含水层渗透系数空间变异性对地下水数值模拟的影响

地下水数值模拟是目前定量研究地下水水量和水质的重要手段。使用基于随机理论的MonteCarlo方法来进行地下水数值模拟。这种方法能较好地考虑水文地质参数的空间变异性。主要将MonteCarlo方法和确定性模型模拟方法的模拟结果在渗透系数场、水头场、速度场和浓度场等方面进行了比较。结果表明:在模拟三维非均质含水层中的溶质运移问题时,充分考虑了含水层渗透系数空间变异性的MonteCarlo法比确定性方法更为有效,模拟精度提高了很多,且对模拟误差及误差来源有合理的数学解释。     

基于水力走时反演刻画裂隙含水层非均质性

获取含水层水力参数空间非均质分布信息是研究地下水渗流、地下水污染物运移等诸多地下水问题的重要基础.然而,受常规勘察技术所限,含水层的非均质性难以直接刻画,尤其在裂隙介质含水层中,水力参数分布的非均质性更加突出,进一步增加了刻画的难度.针对该问题,本研究首先通过德国哥廷根大学北校区内的Neutra试验场地进行的64次抽水...     

基于含水层非均质性随机特征的地下水脆弱性评价

由于地质条件的复杂性,人们所能获取的地质和水文地质资料是有限的,这就导致对水文地质条件的认识具有不确定性,其中以含水层非均质特征最为显著,这对地下水脆弱性评价显然会产生显著的影响。考虑含水层的非均质特性,提出具有非平稳随机场空间相关性的地下水脆弱性评价方法。以南京市江宁区中部地区为例,用改进的连续随机增加方法(Successive Random Additional method,简称SRA)生成了渗透系数对数(lnK),具有分维Levy运动统计特征的随机场,模拟含水层渗透系数可能的非均质空间分布,采用DRASTIC方法进行地下水脆弱性评价。结果表明由此方法生成的渗透系数场变化的程度相对传统的普通克里金方法更加剧烈,更加符合复杂分布的非平稳随机场特征,在此基础上建立的地下水脆弱性评价更加符合客观事实,丰富和发展利用随机理论解决地下水环境问题的理论和方法。     

基于MODFLOW参数不确定性的地下水水流数值模拟方法

考虑到模型不确定性引起的地下水数值模拟不确定性对模拟过程的影响,在简要介绍含水层水文地质参数变异性研究进展和地质统计学的基础上,基于常用的确定性地下水流数值模拟软件MODFLOW开发了MODFLOW-Gslib软件,相较于传统的数值模拟方法,将地质统计学与数值模拟结合的方法能够模拟非均质含水层中的参数变异性问题。将MODFLOW-Gslib软件运用于模拟实例中,选择常见的不确定性因素进行模拟,并对其模拟产生的数据进行统计分析,结果表明,软件转化后的参数符合水文地质参数不确定性的相关特征;与原模拟结果进行对比,该软件能够更加真实地刻画含水层参数变异性特征。     

基于EnKF融合地球物理数据刻画含水层非均质性

含水层非均质性的刻画是模拟地下水中污染物运移的关键。以渗透系数为研究对象,构建了综合集合卡尔曼滤波方法、有效电阻率模型与地下水运移模型的同化框架,通过融合地球物理观测数据与污染物浓度观测数据来推估渗透系数的空间分布。基于理想算例,验证了该同化框架刻画含水层非均质渗透系数场的有效性,并针对不同初始参数信息与观测类型对比了耦合与非耦合水文地球物理方法的适用性。研究结果表明:基于集合卡尔曼滤波方法同化多种类型的观测数据,可有效地推估非均质参数空间分布。当初始信息较准确时,耦合方法的参数推估精度更高;初始信息存在偏差时,非耦合方法有更好的同化效果。由于非耦合方法计算成本较低且对初始信息缺失时适用性更强,在实际应用中可先基于非耦合方法初步估计参数,再利用耦合方法进一步提高参数推估精度。融合多种类型观测数据可有效提高参数推估效果。     

