基于贝叶斯的地下水污染源识别方法综述

针对不同地下水情况,回顾了地下水污染源识别主要方法,同时将这些方法与基于贝叶斯推理的研究方法进行比较．着重论述基于贝叶斯推理的污染源识别方法,以及其应对不同情况时的演变方法,并对不同情况下贝叶斯推理方法的效果进行评价,同时指出地下水污染源识别的贝叶斯推理方法中存在的相关问题,即地下水系统的不确定性和贝叶斯推理方法的局限性．在这些研究的基础上,对后续基于贝叶斯推理方法的地下水污染源识别研究的主要工作提出了包含优化贝叶斯推理方法、完善问题模型、融合不容方法在内的展望．     

地下水污染监测井优化设计及污染源识别

在地下水污染源识别过程中,针对监测井监测值信息量不充分或监测值与模型参数关联性较弱的问题,提出一种基于贝叶斯公式与信息熵的监测井优化方法.构建二维地下水溶质运移模型,并运用GMS软件进行数值求解.为减少监测井优化设计及污染源识别过程中反复调用数值模型的计算负荷,采用克里金法建立数值模型的替代模型.以信息熵作为优化指标,筛选出不同监测类型的最优监测方案,并以监测成本和反演精度为参考因素,选定相应监测方案,最后运用差分进化自适应Metropolis算法进行污染源识别.算例研究表明:7口监测井的克里金替代模型的决定系数均大于0.98,可较好地替代原数值模型.基于监测成本最小的方案1(3号单井),其信息熵为12.772;兼顾监测成本和反演精度的方案2(井(2,3)组合),其信息熵为9.723;基于反演精度较高的方案3(3井(2,3,5)组合),其信息熵为9.377.方案1到方案3参数后验分布范围及标准差均逐渐减小,验证了信息熵是参数后验分布不确定性的有效量度.     

基于Bayesian-MCMC方法的水体污染识别反问题

针对具有不适定性的环境水力学反问题,基于贝叶斯推理和二维水质模型建立水体污染识别反演模型,运用马尔科夫链蒙特卡罗法抽样获得污染源源强、污染源位置和污染泄漏时间等模型参数的后验概率分布和统计结果.实例研究结果表明,基于马尔科夫链蒙特卡罗抽样算法的贝叶斯推理可以较好地用来实现水体污染识别,具有识别精度高,误差小的特点,其可靠性和稳定性高于混合遗传模式搜索优化算法.     

河流突发性污染事故反演模型建模及其应用

以污染源识别问题为例,采用时空全域径向基函数配点法建立河流突发性污染事故反演模型,通过污染事故发生地下游断面监测数据来反演污染源的排放历史。数值实验表明,反演模型不仅能准确识别一维和二维河流突发性事故中的污染源历史,以及污染物浓度的时空分布,而且能控制反演解的误差水平与输入测量数据的误差水平保持一致。反演模型应用于2005年11月13日松花江重大水污染事故,根据下游巴彦港断面硝基苯实测浓度准确反演了上游苏家屯断面硝基苯浓度随时间变化过程,反演浓度峰值误差为15.8%。     

基于Visual Modflow地下水污染物溶质运移的模拟

垃圾填埋场渗滤液向地下含水层的渗漏是地下水受到污染的一个重要因素,而地下水溶质运移模型是找出污染迁移规律、确定污染范围及污染物浓度分布的重要手段。为研究垃圾填埋场渗滤液对周边地下水的污染状况,本文基于地下水流动模型Visual Modflow和多组分溶质运移模型MT3DMS软件平台之上,通过建立的三维数学模型预测了研究区域未来30年内特征污染物Cl-的污染羽迁移范围。模拟分析结果表明:距污染源越近污染物浓度越高,主要危害沿地下水流动方向的远场地地表水和浅层地下水,深层地下水和污染源上游不受影响;污染物不易污染深层地下水,但是在深层地下水中的迁移速度最大;湖泊对溶质有持续捕获作用;在污染源周围开采地下水会影响溶质迁移速度和方向。上述结果为垃圾场防渗措施的选择和地下水的治理、修复提供了定量依据。     

