[发明专利]一种基于多种和谐式算法的地下水污染源识别方法

说明书

技术领域

本发明属于地下水污染源处理技术，特别涉及一种基于多种和谐式算法的地下水污染源识别方法，尤其是对位置、数量都未知的地下水污染源的识别工程技术。

技术背景

随着中国社会经济的发展，水的供需矛盾日渐突出。我国是一个水资源较为匮乏的国家，人均水资源占有量只是世界平均数的25%左右。地下水作为水资源的重要组成部分，在人们的生活和工农业生产中占据着十分重要的地位，对我国国民经济、社会发展以及安全供水保障具有十分重要的作用。然而，在石油类物质的开采、存放以及运输的过程中频繁会出现“跑、冒、滴、漏”等现象，对地下水造成不同程度的污染，直接或间接的对人类生产生活构成危害。因此，石油及其化工类产品对地下水的污染已经达到不容忽视的程度。

当监测出地下水受到污染时，快速有效的找到污染源，能够阻止污染源进一步扩散，从而极大的减少石油类污染物对地下水的影响。然而污染源相关信息（包括污染源数量，位置）在修复地下水污染时是未知的，信息的缺乏往往会导致修复策略的效率低下或修复成本的增加。在这种情况下，可以利用污染区域历史的浓度测量值来推测污染源相关特性。因此，修复受污染地下水的关键在于对数量和位置不确定的地下水污染源进行识别。对污染源的特性进行有效预测将成为地下水管理的关键任务。

关于如何解决污染源识别问题，国内外许多专家做了很多重要的研究工作。例如，Atmadja等人做出了一个广泛的关于解决地下水系统的污染源识别问题的文献调查以及概述。在众多解决方案中，优化是最为广泛使用的方法，需要注意的是这里提到的优化方案是由模拟和优化两种方法联合构成。模拟模型在方案中的主要目的是解决初始条件和边界条件的流量以及传输方程，因此，将优化模型与模拟模型联合，能够得到最佳结果。由于地下水优化模型的非线性和解空间的非凸性，仅通过非启发式的优化算法来解决污染源的识别问题仍有很大困难，因此，将启发式优化算法应用于解决此问题是更优选择。

对于将启发式优化算法用于解决污染源识别问题，众多学者已有相关研究。Aral等人利用IGA算法来解决污染源的事变问题，这里的污染源位置，泄漏率和释放周期是确定的。Aral等人还提出了另外一个全新的算法—PGA来解决污染源识别问题，PGA算法是将监测井的位置和污染物的释放历程定义为连续的决策变量，然后将标准GA运行步骤和地下水模拟模型结合在一起成为改进的迭代步骤。Mahinthakumar等将GA与局部搜索方法结合来解决污染源识别问题，在其算法中，单独非点源的位置和初始浓度是通过GA来确定的，然后通过局部搜索算法来调整GA方案的结果。Singh等人通过以GA为基础的模拟优化联合模型解决污染源识别问题，他们将地下水流量以及溶质传输模型与以GA为基础的优化模型联合，通过两个假设的含水层模型来验证其模型的效率。Yeh等人将SA和TS优化算法相结合开发了SAT-GWT算法。

在国内，目前尚未有将IGA、PGA与地下水三维数值模拟相结合的方法对地下水污染源识别进行研究。

以上所有的研究中，都是通过已知的污染源数量来对污染源其他特性进行进一步的识别，如确定污染源的位置以及污染源源强。然而，在实际的工程中，污染源的数量、位置、强度都是是难以确定的，所以确定污染源的数量是解决问题的首要关键。

国际上，均是通过大量的实地监测、经验判断等方法来预测污染源的数量、位置以及源强，但是这些方法都需要以长时间的监测数据为基础，花费大量时间。但是本方法所需要的数据量非常小，只要较小的实地监测数据，便能预测出污染源的数量、位置、源强等，因此可以节省时间、资金。

发明内容

本发明的目的是建立一种基于多种和谐式算法的地下水污染源识别方法。在模拟模型中利用地下水三维数值模拟系统，采用和谐式（NHA）算法联合优化模型，将目标函数E最大化来确定污染源的位置、具体数量和源强；其特征在于，包括如下步骤：

1. 地下水石油污染物的传输模拟

利用地下水三维数值模拟系统来模拟地下水以及地下水中污染物的传输过程，其中污染物传输方程为：