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        基于半空間模型和彌散試驗(yàn)的場地地下水污染物自動溯源算法研究

        2020-12-29 10:14:04王蕾張芳王成鋒徐振飛
        礦產(chǎn)勘查 2020年12期
        關(guān)鍵詞:污染源水位污染物

        王蕾,張芳,王成鋒,徐振飛

        (四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司,四川 成都 610000)

        0 引言

        場地地下水污染具有隱蔽性、復(fù)雜性和突發(fā)性等特點(diǎn),導(dǎo)致污染物的來源識別存在較大困難,快速識別污染源發(fā)生的位置對于場地修復(fù)治理、防控措施的制定具有重要的研究價(jià)值(張辰等,2018)。要展開地下水污染治理工作,首要步驟是根據(jù)有限的觀測數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)模型方法,找出污染源的位置及污染物的運(yùn)移路徑(楊海東等,2014)。目前地下水污染物溯源的方法,主要分為兩大類:地球化學(xué)足跡法和數(shù)學(xué)模擬法(龍玉橋等,2017)。由于污染物的擴(kuò)散和運(yùn)移是一種隨著時間演變的過程,故單獨(dú)使用地球化學(xué)足跡法不能完全解決污染物的溯源問題。而數(shù)學(xué)模擬法的研究多集中于簡單的理想算例(趙勇勝,2012),實(shí)際工程應(yīng)用中,需要考慮研究場地的含水層參數(shù)、污染物類型等因素的影響(陳正俠等,2017),導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型的建立對使用者的專業(yè)素質(zhì)要求較高,這限制了它在普通研究人員和用戶中的推廣使用。

        本文提供一種場地地下水污染物自動溯源算法,該算法利用地球化學(xué)足跡法和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方式,通過彌散實(shí)驗(yàn)獲取研究場地水文地質(zhì)參數(shù)(沈婷婷,2015),將場地巡檢操作和污染物排查經(jīng)驗(yàn)量化為數(shù)學(xué)模型,該模型在研究場地的應(yīng)用將推進(jìn)類似場地地下水監(jiān)測信息服務(wù)的智能化,提高地下水污染源分析研判的效率,縮短污染事故的應(yīng)急處置時間,有效減少地下水污染帶來的環(huán)境破壞,在一定程度上減少因事件而造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。

        1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)地下水資源豐富,區(qū)內(nèi)淺層地下水屬孔隙潛水,受自然地質(zhì)環(huán)境條件的限制,天然防護(hù)條件差,防污性能差,地下水環(huán)境脆弱。當(dāng)生產(chǎn)裝置發(fā)生滲漏時,如不及時監(jiān)測、預(yù)警和采取相應(yīng)處理措施,可能造成嚴(yán)重的地下水污染及快速向下徑流,影響到廠區(qū)下游城鎮(zhèn)及分散農(nóng)戶供水安全(姜鳳成等,2017;陳書客等,2019)。廠區(qū)面積約4.6 km2,廠外排水管線長約77 km,廠內(nèi)合計(jì)監(jiān)測及應(yīng)急抽水井168 口,廠外排水管線及沿線監(jiān)測井25 口,共計(jì)193 口監(jiān)測及應(yīng)急抽水井。針對研究區(qū)的地下水監(jiān)測,已建成地下水監(jiān)測原始數(shù)據(jù)庫和預(yù)警數(shù)據(jù)庫,開發(fā)了地下水監(jiān)測信息管理系統(tǒng),但隨著地下水監(jiān)測工作的深入,廠區(qū)地下水污染防控已經(jīng)由單純的監(jiān)測預(yù)警發(fā)展到污染物溯源、溶質(zhì)運(yùn)移等綜合分析方面,如何實(shí)現(xiàn)地下水異常時的及時溯源是目前工作區(qū)關(guān)注的重點(diǎn)之一,也是目前地下水監(jiān)測領(lǐng)域研究的難點(diǎn)之一。

        本文針對研究區(qū)的水文地質(zhì)條件,研究一套自動溯源模型并將其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)算法,該套算法根據(jù)地下水流場、各裝置特征污染物、各監(jiān)測井水質(zhì)情況進(jìn)行分析判斷,初步實(shí)現(xiàn)污染源追溯功能。算法將適用于具有類似地下水污染風(fēng)險(xiǎn)、布設(shè)有大量監(jiān)測孔的孔隙型場地地下水污染防控工作中。旨在減少由于外部因素對監(jiān)測結(jié)果造成的延判、誤判,為地下水防控提供更加合理、科學(xué)的決策依據(jù)(孫江虎等,2016;孫杰等,2019)。

