[發明專利]正交設計和GMS耦合的地下水污染物水力截獲優化方法

在審

• 申請號: 201310469018.1
• 申請日: 2013-10-09
• 公開（公告）號: CN103514489A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 李海明;馬斌;張榮海
• 申請（專利權）人: 天津科技大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及地下水污染物水力截獲方案優化的方法，具體說是利用正交設計和地下水數值模擬軟件GMS(Groundwater?Modeling?System)對水力截獲方案進行優化設計的方法。

技術背景

地下水資源在我國水資源中占有舉足輕重的地位,由于其分布廣、水質好、調蓄能力強、供水保證程度高,正被越來越廣泛地開發利用。然而，隨著社會經濟的發展,大量排放的工業廢水廢物、農業污染物、集約化的畜禽養殖和氮肥的過量使用、城市生活垃圾的恣意排放,以及地下水無序的開發,使地下水逐漸受到污染。我國的地下水污染已經呈現出由點向面演化、由東部向西部擴展、由城市向農村蔓延、由局部向區域擴散的趨勢；污染物組分則由無機向有機發展,危害程度日趨嚴重；地下水污染面積不斷擴大,污染程度不斷加重。地下水污染是我國面臨的嚴峻問題，控制和修復地下水污染是保護我國水資源的重要工作之一。

隨著世界范圍內環境保護意識的不斷加強,地下水污染的范圍不斷加大、程度不斷加深,各國政府相繼頒布大量的法規來優先保護與凈化含水層,國內外學者也廣泛開展了地下水污染控制及修復技術的研究。其中,重要措施之一就是水力截獲技術。水力截獲技術是通過一系列合理布置的抽注水井,最大限度地抽取污染地下水,有效控制污染物運移的一種水動力技術。其核心是根據污染場地的水文地質背景條件、污染物性質及其分布特征,應用滲流理論及最優化理論等學科知識,在污染帶下游設置治理井來形成水力截獲帶。國外自20世紀80年代起陸續開始這方面的報道,尤其是近10年來,研究開展得更加廣泛和深入。研究者發現,用水力截獲技術處理被污染的含水層時,關鍵問題是設計一種有效的截獲系統截取污染的地下水,而不允許污染物運移到下游去。目前,水力截獲技術在國外已被廣泛應用于抽出-處理系統的設計和水源保護區的設置中。

但該技術在應用過程中需要考慮的因子較多，如研究區的水文地質條件、含水層巖性、厚度以及抽水孔數量、間距、單孔抽水量以及布井方式等，而這些因素對水力截獲效果的影響大小？誰是主要影響因素？如何使影響水力截獲效果的因子達到最佳組合，即選取最佳水力截獲方案？這些問題制約了水力截獲技術在處理污染地下水方面的應用和推廣。而目前主要采用人工調試的方法，工作量大、效率低，因此尋找一種很好的優化技術，提高工作效率就成為水力截獲技術在實際中使用的關鍵所在。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在提供一種水力截獲方案優化的方法。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是，正交設計和GMS耦合的地下水污染物水力截獲優化方法，包括如下步驟：

1）確定污染源的位置、規模，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、范圍及污染物濃度的分布特征；

2）收集研究區水文地質資料，確定研究區水文地質參數，包括滲透系數、給水度、降雨入滲系數；

3）對研究區水文地質條件進行概化包括：含水層系統概化、地下水補排條件概化、邊界條件、水文地質參數分區；建立水文地質概念模型，利用地下水模擬系統(GMS)軟件建立研究區水文地質數值模型，并進行水文地質參數識別與檢驗；

4）利用正交設計方法，選取影響水力截獲效果的因子包括：抽水孔數量、間距、單孔抽水量以及布井方式；確定影響因素水平和目標函數：包括截獲帶面積、污染物去除率和截獲量；利用標準正交表對各因子不同水平進行組合，形成不同的水力截獲方案；

5）利用地下水模擬系統(GMS)軟件對正交設計選取的不同水力截獲方案進行情景模擬，利用正交設計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(GMS)軟件對最佳截獲方案進行模擬，確定最佳方案的水力截獲效果；

7）根據場地水文地質條件，最后確定包括水力截獲帶的規模、形態、截獲井抽水量、截獲井的數量及間距的主要參數，確定適合實際條件的水力截獲方案。

本發明具備下列技術效果：

本發明創造性的將正交設計應用到水力截獲方案優化設計之中，靈活的將正交設計優點和地下水模擬系統(GMS)軟件優秀的可視化功能、強大的數值模擬功能優點耦合，克服了水力截獲方案設計的盲目性，大大減少了水力截獲優化和地下水建模的工作量，縮短了設計時間。該方法具有費用少、操作靈活、適用性強的特點，適用于有明顯風險污染源的場地，用于解決目前水力截獲技術應用過程中存在的影響因數設別難、優化工作量大、處理效果優化不理想的問題。

附圖說明