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.     

基于不确定性分析的地下水污染超标风险预警

地下水污染预测可以通过地下水污染质运移数值模拟模型予以实现,为分析模型参数取值不确定性对模型输出结果的影响,本文运用蒙特卡洛方法对模型输出结果进行不确定性分析.为降低数值模拟模型复杂程度,运用灵敏度分析方法筛选对模型影响较大参数作为模型中随机变量;为减少重复调用数值模拟模型产生的计算负荷,在保证一定精度前提下,运用克里格方法建立模拟模型的替代模型完成模拟过程.结果表明:应用概率密度函数积分可以估计地下水遭受污染风险与不同置信程度下污染物浓度区间.污染羽分布图与分级污染超标风险预警图可以分别对研究区不同等级污染覆盖面积和研究区不同污染风险对应污染羽分布进行估计.基于污染质运移数值模拟不确定性分析的地下水污染超标风险预警可以更加客观地对地下水污染问题进行预测.     

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.     

VCH地下水污染风险评价模型构建及应用

将人体健康作为风险因素之一的地下水污染风险评价模型,其风险路径分析过程表现模糊,为了能够解决这一问题。该文建立了VCH(Vulnerability&Capacity&Health)地下水污染风险模型,其特点表现在包含了地下水脆弱性评价、地下水环境容量评价和地下水健康风险评价且模型风险路径计算过程清晰。为了验证该文提出的VCH模型的合理性,该文以富平热电厂厂址附近的水文地质资料为基础,采用该模型风险计算方法评价研究区的地下水污染风险。结果表明:研究区地下水污染风险等级整体处在较低风险等级以下,且处于较低风险等级面积占研究区总面积的79.01%,而中等风险仅占3.67%,研究区其余部分均为低风险,该次地下水污染风险评价结果为研究区地下水污染防治及地下水规划利用提供依据。另外,该模型为区域地下水污染风险评价提供了借鉴方法。     

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.     

基于脆弱性的地下水污染监测网多目标优化方法

区域地下水监测井的优化布设对于区域地下水系统管理有很重要的作用.为了以最少的监测费用最大化地获取区域污染风险和污染现状信息,以监测井数量最小、区域污染监测有效性最大、监测到的区域脆弱性分值最大为目标,建立了基于脆弱性评价的地下水污染监测网多目标优化模型.通过地下水脆弱性评价和溶质运移模型计算得到不同点位地下水脆弱性分值和污染物浓度,针对不同脆弱性等级提出区域监测井初设密度,采用改进非劣支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）基于初设监测网求解该多目标优化模型,结合质量误差分析确定监测网优化方案.结果表明,阿什河漫滩区和樊家沟流域地下水硝酸盐氮污染相对较严重;地下水脆弱性高和较高等级区域分别分布在抽水井群影响范围和河漫滩;结合NSGA-Ⅱ Pareto最优解及质量误差分析结果,得到该区域地下水监测井最优数量（12口）及其最优布设位置.研究显示,该优化监测网与初设监测网插值所得污染羽的质量误差小于15%,满足监测精度要求.      

区域地下水污染风险评价方法研究

依据系统风险评价的边界要素,初步建立了区域地下水污染风险评价指标体系:区域地下水特殊脆弱性评价、区域污染源特性评价和区域特征污染物健康风险评价.采用多指标综合方法,对3个评价体系进行耦合,并运用ArcMap的Spatial Analysis功能制图对其进行风险表征,从而建立了对不同地区不同自然条件、不同污染类型的区域地下水污染风险评价的新方法.以常州市为例,利用该方法对其浅层地下水进行污染风险评价,研究表明该市地下水脆弱性指数较高,且分布不均;污染源分布较为集中,对地下水污染风险影响较大;受污染物及污染源影响,常州市区人群健康风险值较高.全市浅层地下水污染风险高且分布不均,污染风险较高区域分布在安家-薛家-郑陆一线以北和城区及其东南部一带.     

