正交設(shè)計(jì)和gms耦合的地下水污染物水力截獲優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及地下水污染物水力截獲方案優(yōu)化的方法，為提供一種水力截獲方案優(yōu)化的方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，正交設(shè)計(jì)和GMS耦合的地下水污染物水力截獲優(yōu)化方法，包括如下步驟：1）確定污染源的位置、規(guī)模，明確地下水中的主要污染物；2）收集研究區(qū)水文地質(zhì)資料，確定研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)；3）對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化；4）利用正交設(shè)計(jì)方法，選取影響水力截獲效果的因子；5）利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件對(duì)正交設(shè)計(jì)選取的不同水力截獲方案進(jìn)行情景模擬；6）確定最佳方案的水力截獲效果；7）根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，最后確定適合實(shí)際條件的水力截獲方案。本發(fā)明主要應(yīng)用于水污染物水力截獲。
【專利說(shuō)明】正交設(shè)計(jì)和GMS耦合的地下水污染物水力截獲優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地下水污染物水力截獲方案優(yōu)化的方法，具體說(shuō)是利用正交設(shè)計(jì)和地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS (Groundwater Modeling System)對(duì)水力截獲方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。
技術(shù)背景
[0002]地下水資源在我國(guó)水資源中占有舉足輕重的地位，由于其分布廣、水質(zhì)好、調(diào)蓄能力強(qiáng)、供水保證程度高，正被越來(lái)越廣泛地開(kāi)發(fā)利用。然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量排放的工業(yè)廢水廢物、農(nóng)業(yè)污染物、集約化的畜禽養(yǎng)殖和氮肥的過(guò)量使用、城市生活垃圾的恣意排放，以及地下水無(wú)序的開(kāi)發(fā)，使地下水逐漸受到污染。我國(guó)的地下水污染已經(jīng)呈現(xiàn)出由點(diǎn)向面演化、由東部向西部擴(kuò)展、由城市向農(nóng)村蔓延、由局部向區(qū)域擴(kuò)散的趨勢(shì)；污染物組分則由無(wú)機(jī)向有機(jī)發(fā)展，危害程度日趨嚴(yán)重；地下水污染面積不斷擴(kuò)大，污染程度不斷加重。地下水污染是我國(guó)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題，控制和修復(fù)地下水污染是保護(hù)我國(guó)水資源的重要工作之一。
[0003]隨著世界范圍內(nèi)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)，地下水污染的范圍不斷加大、程度不斷加深，各國(guó)政府相繼頒布大量的法規(guī)來(lái)優(yōu)先保護(hù)與凈化含水層，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也廣泛開(kāi)展了地下水污染控制及修復(fù)技術(shù)的研究。其中，重要措施之一就是水力截獲技術(shù)。水力截獲技術(shù)是通過(guò)一系列合理布置的抽注水井，最大限度地抽取污染地下水，有效控制污染物運(yùn)移的一種水動(dòng)力技術(shù)。其核心是根據(jù)污染場(chǎng)地的水文地質(zhì)背景條件、污染物性質(zhì)及其分布特征，應(yīng)用滲流理論及最優(yōu)化理論等學(xué)科知識(shí)，在污染帶下游設(shè)置治理井來(lái)形成水力截獲帶。國(guó)外自20世紀(jì)80年代起陸續(xù)開(kāi)始這方面的報(bào)道，尤其是近10年來(lái)，研究開(kāi)展得更加廣泛和深入。研究者發(fā)現(xiàn)，用水力截獲技術(shù)處理被污染的含水層時(shí)，關(guān)鍵問(wèn)題是設(shè)計(jì)一種有效的截獲系統(tǒng)截取污染的地下水，而不允許污染物運(yùn)移到下游去。目前，水力截獲技術(shù)在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用于抽出-處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和水源保護(hù)區(qū)的設(shè)置中。
