卡尔曼滤波方法在地下水污染源反演中的应用

采用卡尔曼滤波方法反演识别地下水污染源的个数和大概位置.借助一个假想算例,建立地下水系统水流和溶质运移模拟模型,利用灵敏度分析方法筛选出对模拟结果影响最大的参数作为随机变量,对该参数进行抽样,运用蒙特卡罗方法将抽样结果输入模拟模型,生成污染质浓度场.采用卡尔曼滤波方法构造迭代过程,逐个利用采样点处浓度的实测值不断更新综合浓度场.引入模糊集理论表示污染羽,对比综合污染羽和单个污染羽的模糊集来更新各潜在污染源的权重,根据潜在污染源权重大小和综合污染羽收敛形状判断真实污染源的个数和大概位置.算例结果表明：采用卡尔曼滤波方法可以成功反演识别出地下水污染中真实污染源的准确个数和大概位置;引入模糊集理论表示污染羽,通过对比综合污染羽和单个污染羽的模糊集,可以确定各潜在污染源的权重.     

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.     

不确定节点水量下水质监测点优化选址方法

针对供水管网水质监测点的优化选址问题,提出污染源位置识别准确度的概念,以水质监测点探测到的不同污染事件的时段区间冗余度最小化,和污染事件探测概率最大化为优化目标,结合一个案例管网,采用非支配排序遗传算法计算节点用水量变化条件下的监测点优化选址方案,算例结果显示节点用水量的不确定性不显著影响监测点的污染事件探测能力和可能性节点识别能力,但使监测点的污染源位置识别准确度降低.     

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。     

地下水有机污染源识别技术体系研究与示范

地下水有机污染点多面广、污染源不清、治理难度大,如何从源头上控制污染源,减少污染源对地下水的威胁,是地下水污染控制和治理的关键.以典型污染场地为例开展有机污染源辨识研究,建立地下水有机污染源识别技术体系,并应用于典型污染场地地下水有机污染源的识别.在掌握污染场地地质、水文地质条件的基础上,从大量地下水分析化验数据中,确定污染场地特征污染物为四氯化碳,建立污染场地溶质运移模型,并结合单体同位素技术,通过模型反演和同位素溯源,确定了典型场地有机污染源的分布、污染现状,并对识别出的潜在污染源进行调查和土壤取样分析,结果表明,辨识出的两个历史污染源位置、污染物浓度分布结果可靠,为地下水污染治理提供了依据.     

基于自组织映射(SOM)算法的地下水污染源反演

根据污染物浓度监测数据进行地下水污染源反演是一类典型的地下水逆问题,通过对地下水污染源位置与强度的确定有助于提高地下水污染治理与修复的效果。提出一种基于自组织映射(SOM)算法的地下水污染溯源模型的替代模型的构建方法,并通过数值算例研究了SOM替代模型中训练数据样本数目和神经元数目的最优组合,以得到能够准确地表征地下水污染源强信息与观测数据之间联系的最优替代模型。算例研究结果表明:基于SOM算法的替代模型作为一种快速反演算法,在应用于地下水污染源反演问题时能有效减少计算量,并能以较高的精度对地下水污染源进行快速识别,具有良好的稳定性和鲁棒性。     

北京平原区地下水污染源识别与危害性分级

地下水污染源的有效识别与分级对地下水污染风险源识别和地下水污染防控区划具有重要意义.本研究通过对北京市平原区主要污染源进行解析,构建了以特征污染物属性与污染物排放量计算污染源危害性的量化计算方法.运用ARCGIS 9.3软件实现了北京市平原区的污染负荷空间分布和污染物属性的叠加分析,得到地下水污染源识别与危害性分级.结果表明,该方法能够较为细致准确地反映出污染源的危害性分级,识别结果表明工业污染源对北京平原区地下水污染贡献最大,其次是城镇居民区和垃圾场.     

不同建议分布MCMC算法在地下水污染源反演识别中的对比研究

为了探究正态分布、均匀分布和随机游走三种不同建议分布的MCMC算法对地下水污染源反演识别结果的影响,并遴选出最优的建议分布.本文根据假想案例建立了污染质运移模拟模型及基于Kriging方法的替代模型,并建立了基于正态分布、均匀分布和随机游走三种建议分布的MCMC算法以反演识别地下水污染源的释放历史.结果表明,针对本文算例,以均匀分布为建议分布的MCMC算法具有反演精度高、稳定性好、收敛速度快等优点,最为适合作为本研究案例的建议分布进行地下水污染源反演识别研究.     

