基于集合平滑算法和物探数据的地下水污染物溯源方法与流程

本发明属于地下水污染物溯源技术，具体涉及一种基于集合平滑数据同化方法的地下水污染物溯源方法。

背景技术：

1、地下水污染源信息(如污染源位置、污染物释放过程等)是场地地下水污染调查的重要一环。对已经发生地下水污染的场地而言，对污染源信息的准确把握可以实现对污染物运移前景的预测，进而制定合理的修复方案；对处于监管当中的场地而言，对污染源信息的准确把握可以准确厘定相关企业的责任，进行制定适当的处罚方案。

2、现有的技术主要是通过下游水井中的污染物浓度监测数据和数值模拟技术，来回推污染源的具体位置和污染物的释放过程，此类方法往往面临两大难题：下游水井中的污染物浓度监测数据难以获取(成本高)，如“一种地下水污染源信息和水力渗透系数场联合反演的方法”(申请号：cn202011088725.2)；数值模拟技术所需的水文地质参数难以获取(技术手段受限)，如“一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法”(申请号：cn202110637905.x)。受限于这两大难题，过往的溯源方法无法实现对地下水污染源信息的精准刻画。

3、综上，现有技术普遍存在以下问题：地下水污染物浓度监测数据获取成本高以及水文地质参数精细刻画难度大。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于集合平滑算法和物探数据的地下水污染物溯源方法，设计一种地下水流-溶质运移-地球物理模型，建立地下水中污染物浓度和高密度电法视电阻率观测数值之间的联系，降低地下水污染物浓度监测数据的获取成本，进而实现水文地质参数和地下水污染源信息的联合精细刻画。

2、技术方案：本发明的一种基于集合平滑算法和物探数据的地下水污染物溯源方法，包括如下步骤：

3、步骤1、在污染场地进行水文地质基础调查，获取研究区的地形、地下水点类型与水文地质条件，收集研究区的地下水位数据，进而判断地下水主径流方向；

4、步骤2、在污染场地布设高密度电法物探设备，采用高密度电阻率成像法测量获取地层的实测视电阻率数据用于污染场地和污染源的精细刻画，在实际测量过程选取跨孔成像模型进行地层视电阻率数据的多时序测量；

5、步骤3、构建污染场地的地下水流-溶质运移-地球物理耦合模型；

6、地下水流控制方程如下所示：

7、

8、式中，ss为储水率，h为地下水水头，t为时间，k为地下水渗透系数，w为源汇项；

9、溶质运移控制方程如下所示：

10、

11、式中，c为地下水污染物浓度，θ为有效孔隙度，t为时间，d为水动力扩散系数，v为地下水流速(可由公式1得到)，qscs为污染物释放过程；

12、地球物理控制方程如下所示：

13、

14、式中，v为电势场，i为电极输入电流，r为观测点位置，r+、r_为正负电极位置；ρ为含水介质电阻率，其与地下水电导率的关系如(4)所示：

15、

16、式中，ρ为含水介质电阻率，sw为地下水饱水度，φ为孔隙度，ρs为含水介质颗粒的密度，m为胶结指数，b、λ为电学常数，cec为可交换阳离子的数量；σw为地下水电导率，其与地下水中污染物浓度的关系如(5)所示：

17、

18、式中，σw为地下水电导率，t为地下水温度，c为地下水中污染物浓度；

19、步骤4、预设假想的污染场地地下水渗透系数和污染物释放过程，用于模型的试错校正；

20、步骤5、基于步骤4的耦合模型来获取地层的模拟视电阻率数据，通过集合平滑数据同化方法来获取污染场地的真实水文地质参数和污染源信息；具体方法为：

21、步骤5.1、生成初始集合和预设迭代次数

22、针对水文地质参数和污染源信息分别生成ne个成员的集合，初始值即为预设假想的水文地质参数和污染源信息；并预设集合平滑数据同化算法的迭代次数na；

23、ai,j＝[ki,j,si,j]t              (6)

