随机森林理论及其在水文地质领域的研究进展

随机森林理论是近年来快速发展的一种人工智能集成学习算法,由于其对数据系列中异常值的容忍度较高,且预测结果准确度显著高于其他常用算法,在以水文地质领域为代表的自然科学研究中的应用越来越广泛.本文在介绍随机森林算法理论和应用方法的基础上,结合国外内已有研究成果,分析其在地下水潜力评估、地表水-地下水转化、地下水水质评价和地下水污染预测等水文地质领域的应用效果,对随机森林理论在水文地质领域的应用前景和进一步发展的方向进行了讨论.结果表明,随机森林理论可以有效解决水文地质领域研究中的参数和过程不确定性问题,在水文地质结构精确刻画、水文地质参数准确反演、水文地质过程的描述均具有广阔的应用前景.     

辽河四平段流域河流沉积物微生物群落多样性和结构分析

沉积物微生物群落在水生态系统的物质循环中发挥着关键的作用,群落结构组成的变化经常与环境的改变有关.以辽河四平段流域为研究区域,运用高通量测序结果对沉积物微生物群落的结构组成和多样性进行分析.结果表明,辽河四平段流域河流沉积物微生物群落α多样性以北河支流最高,干流次之,南河支流最低;β多样性表现为干流、北河支流和南河支流的微生物群落的相似性较低,差异性较大.变形菌门是该流域微生物群落门水平上丰度最高的优势菌门,并且与其他东北地区的河流类似,该流域河流沉积物中的厚壁菌门含量较低;γ-变形菌纲是该流域河流沉积物微生物群落占比最高的菌纲,但是β-变形菌纲在该流域丰度很低;而属于β-变形菌纲Ellin6067菌属在该流域分布很广.环境因子例如沉积物重金属和水体理化性质也会对微生物群落的多样性和种群结构产生多种影响.结果为实现修复辽河四平段流域河流的水体污染工作提供了理论依据.     

基于证据权重法地下水中氮浓度影响因素分析

针对地下水中氮素浓度主控因素难以确定的问题,本文以三江平原松花江-挠力河流域为例,采用证据权重法,选取降水量、土地利用类型、人口密度、土壤有机质含量、粘土层厚度、地下水埋深、含水层厚度和地下水类型为证据因子,分别建立地下水中氨氮和硝态氮的预测模型,并分析其对氮素浓度分布的影响程度,取得了较好的预测结果,其中氨氮和硝态氮的预测精度分别达到77.2%和89.1%.分析表明:三江平原地下水中氨氮和硝态氮浓度与降水量、人口密度呈正响应关系;氨氮浓度与含水层厚度呈正响应关系,而硝态氮与含水层厚度则呈负响应关系,说明氨氮受含水层氧化还原环境条件影响较大,硝态氮受含水层对流弥散作用影响较大;当土地利用类型为居住用地时,地下水中氨氮和硝态氮浓度通常较高.     

松嫩平原西部地下水氟和砷的富集机理与动态变化特征

为揭示松嫩平原西部地下水中氟和砷的演变趋势,以通榆县为典型研究区,系统开展地下水氟和砷浓度现状调查,利用离子比图、自组织映射网络等方法进行水质数据分析.结果表明:潜水氟含量受含水介质沉淀溶解作用的制约,蒸发浓缩作用对大部分浅层高、低氟地下水形成都有一定影响,但并非高氟地下水形成的主导作用.水中铁、锰氧化物的溶解促进浅、深层地下水As的解吸释放.1995年以来区内中东部浅层地下水氟浓度整体水平有所降低,可能与当地大规模开发地下水所导致的地下水位下降、蒸发减弱等因素有关;虽然深层高氟地下水浓度变化不大,但分布范围扩大,可能与浅层高氟地下水经破损井管道渗漏进入承压含水层有关.1995～2021年区内中部与东北部浅层地下水砷浓度整体水平远高于世卫组织饮用水的指导值(10μg/L),虽然深层高砷地下水浓度变化不大,但较浅层地下水高砷区分布更广、富集区更多、污染更严重,这可能与承压含水层的还原条件促进砷的释放有关.因此,通榆县深层地下水的开采,需要避开地下水高砷污染区,且需要合理确定开采水平避免劣质水入侵;同时也要关注开采井止水和开采井的破坏导致的串层污染问题.     

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.     