含水层非均质性不同刻画方法对地下水流和溶质运移预测的影响

为探讨含水层非均质性不同刻画方法对地下水流和溶质运移预测的影响,基于非均质含水层砂箱实验,分别用传统等效均质模型、克立金插值和水力层析刻画含水层渗透系数场,并探讨了先验信息对水力层析结果的影响.将不同方法估算的渗透系数场用以预测地下水流和溶质运移过程,以此判断不同方法估算结果的优劣,分析含水层非均质性对地下水流和溶质运移的影响.结果表明:与克立金插值法相比,水力层析法可以更好地刻画含水层非均质性,较准确地预测地下水流和溶质运移过程;钻孔岩心渗透系数样本值作为先验信息可以提高水力层析法估算结果的精度;传统等效均质模型无法准确预测地下水流和溶质运移过程.含水层非均质性的增强将导致溶质污染羽分布形态和运移路径的空间变异性增强,并且优势通道直接决定溶质的分布及运移路径.      

参数空间变异性下地下水污染监测网多目标优化机制研究

基于野外实际含水层参数存在空间变异性的客观事实,研发概率Pareto遗传算法(Probabilistic Pareto genetic algorithm,PPGA),用于求解考虑含水层参数空间变异性下地下水污染监测网多目标优化设计问题。PPGA在ε-改进非劣支配遗传算法(epsilon-dominance non-dominated sorted genetic algorithm II,ε-NSGAII)的基础上通过添加概率择优排序和概率拥挤度技术,寻求考虑参数空间变异条件下地下水污染监测网模拟—优化耦合模型的Pareto最优解。将优化结果与蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)模拟分析结果进行对比,验证优化结果的可靠性。算例求解结果表明:在求解考虑参数空间变异性条件下地下水污染监测网多目标优化设计问题时,PPGA优化所得Pareto最优解变异性小,可靠性高,可为决策者提供一系列稳定可靠的监测方案。     

垃圾渗漏液在包气带及含水层中的联合运移模拟

近年来,全国各地新建了大量的垃圾填埋场,其中多有不符合垃圾处理处置场地建设规范的,垃圾填埋场渗滤液对地下水的污染风险也逐年凸显,这就要求对后续垃圾填埋场建设时,在环评阶段做好垃圾填埋场渗滤液对地下水的污染风险预测,为垃圾填埋场地下水污染预防设施的设计与建设提供指导。本文探索了垃圾渗滤液在包气带和含水层中的联合运移模拟,首先利用Hydrus建立包气带模型,模拟垃圾渗滤液中氨氮在包气带中的迁移转化,在此基础上用Visual Modflow软件建立地下含水层模型,对比渗滤液经过包气带过滤和没经过包气带过滤两种情景下的污染范围和程度。模拟结果显示,包气带和含水层联合运移模拟渗滤液泄漏后的运移途径和路线,更接近渗滤液进入含水层的实际情况。     

地下水动态模拟中的随机-确定性研究

确定性和随机性研究都是水文地质学中常用的传统性方法。确定性研究与地下水流模型密切相关,而水文地质学和其它地质学科中的随机研究,由于自然流场的空间变化,其主控因素和现有目标缺乏随机性资料。随机-确定性偶合研究同描述含水层参数或地下水补给率的方法有所不同。地下水补给是通过水文气象和管理条件而随机形成的。因此,地下水动态和水均衡预报模型都包含有补给这一随机项。在本报告中讨论了下列的现实问题:     

区域斜坡不稳定空间预测

将场地斜坡稳定随机模拟分析结果与区域斜坡空间不稳定性预测结合起来,基于层次分析建立了区域斜坡空间破坏概率的多层模糊稳定分析方法,实现了场地斜坡稳定非确定性模型评价结果与区域稳定性研究相结合,借助这一关系模型可以实现空间点评价向空间面评价的过渡．以川南经济开发区区域斜坡空间破坏概率预测为例进行了方法验证,结果显示这种方法可以克服区域斜坡不稳定性评价中的定量化困难,物理意义更加明确．     

地下水污染风险评价的迭置指数法研究综述

目前,我国大部分城市采用地下水作为饮用水源,而地下水污染状况日益严重,地下水污染风险评价作为管理者制定污染防治方案的一种手段,显得尤为重要。地下水污染风险评价虽然已经有一定范围的应用,但对其概念并没有统一的定义,因此,在总结国内外地下水污染风险评价研究进展的基础上,提出地下水污染风险的定义,并重点讨论迭置指数法在地下水污染风险评价中的应用,并在此基础上提出存在的问题及建议。     