24、式中，a为状态向量，k为污染场地的渗透系数向量，s为地下水污染源参数向量，i为集合成员编号，j为集合平滑数据同化算法迭代次数编号；

25、步骤5.2、预测

26、针对每一个集合成员，将预设假想的水文地质参数和污染源信息代入地下水流-溶质运移-地球物理耦合模型中，获取从模拟时刻0到t的地层视电阻率观测数据；

27、

28、式中，bf为预测视电阻率观测数据，ψ为地下水流-溶质运移-地球物理耦合正演模型，b0为背景视电阻率观测数据；

29、步骤5.3、更新

30、根据实测视电阻率数据和模拟视电阻率之间的偏差值，计算更新水文地质参数和污染源信息；

31、

32、式中，αj为第j次迭代的膨胀系数，r为观测误差协方差矩阵，ε为观测误差，yobs为实测视电阻率向量，为相同位置的模拟视电阻率向量；δaj、δbj为由公式(9)、(10)定义的平方差矩阵：

33、

34、

35、式中，ne为集合成员总数，分别为更新参数向量和模拟视电阻率向量的均值；

36、步骤5.4、迭代

37、使用更新的水文地质参数和污染源信息重复步骤5.2和步骤5.3na次，即可获得污染场地的水文地质参数和污染源信息；

38、步骤6、基于更新的污染场地水文地质参数和污染源信息，使用地下水污染物运移数值模拟软件预测污染物运移前景，精细刻画污染羽的变化过程。

39、进一步地，所述步骤3的污染场地地下水流、溶质运移模型和地球物理模型为剖面二维模型，模型计算分别采用modflow、mt3ds和resipy三款开源软件。

40、进一步地，所述步骤4根据水文地质基础调查和其他回溯性的调查来预设假想的水文地质参数和污染源信息。

41、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)、本发明从岩性物理模型的角度出发，建立地下水流、溶质运移和地球物理耦合模型，基于集合平滑数据同化算法融合物探观测数据进行污染场地水文地质参数和污染源信息的联合精细刻画。

42、(2)、本发明可合理高效的利用物探数据，缓解地下水污染物浓度监测数据获取成本高这一问题，节省水样化验测试费用，降低成本约20％，并实现污染场地水文地质参数和地下水污染源相关信息的准确反演，进而实现对污染物运移的精确预测。此方法基于开源软件和python程序语言，具有可移植性和可扩展性的特点。

技术特征：

1.一种基于集合平滑算法和物探数据的地下水污染物溯源方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于集合平滑算法和物探数据的地下水污染物溯源方法，其特征在于，所述步骤3的污染场地地下水流、溶质运移模型和地球物理模型为剖面二维模型，模型计算分别采用modflow、mt3ds和resipy三款开源软件。

3.根据权利要求1所述的基于集合平滑算法和物探数据的地下水污染物溯源方法，其特征在于，所述步骤4根据水文地质基础调查和其他回溯性的调查来预设假想的水文地质参数和污染源信息。

技术总结
本发明公开一种基于集合平滑算法和物探数据的地下水污染物溯源方法，在污染场地进行水文地质基础调查，获取研究区的地形、地下水点类型与水文地质条件；采用高密度电阻率成像法测量获取地层的实测视电阻率数据，构建污染场地的地下水流‑溶质运移‑地球物理耦合模型；获取地层的模拟视电阻率数据，通过集合平滑数据同化方法来获取污染场地的真实水文地质参数和污染源信息；基于更新的污染场地水文地质参数和污染源信息，使用地下水污染物运移数值模拟软件预测污染物运移前景。本发明从岩性物理模型的角度出发，建立地下水流、溶质运移和地球物理耦合模型，基于集合平滑数据同化算法融合物探观测数据进行污染场地水文地质参数和污染源信息的联合精细刻画。

技术研发人员：陈孜,杨海,宗乐丽,贾正阳,梅世嘉,周迅,周权平
受保护的技术使用者：中国地质调查局南京地质调查中心（华东地质科技创新中心）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15