混合多目标遗传算法求解地下水污染修复管理模型

为了提高多目标遗传算法Pareto解的局部最优性,本文将快速非支配遗传算法(NSGAII)与一种迭代式的局部搜索算法(Hill Climber with Step,HCS)相结合,开发了一种新的混合多目标遗传算法NSGAII-HCS.利用CONV1和ZDT6两个经典的多目标优化函数对NSGAII-HCS的性能进行测试,与传统的多目标算法NSGAII相比,CONV1得到的Pareto锋面与真实Pareto最优解锋面的平均距离由5.49减小到1.74,ZDT6则由0.16减小到0,表明NSGAII-HCS在保证解多样性的前提下,能使解接近或收敛到真实的Pareto最优解锋面.最后,将NSGAII-HCS与地下水流模拟软件MODFLOW和溶质运移模拟软件MT3DMS相耦合,并应用到一个理想的二维地下水污染修复管理模型中,结果分析表明该方法可为地下水污染治理提供多样的和收敛的Pareto管理策略,是一种稳定可靠的多目标优化方法.     

一种基于污染风险的地下水监测井网多目标优化方法

地下水具有重要的生态服务功能。地下水监测可为管理和维护地下水生态安全提供必要的信息。如何以最低的监测成本获取最丰富的地下水信息一直是科学家和管理者关注的热点问题之一。在模拟退火算法的基础上,利用随机森林算法筛选出对地下水质量演化指示性最强的监测指标,并结合水文地质分析法,考虑地下水污染风险性,以监测成本最低、精度最高和不确定性最小为目标函数,建立了区域地下水污染监测井网多目标优化模型,最后通过北京市平谷盆地平原区的示范应用,验证了该方法的有效性。结果表明:多目标优化模型的Pareto最优解显示,示范区地下水污染监测井的最优数量为29口,冗余监测井为3口,为提高监测精度需新增监测井5口;示范区地下水污染监测井网优化前后NO~-_3-N浓度的相对误差小于20%,低于接受阈值,证明该方法具有可靠性,可为平原地区地下水污染监测井网布设提供一种指示性强且快速的多目标优化方法。     

海积平原区某非正规垃圾填埋场地下水氨氮污染模拟研究

本研究结合天津市海积平原区水文地质条件,构建了某非正规垃圾填埋场地下水溶质运移模型,并将该模型用于预测分析垃圾填埋场地下水氨氮污染迁移规律.采用敏感性分析研究了渗透系数、孔隙度和弥散度等参数的变化对模拟结果的影响.模拟评价了地下水氨氮污染抽出处理效果.研究结果表明,氨氮污染羽在10年内最大迁移距离为648 m,污染面积达到368667 m~2,高浓度氨氮污染羽主要分布于南部浅层潜水含水层.抽出处理方案效果不佳,易导致氨氮污染羽的拖尾和反弹效应.本研究可为海积平原区地下水氨氮污染治理、修复提供理论参考和依据.     

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.      

污染场地地下水中砷的运移模拟研究

为研究污染场地地下水中砷(As)的运移规律,选取我国西南某机械制造厂污染场地为研究区,根据场地调查和污染物检测结果,利用GMS软件建立了地下水流和溶质运移模型,分析了不确定性因素补给量、含水层渗透系数和抽水量对污染场地地下水中砷运移的影响.结果表明:污染场地中部地下水中砷污染羽呈辐射状递减分布;砷的运移分布范围与补给量...     

考虑参数不确定性的地下水污染源识别

为分析参数不确定性对地下水污染源识别的影响,本文通过模拟-优化方法、灵敏度分析方法、蒙特卡罗方法和克里格方法的综合运用,建立了描述渗透系数与污染物质释放强度之间关系的推算模型,进行了考虑参数不确定性的地下水污染源识别研究.研究结果表明,推算模型具有较高的精度,确定性系数和平均相对误差分别为0.9895和4.51%;运用推算模型推算了8000组渗透系数影响下的污染源识别结果,节省了约99%的计算负荷和时间;对8000组污染源识别结果进行了定量的统计与分析,得到了概率密度最大的污染源识别结果和置信水平分别为80%、60%、40%和20%对应的污染源识别结果置信区间.本研究改善了应用模拟-优化方法进行地下水污染源识别时,难以考虑参数不确定性的缺点,可以为决策者提供更多的参考依据.     

某矿山地下水污染分区治理效果的数值模拟

本文在查明某矿山水文地质条件与地下水污染特征的基础上,采取分区治理的方案,对地下水污染进行了治理,并采用有限元法对其治理效果进行了数值模拟检验,结果表明数值模拟预测结果与实际监测值较为接近.该研究可为类似矿山地下水污染治理提供借鉴.     

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.     

