（环境工程专业论文）不确定性条件下地下水多相污染物传输模拟研究.pdf

输出结果的影响，为石油污染地区的风险评价和修复设计提供了较好的依据。 关键词：污染物传输，模糊转换法，蒙特卡洛模拟，l n a p l a b s t r a c t w i t ht h eh i g h l yd e v e l o p m e n to ft h ep e t r o l e u mi n d u s t r y , t h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s c a u s e db yp e t r o l e u ml e a k a g eh a v eb e c o m es e v e r e ，a n d t h ek e yt ot h ep r o b l e mi s s i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o no fc o n t a m i n a n tt r a n s p o r t a n d m i g r a t i o n i ns u b s u r t a c e e n v i r o n m e n t af o x ys t o c h a s t i cm o d e l i n gs y s t e m ( f s m s ) a n daf u z z y p a r a m e t e r i z e d s t o c h a s t i cm o d e l i n gs y s t e m ( f p s m s ) w e r ep r o p o s e di nt h i ss t u d y , w h i c hw e r eb a s e do n m u i t i p h a s en u m e r i c a ls i m u l a t o r , l i n e a rr e g r e s s i o n ，m o n t ec a r l os i m u l a t i o nt e c h n i q u e a n d f u z z yt r a n s f o r m a t i o nm e t h o d t h e s et w od e v e l o p e dm e t h o d sc o u l db eu s e dt o p r e d i c t p r o c e s so fn a p lt r a n s p o r ti nt h es u b s u r f a c ea n da c c e s st h ei m p a c t so f u n c e r t a i n t i e si ni t p o r o s i t ya n dl o g a r i t h m i cv a l u eo fi n t r i n s i cp e r m e a b i l i t yi na ne x p e r i m e n t a l 。s c a l es p i l l e v e n to fl i g h t n o n a q u e o u sp h a s el i q u i d ( l n a p l ) w e r eu s e d t od e m o n s t r a t et h e a p p l i c a b i l i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d s t h es t u d yr e s u l t sp r o v e dt h a tf s m sa n df p s m s c o u l db eu s e dt oe v a l u a t et h ej o i n ti m p a c t so fh i g h l yu n c e r t a i ni n p u t so nt h ep r e d i c t i o n s o fm u l t i p h a s e ，w h i c ha r eg o o dr e f e r e n c e sf o rs u p p o r t i n gr i s ka s s e s s m e n ta n dr e m e d i a t i o n d e s i g nf o rp e t r o l e u m - c o n t a m i n a t e d s i t e s h u a n gy i n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g h h u a n g k e y w o r d s ：c o n t a m i n a n tt r a n s p o r t ，f u z z yt r a n s f o r m a t i o n ，m o n t ec a r l o ，l n a p l 第一章引 言1 1 1 研究背景与意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义2 1 2 国内外研究现状- 3 1 2 1 国内地下水污染模拟研究现状3 1 2 2 国外土壤地下水污染模拟研究现状4 1 2 3 国外土壤地下水污染不确定性模拟研究现状- 5 1 2 4 目前土壤地下水污染模拟研究所面临的问题8 1 3 主要研究内容和创新点1 0 1 3 1 主要研究内容1 