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.      

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.     

工业项目地下水污染监测井布设方案的定量化研究

工业成品生产过程中各类装置所产生的污染源严重威胁着工业建设项目厂区及其周边地下水环境安全,对工业项目厂区及其周边地下水水质进行有效的监测则成为防控地下水污染风险的关键。以某石化项目为例,基于对研究区水文地质条件的剖析和概化,通过野外水文地质调查及现场试验获取水文地质参数,利用FEFLOW数值模拟软件建立研究区地下水三维非稳定渗流模型和溶质运移模型,分析预测设定工况下污染物随地下水的迁移规律,实现了地下水污染监测井布设方案在时间和空间尺度上的定量化分析,并提出了合理且有效的监控管理措施,可为工业项目地下水监测井的精细化布设提供参考。     

基于Kriging替代模型的地下水污染监测井网优化设计

采用模拟-优化方法进行地下水污染监测井网的优化设计,建立的优化模型以最大化覆盖高污染区域为目标,且综合考虑了各时段污染质的运移情况.为减小计算负荷,研究中引入Kriging方法建立模拟模型的替代模型,来代替模拟模型与优化模型进行耦合.最后通过一个假想案例评估替代模型的拟合精度和优化模型的性能.结果表明:替代模型的输出结果相对误差均小于0.5%,拟合精度较高;通过计算优化模型得到的最优布设方案污染质检出浓度和为3.37mg/L,检出率为85%,远高于随机布设方案.说明该方法能够以较小的计算量实现最大化覆盖高污染区域的目标.本次研究为监测井的布设提供了一种稳定可靠的优化方法.     

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。     

基于贝叶斯公式的地下水污染源及含水层参数同步反演

针对非均质地下含水层污染源识别及含水层参数反演过程中监测方案优化问题,提出一种基于贝叶斯公式及信息熵最小的累进加井的多井监测方案优化方法.首先,构建假想案例下的二维非均质各向同性潜水含水层水流及溶质运移模型,运用GMS软件进行数值模拟求解.采用最优拉丁超立方抽样方法和Kriging法建立数值模拟模型的替代模型.然后以参数后验分布的信息熵最小为目标函数,采用累进加井的方式进行多井监测方案优化设计.最后根据优化后的监测方案,采用差分进化自适应Metropolis算法进行污染源及含水层参数的同步反演.算例研究表明：在兼顾反演精度及监测成本,并保证每个参数分区内至少有1眼监测井的条件下,5眼井组合监测方案（6,5,1,2,8）为最优监测方案.与信息熵最小的10眼井组合监测方案（1,2,3,4,5,6,7,8,9,10）的参数反演结果相比,5眼井组合监测方案对11个参数α=（X_S,Y_S,T₁,T₂,Q_s,K₁,K₂,K₃,DL₁,DL₂,DL₃）的后验均值偏离率的平均值虽增大1.2%,但监测成本却是10眼井组合监测方案的50%.     

某气田石油类污染物运移数值模拟研究

为研究气田建设项目对地下水产生的石油类污染,以西北某气田开发区地下水为研究对象,在水文地质条件调查和地下水污染源与污染途径分析的基础上,采用GMS软件建立研究区地下水流模型和溶质运移模型,模拟预测了凝析油储罐破裂泄漏情景下石油类污染物在地下水中的迁移规律及自然净化过程。结果表明:模拟期内地下水中的石油类浓度小于标准值,地下水未超标但受到轻微污染;污染晕中心浓度随时间减小,污染场地及下游位置污染物浓度先增大后减小,距离污染源越远的位置峰值浓度越小。     