某焦化厂污染场地环境损害评估案例研究

以某大型焦化厂土壤和地下水多环芳烃、苯污染损害评估为例,采用资源等值分析法分别开展场地土壤和地下水污染环境损害评估,并对评估结果的不确定性进行分析.结果表明,损害评估的数额（27.1亿元）与实际污染修复成本（20.5亿元）具有较大差异,损害评估额明显大于污染治理修复成本;社会贴现率的取值（1%~5%）选择对土壤污染损害评估结果影响最大,污染含水层厚度（3m~9m）、含水层孔隙度（0.25~0.35）、社会贴现率（1%~5%）和单位地下水修复成本（4000~5000元/m²）等因子对地下水污染环境损害评估的结果影响较大.资源等值分析的方法作为评估工业场地土壤和地下水污染理论和技术上较为可行,但需要精细化的立法和明确的技术导则来规范损害评估的内容、程序和方法.     

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.     

基于条件模拟的污染场地土壤修复量的确定研究

针对一般空间插值方法的局限性,以某铁合金厂污染场地为例,利用基于地统计的条件模拟法对研究区待修复的范围及土方量进行评估,定量评价土壤修复量估算结果的不确定性所带来的风险大小,并引入传递函数量化决策结果与风险损失之间的关系,提出一种以风险损失最小化为原则的修复范围划定方法.同时,将结果与利用反距离权重法、径向基函数法和普通克里格法得到的评估结果进行对比分析.研究结果显示,利用条件模拟法可以得到超过修复目标的污染概率的空间分布,进而得到确定不同土壤修复量时所面对的风险大小.研究区大部分面积的土壤中Mn的超标概率在20%~70%,超标概率较高的区域集中在场区北部和西南部.如果分别将超标概率在30%和50%以上的区域作为修复范围,所面对的相对风险值将分别为4.1%和56.5%.此外,通过与传递函数相结合,利用条件模拟法可以得到基于风险损失的修复范围,按照本研究所设定的风险损失条件,得到风险损失最小的待修复土方量为32.4×104m3.该方法将有助于决策者从风险损失出发对污染场地修复范围进行合理划定.     

京津冀化工场地地下水污染修复治理对策研究

京津冀化工场地地下水污染问题突出,严重威胁当地饮水安全和可持续发展,亟待开展修复治理.针对京津冀化工场地地下水污染现状,分析了化工场地地下水污染修复面临的挑战,提出了分区分级的修复治理对策.结果表明:①针对可能存在NAPL(非水相液体污染物)的高风险污染源区,采取高强度修复措施,以实现污染物总量的快速削减;②针对中度污染区,采取单位能耗强度更低的长效修复措施,降低修复成本和二次污染风险;③针对低风险的轻度污染区,采取风险管控措施.结合对典型化工场地地下水污染修复技术的分析,提出的分区分级修复治理对策具有以下特点:①多技术耦合,形成互补效应,可提高修复效率;②节约修复成本,降低二次环境影响;③体现基于风险的原则,避免过度修复.      

基于含水层DNAPL污染修复替代模型的多目标优化研究

基于Kriging方法建立表面活性剂强化修复DNAPL污染含水层的替代模型,与混合多目标算法NSGAII-HCS（Nondominated sortinggenetic algorithm II-Hill climber with step）耦合,实现修复成本最小化和治理效率最大化的多目标优化.以三维非均质承压含水层中PCE污染物的运移与修复过程为例,采用UTCHEM程序模拟表面活性剂强化修复含水层过程.将Kriging替代模型与多相流模型的输出结果进行对比,两种模型得到的含水层中PCE去除效率的平均相对拟合误差为0.80%,相关系数为0.9992,表明Kriging模型可以有效替代多相流模型.进一步将替代模型的Pareto最优解与相应的多相流模型的模拟值进行比较,得到两种模型的平均相对拟合误差仅为0.70%,相关系数达0.9998,表明在多目标优化的迭代求解过程中可以直接调用Kriging替代模型,而无须重复调用多相流模型的大负荷运算,从而为制定表面活性剂强化含水层修复决策提供一种稳定可靠的多目标优化方法.     

基于保护地下水的土壤修复目标层次化制订方法

按照复杂程度将污染物从土壤经地下水迁移到下游饮水井的过程划分为3个层次,采用分层评估框架建立了基于保护地下水的土壤修复目标的制订方法,并利用该方法确定了某污染场地的土壤修复目标值. 结果表明,在污染场地下游200 m处的饮水井内水质标准不降低的前提下,随着评价层次的不断提高,需要修复的污染物由4种(苯、甲苯、乙苯、二甲苯)减至1种(苯),待修复土方量由23.1×104 m3降至4.7×104 m3,可极大地节约修复成本. 该场地污染土壤的第一层次和第二层次修复目标值与部分国家/地区的有关标准限值较为一致;第三层次修复目标值考虑的污染物迁移过程更加完整,更能反映场地的实际情况. 参数的敏感性分析表明,对土壤修复目标值计算结果影响最大的参数为土壤有机质质量分数、土壤有机碳-水分配系数和入渗速度. 在确定修复方案时,应该通过试验或补充调查获取这些参数,以降低结果的不确定性. 研究显示,将第三层次评估结果作为该污染场地的修复目标能充分保证下游饮水井内水质满足要求,并且可以避免过度修复.      