吐鲁番南盆地平原区地下水污染风险评价

地下水污染风险评价是地下水污染防治的有效工具,评价体系主要包括地下水污染源荷载评价、地下水脆弱性评价和地下水功能价值评价这3个部分.以吐鲁番南盆地平原区为例,利用调查数据和土地利用数据划分点源污染和面源污染,进行地下水污染源荷载评价;选取经典的DRASTIC模型进行地下水脆弱性评价;从水质和水量的角度进行地下水功能价值评价.利用GIS平台将3个评价结果加权叠加,生成地下水污染风险区划图.结果表明,研究区地下水污染风险整体较低.高风险和较高风险区域面积占研究区总面积的15.5%,主要分布在研究区的L1、 L2和L3处.L1主要受到高污染源荷载和高地下水脆弱性的影响;L2主要是由高地下水功能价值和以生活为主的面源污染共同作用的结果;以农业生产为主的面源污染和较高的地下水功能价值是L3区域地下水污染风险偏高的主要原因.地下水污染风险评价结果对决策者划定地下水污染防治区具有重要参考.     

叶尔羌河流域平原区地下水污染风险评价

地下水污染风险评价是管理地下水资源和预防地下水污染的有效方法,采用DRSTIW模型对叶尔羌河流域平原区地下水脆弱性进行评价;采用因子分析对污染源解析量化,进行地下水污染负荷评价;采用兼顾开采价值和原位价值来估算地下水功能价值.采用熵权法和层次分析法确定综合权重,基于ArcGIS加权叠加功能生成地下水污染风险图.结果表明,研究区地下水脆弱性整体较高,地下水污染负荷和地下水功能价值整体较低,地下水污染风险整体偏低,高污染风险和较高污染风险区占研究区总面积的20.7%,主要分布在莎车县、泽普县、麦盖提县、图木舒克市和巴楚县西部等区域,含水层渗透能力强、地下水径流条件弱、地下水补给量模数大、植被覆盖率低和水岩相互作用强等自然条件加之频繁的人类活动如农业化肥的施用和工业、生活污水的排放等使得这些区域地下水污染风险较高.地下水污染风险评价为地下水监测网络的优化和地下水污染防治提供有力的数据支撑.     

区域地下水环境风险评价技术方法

针对我国在地下水环境风险评价技术方法储备不足的问题,提出区域地下水环境风险评价技术方法应遵循逐级筛选、分类分级评价的思路,突出对不同尺度的控制,将区域地下水尺度划分为区域(流域、平原)、局部地区(城市、单元)和场地(水源地、污染场地)3个层次. 通过分析区域地下水环境中风险源—受体—危害分析—生态终点的暴露响应途径,提出适宜大尺度区域地下水环境风险的评价方法;选用区域土地利用类型表征区域污染源,以地下水水质以及供水量变化为生态终点,采用相对风险模型分析大尺度区域环境风险. 针对大尺度区域内高环境风险区,采用源—路径—受体控制模型建立城市区域尺度地下水污染风险评价理论模型,并结合当地污染源特征、水文地质条件及水质现状进行局部地区地下水污染风险评价. 针对局部地区的高污染风险区,基于健康风险评价理论,突出水质安全保障,确定小尺度场地地下水健康风险的内涵与评价方法,提出场地地下水健康风险评价流程采用过程模拟方法确定污染物在包气带—地下水中的迁移转化,定量分析其对人体健康的影响. 下辽河平原区域地下水环境风险评价结果显示,高环境风险区位于沈阳浑河冲洪积扇区域,而细河是区域内地下水高健康风险区,应有针对性地采取保护措施.      

区域地下水污染预警：以巴伊盆地平原区为例

地下水污染预警是区域地下水污染防治的有效手段. 将地下水水质现状、地下水水质变化趋势和地下水污染风险三者耦合的地下水污染预警模型应用于巴里坤-伊吾盆地平原区,实现地下水水质状态预警和趋势预警相结合的区域尺度地下水污染预警研究. 采用基于综合权重的TOPSIS法进行地下水水质现状评价,通过计算得出的18眼原位地下水水质监测井的趋势度插值结果分析地下水水质变化趋势,利用迭置指数法将地下水脆弱性图、地下水污染荷载图和地下水功能价值图空间叠加得到地下水污染风险分布图. 结果表明,研究区地下水水质以良好和较好为主,且2011~2022年间呈稳定状态,地下水污染风险整体较低. 地下水污染预警级别整体较低,重警和巨警区分别占研究区总面积的16.4%和17.5%,主要分布在伊吾县的下马崖乡和巴里坤县的三塘湖镇北部、大红柳峡乡、大河镇,区域内出露的第四系沉积物以砂卵砾石为主,孔隙发育,透水性强,对污染物的截留和吸附能力较弱,工农业和生活产生的污染物易渗漏至地下水含水层,造成地下水水质较差和地下水污染风险较高,最终导致部分区域地下水污染预警级别高. 地下水污染预警研究为开展地下水污染修复提供重要的理论依据.     