[0004]但該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中需要考慮的因子較多，如研究區(qū)的水文地質(zhì)條件、含水層巖性、厚度以及抽水孔數(shù)量、間距、單孔抽水量以及布井方式等，而這些因素對(duì)水力截獲效果的影響大小？誰(shuí)是主要影響因素？如何使影響水力截獲效果的因子達(dá)到最佳組合，即選取最佳水力截獲方案？這些問(wèn)題制約了水力截獲技術(shù)在處理污染地下水方面的應(yīng)用和推廣。而目前主要采用人工調(diào)試的方法，工作量大、效率低，因此尋找一種很好的優(yōu)化技術(shù)，提高工作效率就成為水力截獲技術(shù)在實(shí)際中使用的關(guān)鍵所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種水力截獲方案優(yōu)化的方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，正交設(shè)計(jì)和GMS耦合的地下水污染物水力截獲優(yōu)化方法，包括如下步驟:
[0006]I)確定污染源的位置、規(guī)模，明確地下水中的主要污染物；查明含水層污染羽的分布形態(tài)、范圍及污染物濃度的分布特征；
[0007]2)收集研究區(qū)水文地質(zhì)資料，確定研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，包括滲透系數(shù)、給水度、降雨入滲系數(shù)；
[0008]3)對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化包括:含水層系統(tǒng)概化、地下水補(bǔ)排條件概化、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)；建立水文地質(zhì)概念模型，利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件建立研究區(qū)水文地質(zhì)數(shù)值模型，并進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別與檢驗(yàn)；
[0009]4)利用正交設(shè)計(jì)方法，選取影響水力截獲效果的因子包括:抽水孔數(shù)量、間距、單孔抽水量以及布井方式；確定影響因素水平和目標(biāo)函數(shù):包括截獲帶面積、污染物去除率和截獲量；利用標(biāo)準(zhǔn)正交表對(duì)各因子不同水平進(jìn)行組合，形成不同的水力截獲方案；
[0010]5)利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件對(duì)正交設(shè)計(jì)選取的不同水力截獲方案進(jìn)行情景模擬，利用正交設(shè)計(jì)的極大值法確定影響影響水力截獲效果的主要因素以及影響因素排序，最后篩選最佳水力截獲方案；
[0011]6)確定最佳截獲方案后，再利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件對(duì)最佳截獲方案進(jìn)行模擬，確定最佳方案的水力截獲效果；
[0012]7)根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，最后確定包括水力截獲帶的規(guī)模、形態(tài)、截獲井抽水量、截獲井的數(shù)量及間距的主要參數(shù)，確定適合實(shí)際條件的水力截獲方案。
[0013]本發(fā)明具備下列技術(shù)效果:
[0014]本發(fā)明創(chuàng)造性的將正交設(shè)計(jì)應(yīng)用到水力截獲方案優(yōu)化設(shè)計(jì)之中，靈活的將正交設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)和地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件優(yōu)秀的可視化功能、強(qiáng)大的數(shù)值模擬功能優(yōu)點(diǎn)耦合，克服了水力截獲方案設(shè)計(jì)的盲目性，大大減少了水力截獲優(yōu)化和地下水建模的工作量，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。該方法具有費(fèi)用少、操作靈活、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于有明顯風(fēng)險(xiǎn)污染源的場(chǎng)地，用于解決目前水力截獲技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中存在的影響因數(shù)設(shè)別難、優(yōu)化工作量大、處理效果優(yōu)化不理想的問(wèn)題。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1天然條件下水流和六價(jià)鉻運(yùn)移圖，(a)天然條件下水流流場(chǎng)，(b)天然條件下六價(jià)鉻(Cr6+)運(yùn)移2500天結(jié)果。