基于贝叶斯推断的时变流场下污染源反演

对5个不同位置的污染源分别做污染物扩散数值模拟,将其计算结果作为测量浓度;利用伴随方程计算时变流场下传感器的模拟浓度。通过测量浓度和模拟浓度构造似然函数,基于贝叶斯推断计算了在时变流场下污染源参数的后验概率。结果表明：污染源参数反演的误差取决于测量浓度与模拟浓度之间的误差。当污染源与传感器的距离较远时,污染源参数的后验概率呈较宽的分布,反演结果具有较大的不确定性;当污染源与传感器距离较近时,反演结果的不确定性得到了显著的降低。此外,还讨论了反演污染源参数时,利用污染物扩散不同阶段的测量数据对反演效果的影响。发现利用扩散初始阶段的测量浓度反演源位置,可以得到比利用稳定阶段数据时更小的反演误差和后验概率标准差,但效果没有得到显著提升。     

基于伴随方程和MCMC方法的室内污染源反演模型研究

研究了室内污染物扩散后的源反演方法.通过数值求解浓度场的伴随方程,并结合传感器测量信息,构造似然函数;利用基于贝叶斯推断理论的MarkovChainMonte Carlo(MCMC)抽样方法,对污染源的位置、强度的后验概率进行计算,反演结果与污染源的真实参数吻合.该方法与传统的室内污染物反演方法相比,极大地降低了计算量.此外,还讨论了传感器性能对结果的影响,研究表明传感器误差概率分布越平坦,污染源反演信息的不确定度越大;而过低的测量灵敏度,则会导致反演结果呈现多个局部极值点的特性.     

尾矿库堆积过程污染物运移模拟分析

以攀西地区安宁河流域某尾矿库为例,在分析库区水文地质条件基础上,利用Stiff图进行了库区地下、地表水水化学组分对比分析,结果表明安宁河旁井水水质受尾矿库影响较大。进一步选取典型剖面,利用Visual MODFLOW软件建立了二维地下水流模型和污染物运移模型,取得了典型剖面的地下水动力场,对现状尾矿库进行时空离散化,将其20a的尾矿堆积过程概化为动态变化的污染源边界,基于水化学分析结果选取氟化物作为模拟因子。根据尾矿库下游井点氟化物浓度的观测数据反演了污染源的污染强度,模拟结果也证明该尾矿库防渗措施不够严密,导致了库下游地下水的污染。     

垃圾填埋场地下水污染预测与环境风险评价

为评价垃圾填埋场对周围环境的污染风险,在识别阜新垃圾填埋场主要风险物质及潜在环境风险事故类型的基础上,根据渗滤液污染地下水的幕景假设,建立对流-弥散-吸附-维水质风险模型,预测地下水污染情况,并采用健康风险评价模型评价环境风险。结果表明：该垃圾填埋场的主要风险物质是垃圾渗滤液和填埋气体;渗滤液污染地下水是该垃圾填埋场的最大可信事故;NH3-N、Hg、Fe和Mn在预测期的最大质量浓度均超过地下水Ⅲ类水质标准;阜新市垃圾填埋场渗滤液渗漏污染地下水属于可接受风险。该结果可为有效降低垃圾填埋场对周围环境的污染风险提供依据。     

一种基于稀疏正则化的地下水点污染源识别法

提出了一种基于稀疏正则化的方法识别地下水点污染源。首先,对地下水一维对流-弥散方程时域有限元格式进行拉普拉斯变换得到频域方程,然后建立以l1范数项为约束的地下水点污染源识别问题的目标函数,从而克服空间分布稀疏的点污染源识别问题的不适定性;接着,利用交替优化法进行迭代求解。研究结果表明,所提方法能在噪声条件下有效识别地下水点污染源的位置和强度变化。     

大气化学传输模式CAMx的伴随模式:构建及应用

在大气化学传输模式CAMx的基础上,用人工编写代码的方法,构建其伴随模式,并通过数值试验,对伴随模式程序进行了检验.应用CAMx及其伴随模式,针对珠江三角洲地区空气污染进行数值模拟和敏感性分析,计算了地面二氧化硫和臭氧关于污染物排放源的敏感性,并用数值方法探讨了线性敏感系数的适用范围,可为深入研究该地区污染机理和控制策略提供重要依据.用伴随模式可以高效率地计算目标函数关于多个输入变量的敏感性,显著地扩展了原模式的功能,为大气环境优化控制和大气化学数据同化等科学问题提供了有力的研究工具.     

