基于复合型进化算法的地下水污染反演模型
发布时间：2021-08-24 01:45
污染源位置和污染物排放浓度的快速确定直接决定着地下水污染的有效治理及修复,这属于地下水反演问题。通过充分分析地下水污染反演问题,耦合地下水流模拟程序MODFLOW、溶质运移模拟程序MT3DMS和优化算法SCE-UA,设计了一种模拟-优化（S/O）反演模型。通过实例验证,反演结果表明:提出的网格遍历GT算法可以自动验证潜在污染区内所有可能的污染源位置组合方式;与传统地下水污染反演模型相比,S/O模型不但能够适用于稳定流条件,而且适用于非稳定流条件;所开发的S/O模型对于多污染源分别在稳定流和非稳定流下的反演均有非常高的精度,能够准确反演污染源位置及污染物排放浓度。
【文章来源】：人民黄河. 2019,41(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
模型结构及主要模块之间的联系1．1地下水控制方程
1．3遍历寻优(GT)算法进行地下水污染源反演时污染源的位置往往是未知的。解决此类问题通常的做法是通过实地调查和查阅有关资料预先划定一个潜在子区域，确保所有可能的污染源组合落在这个子区域中，见图2。图2GT算法说明本次研究开发了一种可以自动搜索预定义子区域中多个污染源所有可能位置组合的网格遍历GT算法。在GT算法中，开始单元格分别通过行、列、层号索引变量Ｒmin、Cmin、Lmin界定预定义子区域的上边界，结束单元格分别通过行、列、层号索引变量Ｒmax、Cmax、Lmax界定预定义子区域的下边界，所有可能的污染源组合通过以上6个变量遍历。整个搜索过程通过FOＲTＲAN语言编写的计算机程序进行，并与S/O优化模型链接。对于非稳定流问题的反演，GT算法将遍历每一个应力期内所有污染源位置的组合，并通过判断目标函数ＲE值来获得最优解。反演问题的复杂性随着污染源个数的增加而增加，例如预定义子区域包含16个单元格，如果只有1个污染源，那么可能的污染源位置为16个;如果污染源的个数是2个，那么可能的污染源位置组合为120个;如果污染源的个数是3个，那么可能的污染源位置组合为560个。2模拟－优化模型2．1目标函数及标准化差公式S/O模型在反演过程中通过目标函数ＲE值调整SCE－UA算法中种群的进化，通过标准化差值NE检验反演结果的精确性和鲁棒性。(1)目标函数。目标函数用来判断监测井实测污染物浓度与S/O模型模拟污染物浓度的吻合程度，目标函数的选择对反演结果的优劣至关重要，它是SCE－UA算法进化寻优的基础。目标函数定义为ＲEt
?文件，如WEL、SSM和BTN文件等。②MODFLOW和MT3DMS模拟计算监测井污染物浓度，并与监测浓度相比较，计算ＲE值，如果ＲE值小于收敛指标，认为反演值与实际情况一致，则进行下一个应力期的反演;如果ＲE值大于收敛指标，SCE－UA算法根据ＲE值，通过变异、反射和进化对污染源污染物浓度值优化，继续重设MODFLOW和MT3DMS的相关输入文件。在一个应力期内当所有可能的污染源位置都通过GT算法被验证后，反演过程将会移向下一个应力期。S/O模型链接过程见图3。图3模拟模型和优化模型的链接3案例研究S/O反演模型的反演效果分别通过以下两个案例进行验证:案例1为稳定流条件，有两个污染源但位置未知，只知道可能存在的范围，通过4个监测井的监测浓度值反演污染源的位置和污染物浓度排放值;案例2更接近于实际情况，为包含3个应力期的非稳定流条件，有两个位置未知的污染源，且污染源污染物排放浓度在每个应力期均不相同，通过6个监测井的监测浓度值反演不同应力期污染源的位置和污染物排放浓度。案例研究参考ＲAJ等［17］进行地下水污染源反演验证时所设计的模拟河间地块地下水流动情况的实例模型(见图4)。本次案例研究的主要目的是评价S/O模型的反演效果，因此在地下水数值建模时对研究区水文地质条件进行了一定程度的概化。数值模型在横向上剖分成规格为100m×100m的正方形网格，纵向上剖分为1层。模型区东、西边界分别为给定水头边界(东边界为88m，西边界为100m)，南、北边界分别为隔水边界。S/O模型相关参数见表1。图4案例实景表1S/O反演模型参数参数参数值参数?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于贝叶斯推理与改进的MCMC方法反演地下水污染源释放历史[J]. 顾文龙,卢文喜,张宇,肖传宁. 水利学报. 2016(06)