基于“生态水位-水质-水源地”协同作用的地下水环境风险评价方法研究

地下水生态水位、地下水水质和地下水水源地是地下水环境的关键敏感属性,而现有关于地下水环境保护的研究多侧重于污染风险评价,常忽视地下水生态水位作为环境要素综合风险的重要性.为突破以往地下水风险评价中以污染要素为主的现状,在区域尺度针对地下水污染及地下水水位变化导致地下水系统生态服务功能失衡等问题,提出以地下水生态水位、地下水水质和地下水水源地作为风险受体,综合研究地下水系统对地下水风险源的暴露途径及响应关系,采用地下水防污性能指数指征地下水环境的空间差异性,构建了基于“生态水位-水质-水源地”协同作用的GERRM模型（地下水环境相对风险模型,groundwater environmental relative risk model）,定量描述地下水污染和地下水水位突变耦合的地下水环境风险,并将建立的方法在下辽河平原进行案例研究.结果表明:①Ⅳ、Ⅴ级风险区主要位于化工企业、危险废物填埋场周围一定范围区域及沈阳市地下水水源地保护区和生态水位敏感性较高区,面积为2 107.33 km2,占总面积的8.93%.②Ⅰ、Ⅱ级风险区主要为农田种植区、林地种植区和农业城镇建设区,面积为17 704.51 km2,占总面积的75.01%.研究显示,GERRM模型适用于区域地下水环境风险评价,下辽河平原区化工企业、危废填埋场周围一定范围区域以及沈阳地下水水源地保护区相对风险最高,需采取相应的管理保护措施.      

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.     

地下水型水源地水质安全预警技术体系研究

地下水型水源地水质安全预警是城镇集中供水的地下水资源保护和管理的重要依据.为了提高地下水型水源地水质安全预警功能,提出了包括基于水质长序列监测预警、基于污染动态模拟预警及基于区域污染风险评价预警的技术体系.其中,基于水质长序列监测的预警是通过因子分析筛选水源地特征污染物,分析水质数据变幅以确定水源地水质的预警级别,可实现针对水源井的开关控制作用;基于污染动态模拟的预警是在水源地外围污染源特征基础上,模拟其动态迁移过程,进而确定其影响水源地水质的预警级别,可实现对水源地水质变化趋势的预判;基于区域污染风险评价的预警着重于水源地受区域污染风险控制与水源地保护区的耦合效应,同时结合其他预警影响因子作用以确定预警级别,可实现对水源地所在区域的宏观管控.该技术在哈尔滨市利民水源地进行了综合应用,结果显示,基于水质长序列监测预警中,COD_Mn及NH₄+的最大变幅指数均在1~2之间,预警级别确定为一级;根据污染动态模拟的结果得知,位于水源地开采井流场上游较高ρ（NH₄+）的范围在迁移20 a后,污染晕前段尚未到达水源地,确定预警级别为零级;基于区域污染风险评价的预警确定水源地所在区域为零级预警区,综合分析可以确定利民水源地地下水水质存在污染风险,应采取相应的管控措施.      

巴里坤-伊吾盆地平原区地下水污染风险评价

开展地下水污染风险评价研究是地下水污染防控的重要环节.以巴里坤-伊吾盆地平原区地下水为研究对象,构建DRSTIW模型进行地下水脆弱性评价;根据污染场地调查资料和土地利用类型划分点源和面源污染,进行地下水污染荷载评价;考虑地下水的原生价值、经济价值和生态价值进行地下水功能价值评价;利用ArcGIS的地图代数功能生成地下水污染风险评价图,采用ROC曲线验证地下水污染风险评价结果,通过计算G指数得到地下水污染风险空间冷热点分布,结合重心和标准差椭圆对热点变动情况进行定量分析.结果表明,研究区地下水污染风险整体较低,高污染风险区和较高污染风险区仅占研究区总面积的6.8%,主要位于伊吾县的淖毛湖镇、盐池镇,巴里坤县的奎苏镇、石人子乡、花园乡和兵团红山农场,该区域内地下水埋深较浅,土壤表层和包气带介质透水性能较强,吸附能力较差,加之污染源分布较集中,使得污染物易于迁移富集,在地下水高脆弱性和高污染荷载的双重作用下导致局部区域地下水污染风险升高.受人类活动影响,地下水污染风险在空间上存在一定的集聚现象,整体表现为由西北向东南演变的趋势.地下水污染风险评价结果为划分地下水污染防治区提供重要参考.     

