[发明专利]正交设计和GMS耦合的地下水污染物水力截获优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及地下水污染物水力截获方案优化的方法，具体说是利用正交设计和地下水数值模拟软件GMS(Groundwater Modeling System)对水力截获方案进行优化设计的方法。

技术背景

地下水资源在我国水资源中占有举足轻重的地位,由于其分布广、水质好、调蓄能力强、供水保证程度高,正被越来越广泛地开发利用。然而，随着社会经济的发展,大量排放的工业废水废物、农业污染物、集约化的畜禽养殖和氮肥的过量使用、城市生活垃圾的恣意排放,以及地下水无序的开发,使地下水逐渐受到污染。我国的地下水污染已经呈现出由点向面演化、由东部向西部扩展、由城市向农村蔓延、由局部向区域扩散的趋势；污染物组分则由无机向有机发展,危害程度日趋严重；地下水污染面积不断扩大,污染程度不断加重。地下水污染是我国面临的严峻问题，控制和修复地下水污染是保护我国水资源的重要工作之一。

随着世界范围内环境保护意识的不断加强,地下水污染的范围不断加大、程度不断加深,各国政府相继颁布大量的法规来优先保护与净化含水层,国内外学者也广泛开展了地下水污染控制及修复技术的研究。其中,重要措施之一就是水力截获技术。水力截获技术是通过一系列合理布置的抽注水井,最大限度地抽取污染地下水,有效控制污染物运移的一种水动力技术。其核心是根据污染场地的水文地质背景条件、污染物性质及其分布特征,应用渗流理论及最优化理论等学科知识,在污染带下游设置治理井来形成水力截获带。国外自20世纪80年代起陆续开始这方面的报道,尤其是近10年来,研究开展得更加广泛和深入。研究者发现,用水力截获技术处理被污染的含水层时,关键问题是设计一种有效的截获系统截取污染的地下水,而不允许污染物运移到下游去。目前,水力截获技术在国外已被广泛应用于抽出-处理系统的设计和水源保护区的设置中。

但该技术在应用过程中需要考虑的因子较多，如研究区的水文地质条件、含水层岩性、厚度以及抽水孔数量、间距、单孔抽水量以及布井方式等，而这些因素对水力截获效果的影响大小？谁是主要影响因素？如何使影响水力截获效果的因子达到最佳组合，即选取最佳水力截获方案？这些问题制约了水力截获技术在处理污染地下水方面的应用和推广。而目前主要采用人工调试的方法，工作量大、效率低，因此寻找一种很好的优化技术，提高工作效率就成为水力截获技术在实际中使用的关键所在。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种水力截获方案优化的方法。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，正交设计和GMS耦合的地下水污染物水力截获优化方法，包括如下步骤：

1）确定污染源的位置、规模，明确地下水中的主要污染物；查明含水层污染羽的分布形态、范围及污染物浓度的分布特征；

2）收集研究区水文地质资料，确定研究区水文地质参数，包括渗透系数、给水度、降雨入渗系数；

3）对研究区水文地质条件进行概化包括：含水层系统概化、地下水补排条件概化、边界条件、水文地质参数分区；建立水文地质概念模型，利用地下水模拟系统(GMS)软件建立研究区水文地质数值模型，并进行水文地质参数识别与检验；

4）利用正交设计方法，选取影响水力截获效果的因子包括：抽水孔数量、间距、单孔抽水量以及布井方式；确定影响因素水平和目标函数：包括截获带面积、污染物去除率和截获量；利用标准正交表对各因子不同水平进行组合，形成不同的水力截获方案；

5）利用地下水模拟系统(GMS)软件对正交设计选取的不同水力截获方案进行情景模拟，利用正交设计的极大值法确定影响影响水力截获效果的主要因素以及影响因素排序，最后筛选最佳水力截获方案；

6）确定最佳截获方案后，再利用地下水模拟系统(GMS)软件对最佳截获方案进行模拟，确定最佳方案的水力截获效果；

7）根据场地水文地质条件，最后确定包括水力截获带的规模、形态、截获井抽水量、截获井的数量及间距的主要参数，确定适合实际条件的水力截获方案。

本发明具备下列技术效果：

本发明创造性的将正交设计应用到水力截获方案优化设计之中，灵活的将正交设计优点和地下水模拟系统(GMS)软件优秀的可视化功能、强大的数值模拟功能优点耦合，克服了水力截获方案设计的盲目性，大大减少了水力截获优化和地下水建模的工作量，缩短了设计时间。该方法具有费用少、操作灵活、适用性强的特点，适用于有明显风险污染源的场地，用于解决目前水力截获技术应用过程中存在的影响因数设别难、优化工作量大、处理效果优化不理想的问题。

附图说明