[2]基于和声搜索算法的地下水污染源与未知含水层参数的同步反演研究[J]. 江思珉,蔡奕,王敏,周念清. 水利学报. 2012(12)
[3]地下水污染源反演的Hooke-Jeeves吸引扩散粒子群混合算法[J]. 江思珉,王佩,施小清,郑茂辉. 吉林大学学报(地球科学版). 2012(06)
本文编号：3359023
【文章来源】：人民黄河. 2019,41(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
模型结构及主要模块之间的联系1．1地下水控制方程
1．3遍历寻优(GT)算法进行地下水污染源反演时污染源的位置往往是未知的。解决此类问题通常的做法是通过实地调查和查阅有关资料预先划定一个潜在子区域，确保所有可能的污染源组合落在这个子区域中，见图2。图2GT算法说明本次研究开发了一种可以自动搜索预定义子区域中多个污染源所有可能位置组合的网格遍历GT算法。在GT算法中，开始单元格分别通过行、列、层号索引变量Ｒmin、Cmin、Lmin界定预定义子区域的上边界，结束单元格分别通过行、列、层号索引变量Ｒmax、Cmax、Lmax界定预定义子区域的下边界，所有可能的污染源组合通过以上6个变量遍历。整个搜索过程通过FOＲTＲAN语言编写的计算机程序进行，并与S/O优化模型链接。对于非稳定流问题的反演，GT算法将遍历每一个应力期内所有污染源位置的组合，并通过判断目标函数ＲE值来获得最优解。反演问题的复杂性随着污染源个数的增加而增加，例如预定义子区域包含16个单元格，如果只有1个污染源，那么可能的污染源位置为16个;如果污染源的个数是2个，那么可能的污染源位置组合为120个;如果污染源的个数是3个，那么可能的污染源位置组合为560个。2模拟－优化模型2．1目标函数及标准化差公式S/O模型在反演过程中通过目标函数ＲE值调整SCE－UA算法中种群的进化，通过标准化差值NE检验反演结果的精确性和鲁棒性。(1)目标函数。目标函数用来判断监测井实测污染物浓度与S/O模型模拟污染物浓度的吻合程度，目标函数的选择对反演结果的优劣至关重要，它是SCE－UA算法进化寻优的基础。目标函数定义为ＲEt
?文件，如WEL、SSM和BTN文件等。②MODFLOW和MT3DMS模拟计算监测井污染物浓度，并与监测浓度相比较，计算ＲE值，如果ＲE值小于收敛指标，认为反演值与实际情况一致，则进行下一个应力期的反演;如果ＲE值大于收敛指标，SCE－UA算法根据ＲE值，通过变异、反射和进化对污染源污染物浓度值优化，继续重设MODFLOW和MT3DMS的相关输入文件。在一个应力期内当所有可能的污染源位置都通过GT算法被验证后，反演过程将会移向下一个应力期。S/O模型链接过程见图3。图3模拟模型和优化模型的链接3案例研究S/O反演模型的反演效果分别通过以下两个案例进行验证:案例1为稳定流条件，有两个污染源但位置未知，只知道可能存在的范围，通过4个监测井的监测浓度值反演污染源的位置和污染物浓度排放值;案例2更接近于实际情况，为包含3个应力期的非稳定流条件，有两个位置未知的污染源，且污染源污染物排放浓度在每个应力期均不相同，通过6个监测井的监测浓度值反演不同应力期污染源的位置和污染物排放浓度。案例研究参考ＲAJ等［17］进行地下水污染源反演验证时所设计的模拟河间地块地下水流动情况的实例模型(见图4)。本次案例研究的主要目的是评价S/O模型的反演效果，因此在地下水数值建模时对研究区水文地质条件进行了一定程度的概化。数值模型在横向上剖分成规格为100m×100m的正方形网格，纵向上剖分为1层。模型区东、西边界分别为给定水头边界(东边界为88m，西边界为100m)，南、北边界分别为隔水边界。S/O模型相关参数见表1。图4案例实景表1S/O反演模型参数参数参数值参数?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于贝叶斯推理与改进的MCMC方法反演地下水污染源释放历史[J]. 顾文龙,卢文喜,张宇,肖传宁. 水利学报. 2016(06)
[2]基于和声搜索算法的地下水污染源与未知含水层参数的同步反演研究[J]. 江思珉,蔡奕,王敏,周念清. 水利学报. 2012(12)
[3]地下水污染源反演的Hooke-Jeeves吸引扩散粒子群混合算法[J]. 江思珉,王佩,施小清,郑茂辉. 吉林大学学报(地球科学版). 2012(06)
本文编号：3359023
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