[0016]圖2最佳方案因子水平組合運(yùn)行結(jié)果，(a)最佳方案水流流場(chǎng)，(b)最佳方案溶質(zhì)運(yùn)移2500天結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明的目的在于提供一種水力截獲方案優(yōu)化的方法，即一種正交設(shè)計(jì)和地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件耦合的去除地下水污染物水力截獲優(yōu)化方法。其步驟包括:
[0018]1.確定污染源的位置、規(guī)模，明確地下水中的主要污染物；查明含水層污染羽的分布形態(tài)、范圍及污染物濃度的分布特征。
[0019]2.收集研究區(qū)水文地質(zhì)資料，確定研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，如滲透系數(shù)、給水度、降雨入滲系數(shù)等。
[0020]3.對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化(如含水層系統(tǒng)概化、地下水補(bǔ)排條件概化、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)等)，建立水文地質(zhì)概念模型，利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件建立研究區(qū)水文地質(zhì)數(shù)值模型，并進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別與檢驗(yàn)。
[0021]4.利用正交設(shè)計(jì)方法，選取影響水力截獲效果的因子(如抽水孔數(shù)量、間距、單孔抽水量以及布井方式等)，確定影響因素水平和目標(biāo)函數(shù)(如截獲帶面積、污染物去除率和截獲量)，利用標(biāo)準(zhǔn)正交表對(duì)各因子不同水平進(jìn)行組合，形成不同的水力截獲方案。
[0022]5.利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件對(duì)正交設(shè)計(jì)選取的不同水力截獲方案進(jìn)行情景模擬，利用正交設(shè)計(jì)的極大值法確定影響影響水力截獲效果的主要因素以及影響因素排序，最后篩選最佳水力截獲方案。
[0023]6.確定最佳截獲方案后，再利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件對(duì)最佳截獲方案進(jìn)行模擬，確定最佳方案的水力截獲效果。
[0024]7.根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，最后確定水力截獲帶的規(guī)模、形態(tài)、截獲井抽水量、截獲井的數(shù)量及間距等主要參數(shù)，確定適合實(shí)際條件的水力截獲方案。
[0025]結(jié)合本發(fā)明的水力截獲技術(shù)優(yōu)化方案提供以下實(shí)施例:
[0026]以某電廠粉煤灰場(chǎng)為研究對(duì)象，采用本發(fā)明提出的優(yōu)化方法，對(duì)粉煤灰場(chǎng)附近區(qū)域的地下水污染物六價(jià)鉻(Cr6+)在天然條件和正交設(shè)計(jì)不同方案下布置水力截獲工程后的溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律和水力截獲效果進(jìn)行對(duì)比研究，最后確定最佳水力截獲方案。
[0027]1.粉煤灰場(chǎng)基本情況
[0028]某粉煤灰場(chǎng)為一平地灰場(chǎng)，占地面積43.9萬(wàn)m2，呈長(zhǎng)方形，東西長(zhǎng)約780m，南北寬約510m。灰場(chǎng)位于某沖洪積扇徑流帶，地下水類型為松散巖類孔隙水，含水層由單一結(jié)構(gòu)的粘土卵礫石和粘土礫石組成，厚度35-40m。地下水為潛水，徑流暢通，富水性較強(qiáng)，單孔出水量大于1000m3/d，滲透系數(shù)10-30m/d。根據(jù)粉煤灰場(chǎng)地及其附近地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，地下水中鉻污染的區(qū)域以粉煤灰場(chǎng)為中心，呈橢圓形分布，長(zhǎng)軸方向?yàn)楸蔽饕荒蠔|向，長(zhǎng)約
4.0km,短軸長(zhǎng)近2.0km,面積約8.0km2,六價(jià)鉻(Cr6+)橢圓形分布的長(zhǎng)軸地下水流向一致，沿長(zhǎng)軸六價(jià)鉻(Cr6+)的含量由北北西向南南東逐漸降低。
[0029]2.建立研究區(qū)水文地質(zhì)數(shù)值模型
[0030]( I)對(duì)粉煤灰場(chǎng)周圍水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化，建立水文地質(zhì)概念模型。
[0031]①含水層系統(tǒng)概化
[0032]本次模擬賦存于沖洪積扇的地下水，模擬范圍北至沖洪積扇扇頂南至沖洪積扇扇尾。該模擬區(qū)下覆巖相以泥流型洪積物與水流型洪積物的交替出現(xiàn)為特征，第四系地層結(jié)構(gòu)以卵礫石為主，同時(shí)夾雜漂石、塊石及粘性土，顆粒粗，透水性好，在模型中將其概化為單層潛水含水層。