突发型大气污染源位置识别反演问题的数值模拟

在突发型大气污染事件中,能否根据临时监测数据对污染源的位置进行快速识别,对于城市大气污染源的控制管理以及改善城市空气质量意义重大.为了构建突发型大气污染源位置识别的空间反演算法,本文通过分析大气应急污染监测的临时采样数据,结合污染物浓度扩散模型,随机生成污染源和计算污染物浓度的空间分布,对突发型大气污染源进行定位并与实际测量结果进行对比分析,采用蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation)对相关参数进行讨论,最终构建能对突发型大气污染源进行快速估计定位的空间反演算法.研究结果表明,本文构建的空间反演算法输出的污染源坐标与实际情况相符.因此,该算法可用于突发型大气污染源位置的快速识别.     

复杂DNAPL污染源区溶解相污染通量的升尺度计算

重非水相液体(DNAPL)污染场地中NAPL相污染物会持续溶解于地下水中,释放出溶解相污染羽,对人体健康产生威胁.准确评估DNAPL污染场地源区下游的溶解相污染通量至关重要.由于介质的非均质性常形成复杂DNAPL污染源区,其溶解相污染通量往往呈现出阶段性变化.目前溶解相污染通量计算普遍采用Christ等提出的双域升尺度模型,但该模型仅适用于弱非均质性的污染源区.本文基于大量强非均质性条件下的污染源区数值算例,修正了Christ双域模型中污染源区衰减指数的经验公式,将该模型的适用范围推广至强非均质性的复杂污染源区.通过蒙特卡罗数值算例及两个二维砂箱试验数据验证了修正模型的适用性和精度.对比结果表明:修正模型可广泛适用于不同结构的复杂DNAPL污染源区,与以往的计算方法相比,修正模型计算的溶解相污染通量精度提高了约35%.     

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.     

资料同化方法在空气污染数值预报中的应用研究

基于第5代中尺度非静力气象模式MM5以及区域气溶胶和沉积模式REMSAD耦合的空气污染数值预报模型系统,分别采用最优插值法和集合卡尔曼滤波法对南京2002-08～2002-09 NOx和SO2模型预报结果进行了资料同化试验,结果表明,NOx和SO2经最优插值法同化后偏差平均值的改进率分别为34.20%、47.53%,均方根误差的改进率分别为31.95%、42.04%;NOx和SO2经集合个数为30的集合卡尔曼滤波法同化后偏差平均值的改进率分别为26.73%、60.75%,均方根误差的改进率分别为25.20%、55.16%;说明最优插值法和集合卡尔曼滤波法都具有改善空气污染数值预报中污染物浓度初始场的作用.进行了集合卡尔曼滤波法中集合个数为61时2种同化方法同化效果比较的试验,结果表明,随着集合卡尔曼滤波法集合个数的增加,NOx和SO2的同化效果都较集合个数为30时有所改善,并且,集合卡尔曼滤波法对NOx和SO2模式预报结果的改善效果将好于最优插值法.     

A large-eddy simulation of a line source in a convective atmospheric boundary layer—II. Dynamics of a buoyant line source

We consider a large-eddy simulation of a buoyant line source in a convective boundary layer. The motion of the line source as a function of time is influenced by two contributions: internal buoyancy (plume rise) and ambient turbulence. The advantage of large-eddy modelling with respect to laboratory and atmospheric experiments is that the simulations allow us to distinguish between these two contributions. For the part due to internal buoyancy we formulate an integral model for plume rise. A new feature in this model is the fact that plume looping, which is characteristic for plume dispersion in a convective boundary layer, promotes entrainment and therefore reduces plume rise. The contribution by ambient turbulence to plume motion is modelled in terms of the standard deviation of vertical velocity fluctuations. The results of these models are consistent with our large-eddy simulations.     