基于负梯度法的供水管网污染源识别

利用负梯度法研究供水管网突发污染事故时污染源识别问题.首先针对供水管网的污染源识别问题构建最优化问题数学模型,然后用EPANET作为内嵌的水质模拟计算引擎,沿着目标函数的负梯度方向进行问题的最优解搜索,并针对管网算例,对污染源侵入时间、地点和侵入过程进行计算求解.分析差分步长、梯度求解方法等因素对问题求解效率的影响,结果表明采用基于水质模拟的差分法求解梯度向量并以水质公差作为差分步长,具有最好的求解效果.     

基于不确定性分析的IMPULSE模型预测能力评价

为解决分布式参数非点源污染(IMPULSE)模型不确定性分析中采样量和计算量过大的问题,在Bayes概率理论基础上,构建了基于Sobol序列的GLUE算法,用来描述多种扰动因素共同作用下的全局参数不确定性,从而对模型预测能力进行全面评价。将该方法应用于IMPULSE模型,对分布式参数的全局进行不确定性分析。结果表明:该模型结构优良,具有良好的预测能力,对空间不确定性有较高的预测稳定性和鲁棒性,可以满足实际流域污染模拟需要。     

地下水及其污染研究的反问题方法

介绍了基于数理方程(输运方程)模型的地下水问题研究概况及进展趋势,分析了涉及地下水污染的几个关键数学问题．指出主要是鉴于地下水的埋藏特点及其数据的不可直接测量性,使得所谓反问题的数学方法成为地下水研究的一种主要途径．     

HYDRUS-1D在基于过程的地下水污染评价中的应用

 包气带是污染质进入地下水必须经过的介质,对地下水的污染源强起到至关重要的作用。本文应用HYDRUS-1D模型模拟了污染物进入地下水前在包气带中的迁移转化过程,构建了基于过程的地下水污染评价方法。并以某尾矿库为例,进行了污染质在土壤-地下水系统运移模拟与污染评价的耦合研究。结果表明,使用基于过程的地下水污染评价方法与传统单一对地下水进行模拟预测评价的方法相比,能够较准确地反映地下水污染源强的时空变化过程。该理论完善了地下水污染预测评价的方法,为预防地下水污染提供了理论基础及实践指导。     

一种求解流体力学分布参数系统反问题的新方法

作为应用控制论思想研究流体力学反问题的一个起步，提出将控制论中“积分方程描述的分布参数系统的最大值原理”推广应用于反问题的求解中，从而得到一种求解反问题的新方法，以一个地下水污染控制问题为例，用所提方法进行了求解，研究结果表明，与其它问题求解方法相比。该方法具有简单易行的优点，且适合于一大类可由积分方程描述的分布参数系统反问题的求解，是从控制论角度研究反问题的一个好的开端。     

基于组合信号源的非线性系统的子空间辨识

为解决对非线性采样系统的状态空间Hammerstein模型难以辨识的问题,提出了基于组合信号源的辨识方法.首先用组合信号源将静态非线性环节和动态线性环节分离.其次,采用模糊神经模型拟合静态非线性环节,有效地避免了采用多项式方法逼近非线性函数的限制,拓宽了非线性模型的适用范围;采用子空间算法估计采样系统的状态空间参数矩阵.最后,通过对两个非线性Hammerstein系统模型的仿真,验证了所提出的辨识方法,既简化了辨识过程,对非线性模块能够较好地拟合,又可以很快估计出状态空间方程系数矩阵,从而证明了所提方法的准确性和有效性.     

抛物型多点热源反问题的唯一性

基于确定输油管道多个漏失点的实际背景,首次提出一种描述具有多个点热源的抛物型偏微分方程源反问题新模型,再利用热变换将之转换成相应的双曲型点波源反问题,进而在给定条件下得到该反问题的唯一性.     

基于传热反问题的高炉炉衬单层侵蚀模型

基于传热反问题,建立了高炉炉衬侵蚀过程的数学模型,确定了模型的边界条件,并采用共轭梯度法将反问题分解为三个问题:正问题、灵敏度问题和伴随问题进行求解.通过不同形状函数的反演结果证明了其可行性,并分别研究初始猜测形状曲线、测点数等对反演结果的影响.研究结果表明,初始猜测曲线的选取对反演结果影响很小,充分说明该方法不受初始猜测曲线的限制,具有较好的通用性.而测点数的选取对反演结果有一定的影响,测点数越多,曲线特征被捕捉的越好.但在保证得到曲线特征的前提下,较少的测点数也能得到比较满意的反演结果,平均相对误差控制在3％以内.