胶态微泡沫用于冲洗含水层的迁移分布特征

目前有关胶态微泡沫（CGAs）冲洗含水层过程中的迁移分布特性尚不明确,本研究利用二维模拟实验详细探究了注入速率、表面活性剂浓度和介质条件对CGAs迁移分布时空变化特征的影响.结果表明,在单侧单点注入条件下,CGAs的波及区域形状近似半圆形,迁移锋面相对规则;CGAs破裂产生的泡沫液分布在其迁移锋面四周,泡沫气体受地下水浮力影响向上方迁移,导致出现在纵向向上迁移距离大于向下迁移距离的"向上漂移"现象.表面活性剂浓度对CGAs的迁移分布影响较小;注入流速低或介质渗透性差,CGAs均会在迁移后期出现明显的“向上漂移”现象,同时其波及区域形状逐渐趋向于半椭圆形;恒定流量注入CGAs,其在含水层中的波及面积存在最大值.相对传统液相冲洗液,CGAs在非均质含水层中迁移分布较为均匀,受介质非均质性影响较小.     

铁酸锰活性炭阴极催化剂的制备与对微生物燃料电池产电性能的影响

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阴极的氧化还原反应能力对MFC的产电性能起着至关重要的作用,因此,本研究制备了铁酸锰/活性炭(MnFe₂O₄/AC)并对其进行材料学表征,研究其作为MFC空气阴极催化剂时产电和污水处理效果.研究表明,MnFe₂O₄和AC物质的量比为1:3时MFC电功率密度最高,达302.7mW/m².在峰值电压附近维持时间长达200h,维持时间是传统Pt/C催化剂MFC的4倍,库伦效率达到17.45%.在催化剂重复利用实验中发现,在相同的运行时间内,采用Pt/C催化剂的MFC电压下降明显,而采用MnFe₂O₄/AC催化剂的MFC电压基本保持稳定,证明了MnFe₂O₄/AC催化剂良好的循环稳定性.污水处理效果方面,MnFe₂O₄和AC物质的量比为1:3时处理效果最好,COD去除率达74.66%.因此,MnFe₂O₄/AC催化剂制备简单、价格低廉、电化学性能稳定,在提高MFC产电持久性方面具有实际意义.     

地下水污染模拟模型的不确定性分析

为同时分析源汇项和水文地质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,以抚顺市某煤矸石堆放场为研究实例展开研究.首先以硫酸根离子作为模拟因子,建立该场地地下水污染数值模拟模型.然后,分别采用局部灵敏度分析和全局灵敏度分析两种方法对模拟模型参数进行灵敏度分析并对比二者的结果,最终筛选出对模型输出结果影响较大的两个参数作为模型的随机参数.为减少反复调用模拟模型产生的计算负荷,分别对3口观测井应用克里格、核极限学习机、支持向量机和BP神经网络4种方法建立模拟模型的替代模型,根据这4种替代模型在不同井的拟合效果,为每口井优选出一个表现最好的替代模型,并利用优选出的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与风险评估.结果表明,在置信度为80%时,1,2,3号三口井浓度的置信区间分别为:211.48~845.04mg/L,0~406.98mg/L,231.42~958.37mg/L.此外,依据《地下水质量标准》和各井的污染物浓度分布函数曲线得出:1号井和3号井的水质达标Ⅴ类水的概率分别为90.1%和93.1%,2号井达标Ⅲ类水的概率为80.7%,藉此为地下水资源管理和污染防治提供合理依据.     

不同油相微乳液性质及其增溶菲的性能研究

以Tween 80为表面活性剂,正戊醇为助表面活性剂,3种不同的植物油（大豆油、棕仁油、葵花油）作为油相构建微乳相图,探究不同油相对微乳液性质的影响.制备了不同油相与表面活性剂质量比（O/S）的3种植物油基系列微乳液,并对比了它们对菲的增溶效果.结果表明,不同油相对微乳液的成相能力及稀释特性影响较大,其中棕仁油 > 葵花油 > 大豆油.3种油相微乳液在不同含水量下具有相似的电导率变化趋势且均为牛顿型流体.制备的3种植物油基系列微乳液对菲的增溶能力均随体系中油含量的增加而提高,其中大豆油基微乳液对菲的增溶效果最差,而棕仁油微乳液在O/S值为0.1时对菲的增溶效果最好,可达2.18g/L.