地下水污染风险源识别与分级方法

由于目前缺乏一套完整成熟的地下水污染风险源准确识别与分级方法, 在综合解析污染源结构、污染物输移过程评价的基础上, 构建了涵盖地下水易污性和地下水污染源两部分多因素耦合的风险源识别模型, 其中从污染源特性和污染物性质两方面建立了污染源危害性评价参数体系.以地下水易污性指数和污染源潜在危害性评价指数作为风险源分级指标, 采用乘积模型进行了风险源的评价与分级.选择某水源地对所建方法进行实例分析, 确定了地下水污染的高风险源区.结果表明, 污染源和地下水易污性共同决定了地下水污染的风险源, 所建方法对地下水污染的预防及污染源的有效监管有重要意义.      

基于多元回归分析的铬污染地下水风险评价方法

土-水分配系数（K_d）是表征重金属污染物在土壤包气带中迁移能力的重要参数,受污染物质量浓度、pH值、有机质质量分数、铁铝氧化物质量分数等多种因素影响。本文通过实验研究了分配系数与各种影响因素之间的关系,基于多元回归分析方法得到了分配系数与影响因素的关系方程;并以分配系数、泄漏量、土壤孔隙度、初始含水率为风险因子建立了地下水污染风险评价方法。以某工厂铬废液的泄露为案例,采用构建的方法进行地下水污染风险评价。结果表明：该处地下水被污染的风险等级为中等。地下水污染风险评价方法的建立为重金属污染地下水的监测管理提供了一种有效方法。     

基于综合方法的地下水污染脆弱性评价——以山东济宁市浅层地下水为例

地下水资源在中国北方对社会经济发展起着不可替代的支撑作用。因此,地下水污染防护十分重要。地下水污染脆弱性评价可以识别出地下水污染高风险区,为地下水资源保护提供一个强有力的决策依据。本文以灾害风险理论为基础提出了地下水污染脆弱性评价模式和指标体系。采用实证权重方法和GIS技术对济宁市北部地下水污染脆弱性进行了评价,并将评价成果应用于济宁市地下水水源保护区划研究。     

基于不确定性的地下水污染风险评价研究进展

地下水污染风险研究在工程决策中具有重要意义。但地下水系统本身具有各种不确定性,基于这些不确定性的地下水污染风险评价也因此具有不确定性,而且贯穿整个地下水污染风险评价过程。所以,进行不确定性分析是对地下水污染风险进行评价时的必要步骤。一般来讲,基于不确定性分析的地下水污染风险评价结果更可靠,因此也更具有实用价值。本文在对不确定性进行分类（随机不确定性和模糊不确定性）的基础上,通过大量文献调研和分析,对目前国内外用于地下水污染风险评价分析的不确定性分析方法（包括随机理论方法、模糊理论方法、随机-模糊耦合方法等）进行了归纳总结,并基于各种方法目前的研究现状,分析了不确定性理论在地下水污染风险评价研究中的发展前景。     

基于GIS的农业面源硝酸盐地下水污染动态风险评价

地下水中的硝酸盐污染具有全球性,这不仅是一个环境问题,也是一个经济和人类健康问题。DRASTIC方法可以进行地下水污染的脆弱性评价,但是却没有涵盖风险的概念,也忽视了污染物随地表水流运动的动态特性。因此,所得结果可能有碍于“欧洲水管理框架指南”在地下水水质管理中的执行。笔者基于DRASTIC方法开发了一个动态风险评价方法,并将其运用于英国北爱尔兰Upper Bann流域中的一个小流域。研究区地下水硝酸盐污染风险评价结果表明,此方法将有效地帮助决策者在流域范围内开展农业面源地下水污染预防措施。“非常高风险”和“高风险”区分别占研究区面积的5.1%和10.5%。此结果可帮助当地政府针对流域内这些“非常高风险”和“高风险”区的特点制订地下水质保护政策。此方法同样适用于任何面源可溶性污染物的地下水污染动态风险评价。     