地下水潜在污染源危害性评价方法研究

地下水污染源危害性评价对地下水资源保护及地下水污染防控区划具有重要意义,然而现有区域尺度地下水污染源荷载危害性评价弱化了点源污染复合强度对地下水的影响.因此,为更准确地进行区域地下水潜在污染源危害性评价,引入污染复合强度要素.选取工业源、农业源、生活源、地表排污河、垃圾场和加油站为研究对象,构建以污染源种类、污染物排放量、污染源释放可能性、缓冲区半径和污染复合强度为指标的综合评价模型,采用层次分析法确定各类污染源权重,基于ArcGIS 10.2软件对沧州市进行地下水综合潜在污染源荷载危害性评价.结果表明:Ⅳ、Ⅴ级风险区面积为5 560.0 km2,占总面积的41.6%,主要位于沧州市中部、北部地区,其危害性受工业源影响最大;Ⅰ、Ⅱ级风险区面积为3 303.4 km2,占总面积的25.2%,主要位于沧州市东部地区.研究显示,该评价方法强化了点源污染复合强度对地下水危害性的影响,可为区域地下水潜在污染源危害性评价提供参考,对地下水资源保护及污染防控区划具有重要意义.      

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.     

地下水硝酸盐污染抽出处理优化方法模拟研究

以北京某场地生活垃圾填埋场硝酸盐污染地下水为研究对象,针对抽出处理技术,利用遗传算法(GA)和模拟退火法(SA)对地下水硝酸盐污染羽治理区中布置18口备选井方案进行优化.优化目标函数最小化治理成本,确定最佳井数及其井的位置和抽水速率,同时达到在100 d内将研究区硝酸盐浓度降低至10 mg·L-1的治理目标.GA优化结果为8号井优化抽水速率为155 m3·d-1,14号井优化抽水速率为10 m3·d-1.SA优化结果为8号井优化抽水速率为82 m3·d-1,14号井优化抽水速率为39 m3·d-1.基于GA和SA优化抽水速率,硝酸盐总量去除率分别为76.89%和84.92%.优化结果说明,最佳井的位置应位于硝酸盐污染羽中游及中下游的中轴线上,且中游抽水速率比下游要大.两种优化算法对比表明SA优化系统治理成本比GA节省6.8%,且波动性小,更收敛.     

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.     

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.     

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.     

基于贝叶斯公式的地下水污染源识别

将贝叶斯公式与地下水二维水质对流-扩散方程相耦合,建立依靠监测井监测值的地下水污染源参数（污染源强度M、排放位置（X₀,Y₀）和排放时刻T₀）反演模型.针对监测井监测值信息量不充分或者监测值与模型参数关联性较弱的问题,提出了一种基于贝叶斯公式与信息熵的监测井优化设计方法.构建一个污染物在承压含水层中瞬时排放的算例,在确定单井监测及监测次数条件下,以监测井位置D及监测频率Dt的优化为目标,分别进行模型参数后验分布信息熵最小的单目标监测方案优化,以及信息熵最小且监测耗时最短的多目标监测方案优化.依据优化后的监测方案采用延迟拒绝自适应Metropolis算法进行污染源参数反演识别.算例研究表明：在预设定单井监测,且监测次数为5次条件下,单目标优化后的监测方案为D=（830.2,199.8）,△t=2.7,在此监测方案下,4个污染源参数M,X₀,Y₀,T₀的反演均值误差分别为19.5%、13.2%、3.4%、1.3%;多目标优化后的监测方案为D=（807.9,199.4）,△t=1.2,在此监测方案下,4个污染源参数M,X₀,Y₀,T₀的反演均值误差分别为19.9%、13.4%、3.7%、4.2%.与基于单目标优化的监测方案的反演结果相比,基于多目标优化的监测方案条件下,污染源参数的反演均值误差虽分别增加了0.4%、0.2%、0.3%、2.9%,但监测时间却显著缩短了55.6%.     