[0033]②地下水補(bǔ)排條件概化
[0034]研究區(qū)淺層地下水由沖積扇中上部徑流在到?jīng)_積扇前緣，隨著巖性由粗到細(xì)，徑流條件由好到差，徑流方向大致北西向東南流動(dòng)，在沖積平原受地貌影響一般由西向東流動(dòng)。研究區(qū)淺層孔隙水主要為大氣降水補(bǔ)給、地表水入滲補(bǔ)給以及渠道滲漏補(bǔ)給。地下水排泄方式主要有人工開(kāi)采、潛水蒸發(fā)和側(cè)向徑流。
[0035]③邊界條件
[0036]西邊界及北邊界地下水位埋深變化基本一致，故在模型中將其概化為定水頭邊界，初始水頭值為106米；東南邊界為一河流，在t吳型中概化為定水頭邊界，初始水頭值為102米；其余邊界為零通量邊界。[0037](2)利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件建立研究區(qū)水文地質(zhì)數(shù)值模型，進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別與檢驗(yàn)。本次研究選擇典型的已有水井地下水位作為模型識(shí)別檢驗(yàn)的目標(biāo)。根據(jù)不同時(shí)段水位實(shí)測(cè)值對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)和識(shí)別，輸出計(jì)算流場(chǎng)，驗(yàn)證典型觀測(cè)孔擬合曲線。采用的方法是先正演擬合水位，間接校正參數(shù)的方法。
[0038](3)應(yīng)用所建立的水文地質(zhì)模型對(duì)天然條件下六價(jià)鉻(Cr6+)在含水層中的運(yùn)移進(jìn)行預(yù)測(cè)。如圖1所示，在天然條件下，粉煤灰場(chǎng)附近區(qū)域地下水水流流向?yàn)槲鞅敝翓|南，污染物沿地下水流流向向下游遷移。
[0039]3.正交設(shè)計(jì)
[0040]在正交設(shè)計(jì)中，選取抽水孔數(shù)量、間距、單孔抽水量以及布井方式為影響因子，4因子選取3水平(表1)。目標(biāo)函數(shù)選擇為截獲帶面積、污染物去除率和截獲量。采用L9(34)標(biāo)準(zhǔn)正交表，具體方案安排見(jiàn)表2.[0041]表1水力截獲效果影響因素與水平表
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種正交設(shè)計(jì)和GMS耦合的地下水污染物水力截獲優(yōu)化方法，其特征是，包括如下步驟: 1)確定污染源的位置、規(guī)模，明確地下水中的主要污染物；查明含水層污染羽的分布形態(tài)、范圍及污染物濃度的分布特征； 2)收集研究區(qū)水文地質(zhì)資料，確定研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，包括滲透系數(shù)、給水度、降雨入滲系數(shù)； 3)對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化包括:含水層系統(tǒng)概化、地下水補(bǔ)排條件概化、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)；建立水文地質(zhì)概念模型，利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件建立研究區(qū)水文地質(zhì)數(shù)值模型，并進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別與檢驗(yàn)； 4)利用正交設(shè)計(jì)方法，選取影響水力截獲效果的因子包括:抽水孔數(shù)量、間距、單孔抽水量以及布井方式；確定影響因素水平和目標(biāo)函數(shù):包括截獲帶面積、污染物去除率和截獲量；利用標(biāo)準(zhǔn)正交表對(duì)各因子不同水平進(jìn)行組合，形成不同的水力截獲方案； 5)利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件對(duì)正交設(shè)計(jì)選取的不同水力截獲方案進(jìn)行情景模擬，利用正交設(shè)計(jì)的極大值法確定影響影響水力截獲效果的主要因素以及影響因素排序，最后篩選最佳水力截獲方案； 6)確定最佳截獲方案后，再利用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件對(duì)最佳截獲方案進(jìn)行模擬，確定最佳方案的水力截獲效果； 7)根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，最后確定包括水力截獲帶的規(guī)模、形態(tài)、截獲井抽水量、截獲井的數(shù)量及間距的主要參數(shù)，確定適合實(shí)際條件的水力截獲方案。
【文檔編號(hào)】G06Q50/06GK103514489SQ201310469018
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】李海明, 馬斌, 張榮海 申請(qǐng)人:天津科技大學(xué)