        2 模型方法

        2.1 彌散試驗(yàn)應(yīng)用

        通過彌散試驗(yàn)得到污染物從試驗(yàn)主孔到各觀測孔的最大和最小時間,從而利用時間位移公式計(jì)算出示蹤劑到達(dá)觀測孔的最小和最大速度。進(jìn)一步的,利用觀測到的水位數(shù)據(jù)和達(dá)西公式,計(jì)算監(jiān)測孔對應(yīng)的水力梯度和滲透系數(shù)。最后利用試驗(yàn)主孔和發(fā)現(xiàn)污染監(jiān)測孔之間水力梯度、最大滲透系數(shù),計(jì)算出污染物通過污染監(jiān)測孔的可能最大速度,從而計(jì)算出污染物向下游可能運(yùn)移到的最大位移(馬佳等,2020;潘云鶴,2001)。

        (1)采用多孔試驗(yàn)法開展彌散試驗(yàn),試驗(yàn)主孔記為ZK1,主流向各觀測孔記為ZGC1、ZGC2……ZGCn,側(cè)向各觀測孔記為CGC1、CGC2……CGCn。

        (2)彌散試驗(yàn)中主流向觀測孔ZGC1、ZGC2……ZGCn第一次捕捉到示蹤劑的時間分別記為TZGC1、TZGC2、……TZGCn,各主流向觀測孔至ZK1的距離分別記為LZGC1、LZGC2、……LZGCn,計(jì)算示蹤劑到達(dá)觀測孔的最大速度Vmax。

        (3)彌散試驗(yàn)中側(cè)向(無限接近垂直)觀測孔CGC1、CGC2……CGCn第一次捕捉到示蹤劑的時間分別記為TCGC1、TCGC2、……TCGCn,各側(cè)向觀測孔至ZK1 的距離分別記為LCGC1、LCGC2、……LCGCn,計(jì)算示蹤劑到達(dá)觀測孔的最小速度Vmin。

        (4)記Vmax和Vmin的對應(yīng)觀測點(diǎn)為GCvmax、GCvmin,計(jì)算機(jī)程序利用觀測點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)通過等值線算法繪制穿過GCvmax、GCvmin的等水位線,得到GCvmax、GCvmin的水位值Hvmax、Hvmin,進(jìn)而計(jì)算出GCvmax、GCvmin點(diǎn)位和試驗(yàn)主孔(ZKGC)之間對應(yīng)的水力梯度Ivmax、Ivmin。

        其中,L為試驗(yàn)主孔到觀測孔的距離,HZ KGC為試驗(yàn)主孔的水位值。

        (5)利用達(dá)西公式,計(jì)算含污染物的流體在GCvmax、GCvmin點(diǎn)位上的滲透系數(shù)K主、K側(cè)。

        (6)針對發(fā)現(xiàn)污染的監(jiān)測點(diǎn)Ji(i=1、2、3...n),根據(jù)第(4)步繪制的等水位線,記Ji 的水位數(shù)據(jù)為HJi,進(jìn)而計(jì)算出Ji水力梯度IJi。

        其中,LJ i為試驗(yàn)主孔到Ji的距離。

        (7)利用達(dá)西公式,計(jì)算污染物通過Ji的可能最大速度VJimax。

        (8)計(jì)算場地裝置發(fā)生泄漏時,在監(jiān)測時間間隔T內(nèi),污染物沿地下水流向運(yùn)移到監(jiān)測點(diǎn)Ji的可能最大距離LJimax。

        2.2 半空間模型

        在一個空間內(nèi),半空間模型將所有樣本分成兩類,對于任意一個樣本xi∈X(X是一個含有m個樣本的樣本集合,i=1,2,…,m)只會有兩個狀態(tài),即f(xi)≥0 或f(xi)<0(王玉琨等,2008;鄭德濤等,1996)。在研究區(qū)的場地上進(jìn)行地下水污染物的溯源模擬,溯源對象(裝置)是否產(chǎn)生污染的狀態(tài)數(shù)據(jù)正好滿足半空間模型的樣本條件(Willem F.Bronsvoort et al.,1993),即裝置泄露和裝置未泄露。為了將裝置泄露的狀態(tài)數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)表達(dá)式將其中的連續(xù)變量表達(dá)出來(方德洲和李淼,2007),建立研究區(qū)適用的半空間模型,劃分半空間Ai、Ai’,i=1、2、3…n,確定污染物溯源的有效搜索半空間是最終溯源的關(guān)鍵。具體實(shí)現(xiàn)方法如下:

        (1)以發(fā)現(xiàn)污染監(jiān)測點(diǎn)Ji為圓心,LJimax為半徑畫圓,該圓圈定的范圍即污染源初始范圍OA。

        (2)以Ji監(jiān)測點(diǎn)等水位線(水位值HJi)為分割法線,從空間上將污染源初始范圍OA分割為兩個半空間A1、A1’,A1內(nèi)的所有監(jiān)測點(diǎn)的水位值小于或等于HJi,即位于Ji下游;A1’內(nèi)的所有監(jiān)測點(diǎn)的水位值大于HJi,即位于Ji上游。

        (3)標(biāo)定兩個半空間的屬性,其中半空間A1置屬性flag(A1)=1、半空間置A1’ 置屬性flag(A1)=0。

        (4)針對屬性flag(A1)=1 的半空間A1內(nèi)所有監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行搜索,如果存在污染點(diǎn),則以水位值最小污染點(diǎn)作為圓心,重復(fù)上述(1)~(3)步驟的操作,直至區(qū)域Ai無其他污染點(diǎn)存在。此時,半空間Ai’即為有效搜索半空間。

        2.3 鎖定污染源

        若有效搜索半空間Ai’內(nèi)只有一個裝置,則該裝置為污染源泄露裝置。若有多個裝置,則在Ai’內(nèi)搜索遍歷所有裝置,并利用半空間模型縮小污染源所在范圍。具體步驟如下:

        (1)利用現(xiàn)有場地的等水位線內(nèi)插得到穿過裝置中心點(diǎn)的等水位線,并將裝置的水位記為HZ j,進(jìn)而根據(jù)觀測主孔和裝置之間的水頭差和距離計(jì)算出裝置對應(yīng)的水力梯度IZ j。

        (2)利用達(dá)西公式和2.1 節(jié)中計(jì)算得出的K側(cè),得到通過裝置Zj的可能最小流速VZjmin。

        (3)計(jì)算監(jiān)測間隔時間T內(nèi),污染物沿地下水流向運(yùn)移到該點(diǎn)的可能最小距離LZjmin。

        (4)以Zj為圓心,以該裝置發(fā)生污染后污染物在T內(nèi)的最小運(yùn)移距離LZjmin為半徑,繪制圓形OB。

        (5)以穿過該裝置的等水位線HZj為分割法線,從空間上將OB分割為兩個空間Bj、Bj’,Bj內(nèi)的所有監(jiān)測點(diǎn)的水位值小于裝置點(diǎn)水位值,即位于裝置下游;Bj’內(nèi)的所有監(jiān)測點(diǎn)的水位值大于或等于裝置點(diǎn)水位值,即位于裝置上游。

        (6)標(biāo)定兩個半空間的屬性,其中半空間Bj置flag(B)=1;半空間Bj’置flag(B)=0,然后過濾掉flag(B)=0 無效半空間,保留有效半空間Bj。

        (7)搜索Ai與Bj的交集區(qū)域內(nèi)除了Ji以外的監(jiān)測井,若存在無污染的監(jiān)測井,則排除該裝置是污染源的可能;若無監(jiān)測井,或者有監(jiān)測井且監(jiān)測井全部污染,則裝置Zj 有可能是污染源,記為Wk,k=1、2、3…m,m為可能發(fā)生滲漏的污染裝置總數(shù)。

        (8)Wk所在的范圍就是污染源所在范圍。

        (9)將監(jiān)測到的污染物類型與Wk內(nèi)的特征污染物類型進(jìn)行比對,具有同類型的污染物的裝置即為泄露裝置,即鎖定污染源。

        3 試驗(yàn)案例

        3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        本課題選擇的研究區(qū)早在2013 年就建立了地下水監(jiān)測信息管理系統(tǒng),系統(tǒng)包含自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測兩大部分,為研究區(qū)的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸、查詢、分析、上報(bào)等工作提供了便捷的管理方式。但隨著業(yè)務(wù)的持續(xù)開展,研究區(qū)地下水污染防控的需求已經(jīng)由單純的監(jiān)測預(yù)警發(fā)展到污染物溯源、溶質(zhì)運(yùn)移等綜合分析方面,而本課題的開展正是為了解決地下水中發(fā)現(xiàn)污染后污染物溯源的難題,課題組將第2 部分的模型方法編寫為計(jì)算機(jī)算法,并形成單獨(dú)的功能模塊供系統(tǒng)調(diào)用,而基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如監(jiān)測井、裝置等)則調(diào)用現(xiàn)有的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,課題的實(shí)驗(yàn)全部在該模塊中展開。