一个解析的面源浓度计算公式

利用级数展开的方法得到一个实用的解析面源公式,它不仅包括了显式源高项,还能计算面源烟羽横风向非轴线浓度,其精度远远高于其它有关模式。此外,利用该公式,研究了面源烟羽的半宽度,并证明,难以用一个固定的后退点源来描述整个面源烟羽,提出可用一移动点源来代替。     

Building wake dispersion at an Arctic industrial site: Field tracer observations and plume model evaluations

Ten multi-hour atmospheric dispersion SF₆ tracer experiments were conducted during October and November of 1987 near a large oil gathering facility in the Prudhoe Bay, Alaska, oilfield reservation. The purpose of this study was to investigate dispersion under arctic conditions and in situations where building-generated airflow disturbances dominate downwind distributions of ground level pollutant concentrations. This was accomplished with a network of micrometeorological instruments, portable syringe tracer samplers, continuous tracer analyzers, and infrared visualization of near source plume behavior.Atmospheric stability and wind speed profiles at this arctic site are influenced by the smooth (surface roughness = 0.03 cm), snow covered tundra surface which receives negligible levels of solar isolation in winter. The dispersion of pollutants emitted from sources within the oil gathering facility, however, is dominated by the influence of nearby buildings when high winds generate elevated ground level concentrations. An order of magnitude increase in maximum ground level concentration was observed as wind speeds increased from 5 to 8 m s⁻¹ and another order of magnitude increase was observed as winds increased from 8 to 16 m s⁻¹. Variation in maximum concentrations was also observed with changes in wind direction. Vertical plume diffusion (σ_z) near the buildings was a factor of 2–3 greater than that observed in open terrain and was dependent on both wind speed and the projected building width and location of nearby buildings. Wind tunnel tracer distributions for east winds agree with field observations but also indicate that a significant increase in plume downwash occurs with other wind directions. Concentration distributions were calculated using several versions of the Industrial Source Complex (ISC) model. Model estimates of ground level concentrations were within a factor of three depending on wind direction. The model predictions are extremely sensitive to the ratio of plume height to vertical plume diffusion which is significantly influenced by a complex aerodynamic wake in the field.     

数字滤波法在点源和非点源污染负荷分割中的应用

以分辨流域点源和非点源污染负荷为研究目标,在傅立叶分析的基础上,提出了从污染负荷时间序列中分辨点源和非点源污染负荷的新方法——数字滤波法,探讨了数字滤波方程的参数与滤波次数的关系,并将该方法应用到东江流域COD_Mn负荷的分割上. 应用实例表明,分割的点源和非点源负荷系列曲线符合点源和非点源负荷的产生特点,使用者能够在污染负荷分割过程中通过滤波参数的选取比较方便地加入自己的经验. 一般取较大滤波参数时,只需要3次滤波就能得出较满意的结果.      

高斯烟团模型在石化类项目大气环境风险评价中的应用

利用高斯烟团模式对某石化项目进行风险识别与分析,并对主要计算参数进行选取和设定,重点介绍了源强确定的思路,进而对项目中120万t/a延迟焦化装置的脱硫装置发生特大灾害性事故状态下的硫化氢泄漏进行模拟,最后确定安全距离为下方向250 m。介绍了高斯烟团模型适用性以及其解决问题的总体思路和步骤,对今后确定事故状态下装置的安全距离以及高斯烟团模型的应用有一定的参考价值。     

Plume rise,entrainment and dispersion in turbulent winds

This paper describes a new analytical model which combines within one theoretical framework several aspects of the phenomena of plume rise, dispersion, thermal stratification and ambient turbulence. The model is based in part on knowledge gained from recent investigations of flow within free shear layers. The observations suggest a simple model for the turbulent mixing process, which accounts for the known entrainment of air into smoke plumes by plume-generated turbulence. More importantly, the model also predicts a path by which ambient turbulence causes reverse entrainment of plume material into the surrounding fluids. This gives rise to a new ‘extrainment’ term in each of the plume momentum and buoyancy equations.These equations are solved for a turbulent atmosphere of arbitrary thermal stability, and yield plume trajectories which gradually level off at final rise heights that depend on the degree of thermal stratification and on the scale and intensity of ambient turbulence. A link between plume rise and dispersion is identified by means of the concentration species equation, which is solved to show that the plume acts along its length as a distributed source of passively dispersing material.The new theory, specialized for an adiabatic atmosphere, plus the familiarx^2/3 law and a semi-empirical final rise theory from the literature, are all compared against full-scale data on plume rise in turbulent winds. The new theory significantly improves the accuracy of estimates of plume trajectory and final plume height. The price for this improved predictive ability is the need to evaluate the air temperature and its gradient at plume level, and the corresponding intensity and scale of turbulent air movement. This is no longer a technical obstacle since recently developed SODAR and RASS remote sensors have this capability.