对地下水污染质运移数值模拟模型输出结果的影响,运用Monte Carlo方法对一算例进行阐明,并从污染风险预报方面对模拟结果进行分析.为减少重复调用模拟模型产生的大量计算负荷,将边界条件（第一类边界条件-水头值）作为随机变量,建立地下水污染质运移数值模拟模型的Kriging替代模型,在保证较高精度的同时,实现了Monte Carlo模拟.结果表明：边界条件的不确定性,对地下水污染质运移数值模拟模型预报的结果有很大影响,考虑与未考虑边界条件不确定性得到的研究区污染羽分布差别较大.对地下水污染质运移数值模拟模型的Monte Carlo模拟结果进行统计与分析,可以评估研究区观测井1,2,3污染物浓度预报结果的可靠程度,并且可以预报出研究区观测井1,2,3遭受不同程度污染的风险.     

某钼矿尾矿库地下水污染的随机模拟

为分析参数不确定性对地下水污染数值模拟模型输出结果的影响,以某钼矿尾矿库地下水污染问题作为研究实例,选取钼离子作为模拟因子,建立该钼矿尾矿库地下水污染数值模拟模型,对输出结果进行不确定性分析.为降低替代模型的维数,运用灵敏度分析法筛选出对模拟模型输出结果影响较大的2个参数作为模型中的随机参数.为减少反复调用数值模拟模型产生的计算负荷,分别运用克里格方法和支持向量机法建立模拟模型的替代模型,并比较二者的精度,选择精度较高的替代模型完成蒙特卡罗随机模拟.最后,对随机模拟的输出结果进行统计分析与区间估计,对地下水污染超标的风险进行评价.结果表明：置信度为80%时,井1,2,3浓度值的置信区间分别为0.71~2.29,0.28~1.02,1.55~3.25mg/L.此外,结合《地下水质量标准》以及污染物浓度分布函数曲线,井1,2,3中水质达到地下水质量标准Ⅴ类的概率分别为99.7%,97.1%,99.6%.本研究可为地下水污染防治提供更科学、全面的参考依据.     

地下水DNAPLs污染多相流的随机模拟及其不确定性分析

水文地质参数本身存在不确定性,为分析水文地质参数不确定性对地下水DNAPLs污染多相流数值模拟模型输出结果的影响,本文针对假想算例展开研究,首先建立了研究区地下水DNAPLs污染多相流数值模拟模型;然后,运用灵敏度分析法筛选对模型输出结果影响较大的参数作为随机变量;为减少反复调用多相流模拟模型产生的计算负荷,运用克里格方法建立多相流模拟模型的替代模型,利用替代模型完成蒙特卡洛随机模拟;最后,对随机模拟的结果进行统计分析并完成地下水污染风险评价.结果表明,利用污染物浓度分布函数可以估算单井遭受污染的风险;利用地下水污染风险图可以对全区地下水遭受不同程度污染的风险大小进行分区,为地下水污染防治提供更加科学、丰富的参考依据.     

基于径向基函数模型的优化方法在地下水污染源识别中的应用

采用一种基于径向基函数的替代模型代替地下水溶质运移模型,将其作为约束条件嵌入污染源识别的优化模型中,通过遗传算法对优化模型进行求解.最后通过一个假想例子评估优化模型的性能.研究表明：污染源泄漏量识别结果的平均绝对误差为1.00g/s,误差较小,计算时间为51min,耗时较少,因此,基于径向基函数模型的优化方法有效地避免了优化模型求解过程中多次调用模拟模型造成的巨大计算负荷,获得了较为准确的计算结果,是一种有效的地下水污染源识别方法,能够用来求解地下水污染源泄漏量.     

基于替代模型的地下水溶质运移不确定性分析

为分析参数的不确定性对地下水溶质运移数值模型的影响,采用蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟对一算例进行分析,并从风险评估的角度对不确定性分析的结果进行了阐释.为减小计算负荷,利用Sobol'法对模型参数进行了灵敏度分析,筛选出较为敏感的参数作为随机变量,建立了模拟模型的克里格(Kriging)替代模型,进而实现Monte Carlo模拟.结果表明:置信度为80%时,井1,2,3浓度值的置信区间分别为23.46~42.06,47.99~66.73,69.54~82.94mg/L;结合风险评估,计算出地下水受污染的风险为0.54,可为地下水污染物防控与修复提供科学依据.     

基于随机模拟与三角模糊数耦合模型的地下水环境健康风险评价研究

水环境健康风险评价在参数确定、暴露评估与风险表征过程中存在着不确定性因素,利用随机模拟与三角模糊数耦合模型（SS-TFN模型）进行水环境健康风险评价,降低了评价过程中人为因素的影响,有效提高评价结果的可靠性和科学性.本文将SS-TFN模型应用于盘锦市六个饮用水源地致癌物质经饮水途径的地下水环境健康风险评价中,结果表明：盘锦市六个饮用水源地的总致癌风险均超过致癌年风险率控制限值（1.0＆#215;10-5）;致癌物质造成的平均个人致癌年风险率由高到低排序：Cr6＋＞ As＞ Cd.盘锦市六个饮用水源地SS-TFN计算结果收敛时总的平均个人致癌年风险由高到低排列：大洼水源＞兴南水源＞兴一水源＞盘东水源＞高升水源＞石山水源.     

基于贝叶斯模型的地下水风险源污染概率估计方法研究

我国地下水环境风险源点多面广,但风险源周边地下水监测水平较低,尤其是在单个监测点指标异常时,监测数据异常值的来源及风险源造成污染概率的判定方面存在较大不足.为了解决此类问题,提出了基于贝叶斯模型的地下水风险源污染概率估计方法,并以石家庄市某工业集聚区下游一个农灌井中Cr6+含量和CHCl₃含量异常事件为研究案例,计算了指标异常来源于工业集聚区内8个风险源的污染概率.结果表明:①通过结合风险源的建成时间、废水排放量等软数据及对流弥散方程,优化先验概率、似然度以及后验概率求解方法,提出了基于贝叶斯模型的地下水风险源污染概率估计方法.②该工业集聚区下游农灌井中Cr6+含量和CHCl₃含量异常事件的案例应用结果显示,Cr6+含量异常来源于S6风险源的后验概率为76.2%,即Cr6+含量异常最有可能由某无机盐制造业污染源造成;CHCl₃含量异常来源于S1和S3风险源的后验概率分别为32.7%和23.6%,监测点CHCl₃含量异常最有可能由一个或两个化学农药制造业污染源造成.研究显示,建立的地下水风险源污染概率估计方法初步解决了监测数据不足时指标异常的来源识别问题,可用于未开展详细调查前地下水污染来源的快速锁定,也可使后期的地下水污染调查更具有针对性,对地下水污染风险防控具有重要科学意义.