复杂污染场地的风险管理挑战及应对

复杂污染场地中土壤和地下水介质的非均质性、污染物形态归趋变化的复杂性是导致复杂污染场地调查、风险评估与修复过程存在较大不确定性的主要原因.基于侵入式采样和实验室样品分析等高成本调查技术无法理想反映复杂场地的真实污染分布,简单的定值风险评估结果则具有较大的不确定性,线性化场地管理技术体系不能适应复杂污染场地风险管理面临的不确定性挑战.结合国内外实践经验,本文提出"二精一优"的场地风险管理技术方法体系,即:①基于"有效数据理论"的定量测试与半定量实时监测技术相结合的精准调查技术;②基于污染物形态归趋规律,综合采用基于生物有效性、多证据和概率分析等多种手段的精细化风险评估技术;③动态调整优化的非线性场地风险管理技术框架.      

Kinetic analysis and bacterium metabolization of α-pinene by a novel identified Pseudomonas sp. strain

Biodegradation has become a popular alternative remediation technology for its economic and ecological advantages. An aerobic bacterium (strain ZW) capable of degrading αup-pinene was isolated from a biofilter by a selective enrichment. Based on the 16S rRNA gene analysis and physiochemical properties, this strain was identified as Pseudomonas veronii. Under the optimized condition achieved by the response surface methodology (RSM), as well as pH 6.82, temperature 26.3\textcelsius and NaCl concentration 1.36%, almost 100% αup-pinene could be removed within 45 hr. Enzymatic biodegradation by the crude intracellular enzyme could be described well by the Michaelis-Menten model in which the maximum degradation rate V_max and the half-saturation constant K_m were calculated to be 0.431 mmol/(L. min) and 0.169 mmol/L, respectively. Activity assay of catechol suggested that the strain ZW possessed a catechol-1,2-dioxygenase and could decompose benzene-ring through ortho ring cleavage. Based on the identified intermediates by GC/MS, a new metabolic pathway was proposed, in which the final metabolites were some simpler organic and inorganic compounds. The present work demonstrated that the strain ZW would have a great application prospect for the remediation of αup-pinene-contaminated environment.     

地下水循环井技术修复硝基苯污染含水层效果模拟

实验在二维模拟槽中进行,以曝气前后地下水水位高度变化表征地下水循环强度,分析了地下水初始水位,曝气量和地下水初始流速对循环井运行的影响,并以得到的最佳运行参数进行硝基苯污染地下水修复效果模拟.结果表明,地下水初始水位45 cm,曝气量0.7 m3·h-1,地下水初始流速低于1.0 m·d-1时,循环井可以达到良好运行状态.硝基苯在地下水中的纵向迁移距离明显大于横向,泄漏第50 d时,平均浓度达到246.97 mg·L-1.循环井修复过程中,逐渐形成一个以循环井为中心的有机物高效修复区域.该区域内有机物被优先去除,浓度持续下降.高效修复区域外,存在过渡区域,该区域内有机物的浓度受有机物吸附/解吸和迁移性共同作用影响.整个修复过程中,硝基苯的浓度经历了快速下降-缓慢下降-浓度拖尾3个阶段,累计曝气14 h后,硝基苯的平均浓度下降至71.19 mg·L-1,残留的硝基苯分布在远离循环井的区域.由此可见,地下水循环井技术能够较好地修复硝基苯污染的地下水,修复过程存在最佳运行条件及最适修复时间.     

Modeling of acute cadmium toxicity in solution to barley root elongation using biotic ligand model theory

Protons（H⁺）as well as different major and trace elements may inhibit cadmium（Cd）uptake in aquatic organisms and thus alleviate Cd toxicity.However,little is known about such interactions in soil organisms.In this study,the independent effects of the cations calcium(Ca²⁺),magnesium(Mg²⁺),potassium（K⁺）,H+and zinc(Zn²⁺)on Cd toxicity were investigated with 5-day long barley root elongation tests in nutrient solutions.The tested concentrations of selected cations and trace metal ions were based on the ranges that occur naturally in soil pore water.The toxicity of Cd decreased with increasing activity of Ca²⁺,Mg²⁺,H⁺and Zn²⁺,but not K⁺.Accordingly,conditional binding constants were obtained for the binding of Cd²⁺,Ca²⁺,Mg²⁺,H⁺,and Zn²⁺ with the binding ligand:log K_CdBL5.19,logK_CaBL2.87,logK_MgBL2.98,logK_HBL5.13 and logK_ZnBL5.42,respectively.Furthermore,it was calculated that on average 29% of the biotic ligand sites needed to be occupied by Cd to induce a 50% decrease in root elongation.Using the estimated constants,a biotic ligand model was successfully developed to predict the Cd toxicity to barley root elongation as a function of solution characteristics.The feasibility and accuracy of its application for predicting Cd toxicity in soils were discussed.