针对地下水污染物非菲克弥散的含水层异质性识别方法技术

本发明专利技术公开了一种针对地下水污染物非菲克弥散的含水层异质性识别方法，包括收集目标地块地质勘探信息、建立含水层渗透性区域分布的训练图像、生成渗透系数样本集合、设置浓度传感器收集观测数据、模拟污染物迁移过程、联合反演传质系数与渗透系数的步骤；该方法通过结合实际地质勘探信息与多点地质统计学方法，刻画符合目标地块地质体空间分布模式的渗透系数样本集合，进一步通过同化监测数据提高污染物迁移模拟的精度。该方法在有限勘探资料下，利用观测数据与数值模拟技术，解决高度非均质性含水层系统中的污染物迁移非菲克弥散现象的预测问题。现象的预测问题。现象的预测问题。

【技术实现步骤摘要】
针对地下水污染物非菲克弥散的含水层异质性识别方法


[0001]本专利技术涉及地下污染防治与地下水模拟预测
，具体涉及在地下水污染物非菲克弥散现象下的一种含水层异质性识别方法。

技术介绍

[0002]实际场地的含水层介质分布存在极大的不确定性，以表征含水层特性的关键要素渗透系数为例，含水层中通常同时存在具有优先水流通道的高渗透性区域，以及低渗透性的透镜体区域。高、低渗透系数的数值有可能相差几个数量级，特别在“高度非均质性”介质中，含水层水力传导系数的自然方差通常高于3。
[0003]在高度非均质性的含水层系统中，介质的非均质性通常会导致污染物在地下水中呈现明显的反常迁移特征或非菲克弥散，即存在与基于菲克定律的传统对流
‑
弥散方程所预测的迁移过程不符的现象。一方面高渗透性区域分布具有一定方向的连通性，这些连通性构成优先水流通道，导致部分污染物快速迁移；另一方面，污染物通过分子扩散、化学吸附等溶质质量转移过程进入低渗透性区域，再通过分子扩散等过程缓慢释放，导致污染物的滞留和长期拖尾。(郭芷琳,马瑞,张勇,等.地下水污染物在高度非均质介质中的迁移过程：机理与数值模拟综述[J].中国科学:地球科学,2021,51(11):1817
‑
1836)。
[0004]因此，含水层介质的异质性是影响地下水污染修复的重要因素。目前在实际场地中，有限的地质勘探资料难以精确刻画高度异质性的含水层，且国内对于地下水污染物非菲克弥散的预测分析普遍粗放，对其中存在的污染物提前到达或滞留拖尾等情况难以准确预测。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是针对地下水污染物非菲克弥散现象提供一种含水层异质性识别方法。该方法在有限勘探资料下，利用观测数据与数值模拟技术，解决高度非均质性含水层系统中的污染物迁移非菲克弥散现象的预测问题。
[0006]本专利技术通过结合实际地质勘探情况，以及进一步高效率的计算分析方式得到场地含水层中高、低渗透性区域的分布状况，据此借助数值模型模拟污染物的迁移变化，为地下水污染修复过程提供实时有效的决策辅助信息。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种针对地下水污染物非菲克弥散的含水层异质性识别方法：
[0009]S1，收集目标地块地质勘探信息：包括地层钻孔数据、地层剖面图、根据岩芯采样结果与实验室土工实验的渗透系数测定值；且基于目标地块全部土壤介质的渗透系数高低排序，确定目标地块最主要的高、低渗透性土壤类型；
[0010]S2，建立含水层渗透性区域分布的训练图像：根据步骤S1中已收集的地层钻孔数据和地层剖面图，建立地质模型；基于原型地质模型建立含水层渗透性区域分布的训练图像，所述训练图像为定量描述实际地层分布、地质体几何形态的二维图像；
[0011]S3，生成渗透系数样本集合：根据步骤S2中生成的所述训练图像，应用一种多点地质统计学方法Direct Sampling生成多组符合该模式的渗透系数样本，组成所述渗透系数样本集合；其中，单个样本为空间上N个渗透系数构成的二维矩阵，N
e
个样本生成的样本集合是通过Direct Sampling方法采样得到的等可能性的N
e
组渗透系数二维矩阵；
[0012]S4，设置浓度传感器收集观测数据：于目标地块现场监测井处布置水质检测仪，所述水质检测仪上设置有浓度传感器，收集场地原位的污染物浓度监测值；
[0013]S5，污染物迁移过程模拟：通过数值模拟技术概化目标场地含水层，并带入步骤S3中生成的渗透系数样本，以获取目标地块模拟区域的流速分布，后将流速带入双区模型模拟污染物在可移动相和非可移动相之间的迁移、传质过程，其控制方程见式(1)、(2)；求解式(1)、(2)即获得动域中的目标污染物浓度分布相关数值c
m
：
[0014][0015][0016]其中，θ
m
代表动域中的孔隙率，θ
im
代表不动域中的孔隙率；t是污染物的运移时间；c
m
代表动域中的溶质浓度，c