基于替代模型的煤矸石堆地下水污染随机模拟

为分析参数的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,以抚顺西舍场煤矸石堆及周边地区为研究对象,以硫酸根离子为模拟因子建立污染质运移的数值模拟模型,运用灵敏度分析法筛选对模拟模型影响较大的参数作为随机变量;为减少反复调用模拟模型产生的计算负荷,运用克里格方法建立污染质运移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,对随机模拟的输出结果进行统计分析,利用污染质浓度分布函数估算单井遭受污染的风险.结果表明,井1,井2和井3中达到地下水质量标准的Ⅲ类标准的概率分别为0.6%,97.6%和0%,藉此为地下水污染防治提供更加科学,丰富的参考依据.     

基于迭置指数法的简易垃圾填埋场地下水污染风险研究

传统地下水风险评价DRASTIC模型常用于评价地下水含水层固有特性,体现了含水层自身对外界污染源的抵抗能力,但对环境污染源和地下水价值等相关要素考虑不足,使其评价结果存在一定的片面性。基于迭置指数法,结合地下水固有脆弱性7项评价指标和污染负荷危害性5项评价指标,对传统DRASTIC模型进行了改进,构建地下水污染风险评价综合指数计算模型,优化了地下水污染风险评价模型,并以我国西南某简易垃圾填埋场为实例,进行了地下水污染风险评价,运用ArcGIS空间分析获取研究区地下水污染风险评价12项评价指标和其综合指数的空间分布情况,以了解研究区地下水污染风险现状。结果表明:构建的地下水污染风险评价体系及评价模型可行,研究区内山区地下水受到污染的概率较小,地下水污染风险评价综合指数均小于4,河流附近与山谷平原区地下水污染风险评价综合指数增加,在简易垃圾填埋场周边地下水污染风险评价综合指数增至5.1。采用该评价模型能较全面地评价研究区地下水污染风险现状和抗污性能,可为区域地下水污染防治和地下水环境管理提供科学依据。     

基于过程模拟的地下水污染风险评价方法研究

通过对简易垃圾填埋场污染地下水过程的系统分析,提出了以抽水井作为保护目标进行地下水污染风险评价的方法,确定了地下水污染风险评价因子,建立了基于过程模拟的污染物迁移转化数学模型.以特征污染物Cl-的污染范围和程度划分了风险等级.利用构建的地下水污染风险评价方法,以我国北方某简易垃圾填埋场作为案例进行了地下水污染风险评价.结果表明,污染源与污染物迁移转化的共同作用决定了地下水污染范围和风险等级.地下水污染风险评价方法的建立为开展简易垃圾填埋场地下水污染有效监管提供了一种方法.     

某垃圾填埋场地下水质监测井网优化设计——基于模拟优化法

以白城市垃圾填埋场为研究区,通过正交试验设计法得到2个污染源的4组可能污染源强组合,建立地下水流及溶质运移数值模拟模型,预测潜在污染源可能对研究区地下水产生的污染.根据污染羽分布情况,布设了57口潜在监测井.以最大化覆盖高污染区域为目标建立0-1整数规划优化模型并用隐枚举法进行求解.结果表明：模拟优化方法在允许监测井数目不同的情况下得到了最优地下水质监测井网布设方案.以7口监测井为例,最优布设方案为1,6,9,15,19,23,31号监测井（5口位于渗滤液调节池下游,2口位于填埋区下游）.最优布设方案的污染物检出概率达95%,远高于随机布设方案.     

基于GIS系统的地下水污染防治区划分研究

在收集评估区域范围内污染源荷载、水文地质参数和地下水功能价值等资料的基础上,应用GIS软件对黑龙江省某地级市进行了建城区地下水污染防治防控区划分,选取模型进行了污染源荷载评价、地下水脆弱性评价、地下水污染风险评价.结果得出,地下水污染防治优先控制区位于污染源荷载较高的中部、北部和中部及西南部的部分区域为地下水污染防治重点控制区、其它为一般控制区域.区划结果为当地政府需求和社会经济发展规划提出合理有效的污染防治对策和措施依据.