基于Cole-Cole模型的铬污染土壤时频域联合反演算法的研究

发布时间：2018-03-05 08:16

本文选题：重金属污染　切入点：复电阻率法　出处：《山东师范大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：目前我国土壤正遭受着严重的重金属污染，总体表现为：污染元素趋向多样化，污染范围更加广阔，污染程度更加严重，这些问题已严重影响了国家农业、工业的健康可持续发展，更是给人类以及动物的生命健康带来极大的威胁。因此，重金属污染场地的修复工作刻不容缓，但要进行污染场地修复，须先明确场地的具体范围和污染程度，还要进行土壤地质条件的取样分析，这就需要进行污染探测工作。传统的污染探测方法是钻探取样结合室内化学分析，钻探取样可大致界定出污染范围，但是受到地质条件的影响，准确性无法保证，而且浪费大量的人力、物力；化学分析对于污染元素的种类和污染程度的鉴定比较准确，但是又浪费了大量的时间。总之，该方法的低效性导致我国重金属污染场地探测工作的开展进度缓慢。复电阻率是物探领域广泛使用的一种探测方法，但是在土壤复电阻率方面的研究还很少。本文对该方法应用于铬金属污染土壤的探测进行了研究，主要包括Cole-Cole模型参数拟合算法的研究，从而验证Cole-Cole模型作为土壤电路模型的有效性，为建立土壤物理参数与Cole-Cole模型参数之间的量化关系提供了依据，推动了重金属污染探测的实际应用。铬污染土壤物理参数的变化会引起土壤电学参数的变化，找到土壤物理参数和土壤电学参数之间的内在关系将对重金属污染场地的探测和修复工作带来巨大的推动作用。关于铬金属污染场地的研究已进行多年，本文在刘豪睿等人的研究基础上，继续选择复电阻率法作为铬污染土壤的探测方法，选择Cole-Cole模型作为土壤复电阻率的电路模型，采用时频域联合测量的方法采集实验数据，从频率域测量中获得土壤复电阻率的四个分量，，从时间域测量中获取直流电阻率和充电率作为先验数据，进行Cole-Cole模型参数的拟合，进而验证了该模型有效性。 Cole-Cole模型参数的拟合是本课题的重点，本文采用模拟退火算法进行参数拟合。通俗来讲，该算法是模拟固体退火的思想来求解函数最小值的一种方法，它适合解决大规模组合优化问题，具有不依赖于初始解、描述简单、参数设置灵活多变的特点，而且它具有运行效率高和可达到全局最优的优点。针对复电阻率数据进行参数拟合，该算法可从根本上保证了参数解为实数的要求。为了获得更好的优化效果，本文还对模拟退火算法进行了改进，在算法的状态接受函数中引入了遗传算法中交叉和变异的思想，模拟退火与遗传算法的结合有效克服了模拟退火搜索效率逐步降低的问题，也有效克服了遗传算法的早熟现象，使得优化效果得到进一步改善。本文的研究内容主要包括：第一章介绍了重金属污染土壤的现状，探讨了铬金属污染场地探测的必要性，总结了污染探测技术的发展现状，最后提出了本论文的研究思路和主要研究内容。第二章介绍了土壤极化理论，为电法测量提供了理论依据，将描述岩石电阻率的Cole-Cole模型作为土壤的电路模型，并根据已有的研究结论，详细介绍了Cole-Cole模型参数的物理意义；第三章为铬污染土壤复电阻率特性的研究，包括实验内容和方法，以及对土壤复电阻率特性结果的分析；第四章为基于土壤复电阻率模型反演的参数拟合，主要包括模拟退火算法的研究，并进行算法的改进，得到了更好的参数拟合效果，并根据拟合结果验证了Cole-Cole模型的有效性和算法的稳定性。第六章总结本文的主要研究内容，并展望今后论文的研究工作。
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【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X53;P631.322

【参考文献】