im
代表不动域中的溶质浓度；D
ij
代表水动力弥散系数；v
i
代表流速；α代表两域间的传质系数；
[0017][0018]其中，K
i
是渗透系数在相应坐标方向上的主分量，x
i
、x
j
是相应坐标上的位置，h是水头；
[0019]S6，联合反演传质系数与渗透系数，具体包括：利用步骤S3和S5生成先验数据集[X,Y],其中，传质系数α与渗透系数K组合参数m＝[α,K1,K2,
…
K
N
]，N代表渗透系数的个数，参数样本集合X＝[m1,m2,
…
m
Ne
],N
e
代表数据集的样本数量；污染物浓度预测值C＝[C
t
‑1,C
t
],C
t
‑1、C
t
分别表示步骤S5中污染物运移时间t
‑
1、t时刻双区模型预测的污染物浓度，污染浓度预测值集合Y＝[C1,C2,
…
C
Ne
]；利用迭代集合平滑器算法即式(4)同化步骤S4收集的污染物浓度监测值，得到传质系数与全部渗透系数的第l+1次更新值：
[0020][0021]其中：分别代表第n组传质系数与渗透系数组合参数m的第l+1，l次更新值；m
pr,n
代表m的第n组先验参数；d
obs,n
是经过噪声扰动的第n组浓度监测数据；g(
·
)代表步骤S5；C
D
代表监测误差协方差矩阵；代表g(
·
)在参数m
l
处的线性化，由输入参数的变化与输出浓度相应变化的比值计算而来；β
l
代表自定义的更新步长，0<β
l
≤1；Δm
pr
代表先验参数样本m
pr
与参数均值的偏差，代表模型参数的协方差，通过有限数量的样本集合计算：
[0022][0023]进一步的，步骤S2中，训练图像的建立方法可根据地块资料收集的丰富程度进行调整。例如对于地层分布均匀的场地，采用手工绘制方法建立训练图像；对于地质体空间分布符合经典模式的场地，可采用相关地统计学软件进行顺序模拟得到训练图像。
[0024]进一步的，步骤S3中，应用多点地质统计学方法生成渗透系数样本集合时涉及部分参数的提前设定，包括：样本数量N
e
、变量类型、训练图像参数数量和目标场地模型中单个样本中渗透系数个数N；所述变量类型包括分类变量及连续变量，所述分类变量包括：土壤类型、土地覆盖类别；所述连续变量包括孔隙度、水力传导系数。
[0025]渗透系数个数N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对地下水污染物非菲克弥散的含水层异质性识别方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，收集目标地块地质勘探信息：包括地层钻孔数据、地层剖面图、渗透系数测定值；且基于目标地块全部土壤介质的渗透系数高低排序，确定目标地块最主要的高、低渗透性土壤类型；S2，建立含水层渗透性区域分布的训练图像：根据步骤S1中已收集的地层钻孔数据和地层剖面图，建立地质模型；基于原型地质模型建立含水层渗透性区域分布的训练图像，所述训练图像为定量描述实际地层分布、地质体几何形态的二维图像；S3，生成渗透系数样本集合：根据步骤S2中生成的所述训练图像，应用一种多点地质统计学方法Direct Sampling生成多组符合该模式的渗透系数样本，组成所述渗透系数样本集合；其中，单个样本为空间上N个渗透系数构成的二维矩阵，N
e
个样本生成的样本集合是通过Direct Sampling方法采样得到的等可能性的N
e
组渗透系数二维矩阵；S4，设置浓度传感器收集观测数据：于目标地块现场监测井处布置水质检测仪，所述水质检测仪上设置有浓度传感器，收集场地原位的污染物浓度监测值；S5，污染物迁移过程模拟：通过数值模拟技术概化目标场地含水层，并带入步骤S3中生成的渗透系数样本，以获取目标地块模拟区域的流速分布，后将流速带入双区模型模拟污染物在可移动相和非可移动相之间的迁移、传质过程，其控制方程见式(1)、(2)；求解式(1)、(2)即获得动域中的目标污染物浓度分布相关数值c
m
：：其中，θ
m
代表动域中的孔隙率，θ
im
代表不动域中的孔隙率；t是污染物的运移时间；c
m
代表动域中的溶质浓度，c
im
代表不动域中的溶质浓度；D
ij
代表水动力弥散系数；v
i
代表流速；α代表两域间的传质系数；其中，K
i
是渗透系数在相应坐标方向上的主分量，x
i
、x
j
是相应坐标上的位置，h是水头；S6，联合反演传质系数与渗透系数，具体包括：利用步骤S3和S5生成先验数据集[X,Y],其中，传质系数α与渗透系数K组合参数m＝[α,K1,K2,
…
K
N
]，N代...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝辰宇，钟茂生，王世杰，张元，
申请(专利权)人：北京市生态环境保护科学研究院，
类型：发明
国别省市：