        表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        試驗(yàn)實(shí)施前,課題組通過彌散試驗(yàn)已得到該場地示蹤劑到達(dá)觀測孔的最小和最大速度,并隨機(jī)選擇了兩口污染監(jiān)測井J1,J2,在系統(tǒng)操作界面錄入污染監(jiān)測井編號后,系統(tǒng)依照本算法流程開始了如下計(jì)算。

        第一步:調(diào)取經(jīng)過彌散試驗(yàn)得出示蹤劑到達(dá)觀測孔的最大、最小速度Vmax、Vmin,并自動定位對應(yīng)觀測孔,取出對應(yīng)觀測孔的水位進(jìn)而計(jì)算孔的水力梯度Ivmax、Ivmin,利用達(dá)西公式,計(jì)算出含污染物的流體在GCvmax、GCvmin點(diǎn)位上的滲透系數(shù)K主、K側(cè)。最后,針對本次發(fā)現(xiàn)的污染點(diǎn)J1,J2,計(jì)算其水力梯度IJ1、IJ2和污染物通過這兩個監(jiān)測孔的最大速度VJ1max、VJ2max。輸入J1,J2的記錄觀測時間間隔T,計(jì)算出污染物可能運(yùn)移到檢測孔的最大距離LJ1max、LJ2max。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

        第二步:彌散試驗(yàn)應(yīng)用完成后,算法將繼續(xù)執(zhí)行,利用改進(jìn)后的半空間模型確定本次試驗(yàn)的有效半空間,分別為A1′和A2′,由于J2在J1的下游,最終確定A2′為有效搜索半空間。

        第三步:結(jié)合裝置再次利用改進(jìn)后的半空間模型進(jìn)行污染源范圍的縮小。在半空間A2’內(nèi)搜索到裝置Z1、Z2,發(fā)現(xiàn)Z1內(nèi)對應(yīng)污染監(jiān)測井J1,Z2內(nèi)對應(yīng)無污染監(jiān)測井J3。即可判斷出Z1是疑似滲漏裝置,Z2不是泄露裝置(表2)。

        表2 污染源鎖定

        3.2 效果分析

        通過將上述模型算法應(yīng)用于研究區(qū)現(xiàn)有的地下水監(jiān)測系統(tǒng)中,經(jīng)驗(yàn)證,該模型算法可行,起到了確定或縮小污染源范圍的作用。圖1 為算法驗(yàn)證流程圖。圖2 在監(jiān)測系統(tǒng)上模型運(yùn)行的結(jié)果,最終鎖定一個裝置為疑似污染對象,大大縮小了排查范圍,提高了現(xiàn)場工作人員的工作效率。

        4 結(jié)論

        (1)本文選用的研究場地是項(xiàng)目組成員多年開展地下水監(jiān)測、巡檢和維護(hù)項(xiàng)目的實(shí)施地,是布設(shè)有大量監(jiān)測孔的孔隙型場地。筆者對場地的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及基本水文地質(zhì)參數(shù)等資料均已獲取,故利用彌散試驗(yàn)對污染物的最大、最小運(yùn)移半徑進(jìn)行計(jì)算是較好的選擇。

        (2)將專家經(jīng)驗(yàn)量化為數(shù)學(xué)模型,可以在一定程度上彌補(bǔ)當(dāng)前數(shù)學(xué)模型理想算例脫離現(xiàn)實(shí)的情況,同時將其轉(zhuǎn)化為地下水監(jiān)測系統(tǒng)中的溯源算法并提供系統(tǒng)后臺服務(wù),用戶通過填寫巡檢過程中的相關(guān)參數(shù)來運(yùn)行服務(wù),對用戶的專業(yè)深入程度要求不高,可操作性較強(qiáng)。

        (3)半空間模型結(jié)合場地裝置的泄露狀態(tài)數(shù)據(jù),可以很好地發(fā)揮半空間模型的優(yōu)勢,同時也能提高算法的搜索的效率和準(zhǔn)確率。

        圖1 算法驗(yàn)證流程圖

        圖2 污染物溯源效果

        (4)溯源解析結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)研判基本吻合,因此,基于半空間模型和彌散試驗(yàn)的場地地下水污染物自動溯源算法是可行的。該算法的應(yīng)用可為同類場地地下水污染事件的處理提供參考。

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