某金矿区农田土壤重金属污染的人体健康风险

环境重金属污染的人体健康效应是当今社会最为关注的重大环境问题。某金矿区矿业活动导致土壤、地下水、农作物中重金属元素存在不同程度的累积或超标。通过土壤、地下水、蔬菜及粮食作物的样品采集,人群暴露问卷调查,获得了暴露人群的膳食结构参数。以农田土壤中7种重金属元素的综合污染分区内的土壤、地下水、蔬菜、小麦玉米等样品中的重金属元素的平均含量为依据,采用USEPA推荐的人体健康风险评价模型,计算了经口食入、皮肤接触等暴露途径对成年人的健康风险概率。研究表明,研究区存在因重金属导致的不可接受的人体健康高非致癌风险和致癌风险。总体而言,土壤重金属污染愈重地区,区内人体健康风险愈高。地下水中的Cr元素、土壤综合污染区内的Hg元素、污染区内的蔬菜及粮食是危害人体健康的重要因素。因此,禁饮Cr含量高的地下水、禁食污染区内的农作物、修复土壤重金属污染、调整农作物种植结构是保护研究区人群健康的重要环境管理工作。     

Application of uncertainty analysis to groundwater pollution modeling

Prediction and evaluation of pollution of the subsurface environment and planning remedial actions at existing sites may be useful for siting and designing new land-based waste treatment or disposal facilities. Most models used to make such predictions assume that the system behaves deterministically. A variety of factors, however, introduce uncertainty into the model predictions. The factors include model and pollution transport parameters and geometric uncertainty. The Monte Carlo technique is applied to evaluate the uncertainty, as illustrated by applying three analytical groundwater pollution transport models. The uncertainty analysis provides estimates of statistical reliability in model outputs of pollution concentration and arrival time. Examples are provided that demonstrate: (a) confidence limits around predicted values of concentration and arrival time can be obtained, (b) the selection of probability distributions for input parameters affects the output variables, and (c) the probability distribution of the output variables can be different from that of the input variables, even when all input parameters have the same probability distribution     

机器学习在地下水环境背景值与污染风险评价的应用和展望

地下水资源在世界各国水资源中占有举足轻重的地位,对人类生存发展、维系生态系统健康发挥着重要作用。现阶段地下水污染日益严重,地下水环境背景值研究和污染风险评价对地下水污染防治工作具有重要意义。由于地下水污染影响因素复杂,地下水化学组分空间分布的非均质性、地下水样品采集的小样本问题与大尺度区域的高计算代价,都对传统的污染风险评价方法构成了极大挑战。机器学习作为人工智能的核心,已成为水文地质领域研究的前沿热点,通过智能高效的数据处理和挖掘,在地下水化学组分的分布、变化以及赋存机制等方向已得到探索和尝试。本文全面介绍了近年来在地下水污染研究方面应用的机器学习方法,涵盖了以聚类为主的非监督学习算法,以回归为主的监督学习算法,以提升算法效率为目标的混合算法,以及以神经网络为核心的深度结构算法,展示了不同类型算法在地下水污染研究方面的成果,详细归纳了各种算法的机理,对算法的技术优劣及适用方向进行了探讨;最后对机器学习在地下水污染方面的应用发展趋势进行了展望,建议探索高效集成学习模型,以弥补单一算法的不足,同时发展面向小样本的深度学习建模技术,提高地下水污染评价精度,拓展和丰富新方法新技术在地下水污染研究方面的应用。     

区域地下水系统防污性能评价方法探讨与验证——以鲁北平原为例

区域地下水系统防污性能评价,面临影响因子多又复杂、评价指标难以客观性选定和权重不易确定等难题,以至严重影响评价结果的可信性。本文以鲁北平原为例,在以往地下水脆弱性评价常用的DRASTIC模型基础上,采用创新的迭置指数方法,改进为"DRITCS法",选择地下水位埋深、包气带综合岩性、地表2 m内单层厚度大于0.5 m的粘土层厚、含水砂层厚度及其渗透系数、和地下水净补给量等因子,组成区域地下水系统防污性能评价模型。合理地确定了区域地下水系统防污性能评价中关键指标——包气带粘性土层变化影响,并在鲁北平原示范性应用和通过以面源污染为主的三氮污染现状验证的结果表明:本文提出的方法能够客观地反映流域性相变造成的地下水系统防污性能空间差异性和区位分布特征,具有较强的实用性。