地下水污染防控目标量化方法研究

我国地下水污染问题日益突出,部分地区出现了地下水重金属和有机物污染现象,对人类健康和生态安全造成威胁。因此,改善地下水环境,确立地下水污染防控目标尤为重要。但目前在地下水污染防控目标制定方面,定性研究较多,定量研究较少。以石家庄市及其近郊区为案例区,采用模糊综合评判法和层次分析法建立了目标量化函数,提出了案例区地下水污染防控量化目标。到2020年,案例区地下水源水质保持良好,91个重点污染源得到治理或管控,建设404口地下水水质监测井并开展常规监测。通过目标可达性检验,表明该目标制定的较为合理,目标可达。     

成都平原典型区地下水污染时空异质性及污染源分析

成都平原地下水是该地区生活、工农业生产用水的重要来源,但由于长期过量使用化肥,以及畜禽养殖、乡镇企业及生活污废水的无组织排放,已对该区地下水环境构成了威胁.本研究选取成都平原某典型城镇农村区进行不同时季地下水水质监测分析,并联合ArcGIS空间分析技术、相关矩阵分析和主成分分析(PCA),以揭示研究区地下水水质时空异质性、污染影响因素、潜在污染源及污染源时季变化规律.结果表明,研究区"三氮"(NO~-_3、NO~-_2、NH~+_4)、铁(Fe)、锰(Mn)、氯离子(Cl~-)、硫酸根离子(SO■)存在不同程度的超标,其中,氨氮(NH~+_4)超标最为突出;地下水中氨氮含量及"三氮"之间的转化主要受土地利用类型、地下水铁锰分布及含水层氧化还原条件的影响.PCA结果显示,农业活动、生活污水和工业排放是造成研究区地下水污染的主要影响因素,从春季到夏季地下水污染源由生活污染为主转向农业污染为主,冬季地下水污染源以生活和工业源为主.ArcGIS空间分析和PCA分析的结合,有助于探讨地下水水质及潜在污染源的时季变化规律,可为地下水环境保护、污染控制和减缓方案制定提供理论依据.     

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。     

垃圾填埋场地下水污染风险评价研究

为了更加直观的了解垃圾场地下水污染风险状况,本文建立了综合考虑含水层易污染性、地下水资源功能价值及垃圾场自身潜在风险的地下水污染风险评价模型,对垃圾场地下水污染风险进行评价。垃圾场含水层易污染性情况采用DRASTIC模型进行评价,地下水资源功能价值和垃圾场潜在风险采用灰色聚类法进行评价。以成都市某垃圾填埋场及周边地区为例,在对地下水污染的污染途径、污染受体和污染源分别进行量化评价的基础上,分别对研究区含水层易污染性、地下水资源功能价值和垃圾场潜在风险指数进行计算,确定研究区地下水污染风险评价结果。结果表明,此垃圾场地下水污染风险级别为较高,评价结果与实地调查情况和相关研究相符,表明该评价方法合理和可靠。     

滨海平原区某生活垃圾填埋场地下水污染修复模拟

渗滤液是垃圾填埋场区地下水的主要污染源。以滨海平原区某生活垃圾填埋场为例,采用MODFLOW/MT3D建立模型进行污染物的迁移模拟和修复模拟,模拟持续污染和清理污染源并配套抽水井的2种工况下,COD_Mn在浅层地下水中的迁移扩散特征。模拟结果表明：由于滨海平原区浅层地下水含水层渗透系数很小,水动力条件差,污染物主要影响埋深10 m以浅的2个含水层;持续泄漏将造成污染羽中污染物含量很高,但污染物向场外迁移扩散的距离却很有限,20年后污染物超出场界的迁移距离不超过70 m;设置抽水井可有效地清理污染物,但污染羽的清除速度很慢,需要5～10年的连续抽水方可使污染羽收缩至场内。实际修复中,可根据修复进展情况实时调整抽水井的运行和布设,关停已修复好区域的抽水井,同时加大污染中心抽水井的出水量,并在修复多年污染物浓度依然较高的地段增布抽水井,以加快污染修复速度。建立的污染物迁移和修复模拟模型可为其他相关垃圾填埋场地下水环境调查评估和污染治理提供参考与借鉴。     

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.