0 1 3 2 预计研究成果与创新1 0 第二章土壤地下水污染模拟基本问题探讨12 2 1 基本概念1 2 2 1 1 多相多组分系统1 2 2 1 2 参数识别一1 2 2 2 基本模型方程15 2 2 1 质量平衡方程1 5 2 2 2 本构关系l7 第三章数值模拟软件n a p l - si m ula t o r 介绍19 3 1 基本变量1 9 3 2 时i b j 离散一2 l 3 3 初始条件2l 3 4 边界条件2 2 3 5 交换变量2 3 3 6 迭代过程2 3 3 7 本章小结2 3 第4 章数值替代统计模型f s m s 2 4 ，一 华北电力人学硕十学位论文 4 1 研究方法2 4 4 1 ：1 多元线性回归法2 4 4 1 2 蒙特卡罗模拟2 5 4 2 f s m s 模型建立2 5 4 3 实例研究2 7 4 3 1 例子描述2 7 4 3 2 数值模型输入参数设定2 8 4 3 3 替代模型输入参数设定2 8 4 3 4 结果分析2 9 4 4 敏感性分析3 l 4 5 本章小结3 2 第五章双重不确定性条件下地下水污染物传输模拟3 3 5 1 研究方法3 3 5 1 1 不确定性研究方法3 3 5 1 2 模糊转换方法3 4 5 1 3 蒙特卡洛模拟3 5 5 1 4 模糊参数的随机模拟系统3 5 5 2 实例研究3 6 5 2 1 例子描述3 6 5 2 2 双重不确定性参数的设定3 6 5 2 3 结果分析3 8 5 2 4 结果讨论4 l 5 3 本章小结4 2 第六章结论及展望4 4 6 1 结论4 4 6 2 展望4 4 参考文献4 5 致谢5 4 在学校期间发表的学术论文和参加科研情况5 5 发表论文情况5 5 参加科研项目情况5 5 一 一 i 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 石油是工业的血液，对人类文明和社会进步起着巨大的推动作用，石油工业是 国民经济发展的重要能源基础产业。但同时，该产业的生产过程及主要产品的后续 消费也会对生态坏境造成严重破坏，给社会发展带来不良影响。石油产品的生产、 运输、储存等环节产生的土壤和地下水中的有机污染，作为与石油工业相伴而生的 典型负面产物，已经逐步引起业界乃至整个社会的高度重视，成为世界性的环境问 题。 石油工业产生导致土壤和地下水有机污染的来源主要有：钻井过程的钻井污水、 钻井泥浆、钻井液、钻井废弃物、漏油、井喷事故排出的“三废”；以及采油过程的 含油废水、集输管线中油料的泄漏、井下作业过程的落地原油、压井液：储存运输 过程管线、油罐运输工具泄漏等。据美国e p a 2 0 0 1 年统计，全美已被确认渗漏的地 下储油罐近4 2 万个，地下有机物渗漏已成为美国最大的地下污染源。全球因石油 的丌采、运输、储存以及事故性泄漏等原因已造成每年约1 0 0 0 万吨石油烃进入环 境( 不包括石油加工行业的损失) 。世界范围内的土壤石油污染广泛而且严重。统计 表明，平均作业一口井残留在地面的落地油约1 吨，我国石油企业每年产生落地油 约7 0 0 力吨。对在我国，国土资源部2 0 0 1 年的报告显示，目前大部分油田地区浅 层地下水含油量严重偏高，达不到饮用水标准，如山东淄博地区地下水最高含油达 到了1 0 0 m g l 以上，超过国家标准( o 1 m g l ) 1 0 0 0 倍以上。石油污染是1 9 9 8 年发 生在渤海的1 万平方公罩赤潮的主要原因之一。我国北方油田石油污染状况的调研 表明，大庆油田和华北油田采油井周边土壤石油污染严重，含油量在 4 1 8 1 0 4 m g k g 1 7 1 7 1 0 4 m g k g 。大庆油用石油开发区污染土壤面积超过7 5 ， 农业开发区污染面积超过2 0 。 石油污染物进入土壤后，会破坏土壤结构，影响土壤的通透性。油污粘着在植 物根系上，阻碍植物根系的呼吸与吸收，引起根系腐烂。石油富含的反应基能与无 机氮、磷结合并限制硝化作用和脱磷酸作用，从而使土壤有效氮、磷的含量减少， 影响作物的营养吸收。石油中的苯系物b t e x 和多环芳烃具有致癌、致变、致畸等 作用，并能通过食物链在动植物体内逐级富集。石油烃中不易被土壤吸附的部分能 渗入地下，污染地下水。目前，世界上约1 的地下水受到了石油的污染。我国部 分石油化工区，土壤石油污染导致的地下水水质恶化问题突出，局部地区地下水中 华北电力人学硕十学何论文 油含量高达2 0 3 0 m g l ，苯含量高达2 0 - - 一5 0 m g l 一，对当地工农业造成严重危害。 随着我国能源结构的调整和汽车工业的迅速崛起，石油燃料及石油类产品的消 耗量伺趋增大。近年来北京等大城市机动车数量急剧增长，导致加油站数量迅速增 加，环顾今同北京，加油站星罗棋布，广布于市区的各个角落和市郊公路的两旁。 现有的加油站普遍存在渗漏、挥发等问题。对地下水和土壤造成严重污染。土壤和 地下水中的有机污染常常具有种类多、含量低、危害大、难治理等特点。石油产品 除了含脂肪烃和芳烃以外，还含有相当多的苯酚类及有机氯等。研究表明，许多有 机污染物具有致癌、致畸、致突变的“三致作用”，对人体健康有严重影响。而且， 大多数有机污染物在土壤和地下水环境中很难通过自然降解过程去除，会长期存在 并发生累积。因此，就污染物的种类、污染的范围以及污染的特点而言，土壤和地 下水的有机污染给公众造成健康风险及其巨大，不容忽视。对被有机物污染的土壤 和地下水进行环境修复，是保障全民健康的必须，也是国家保护生态环境的要求。 如果对污染放任自流，随着污染的加剧恶化，不仅给民众健康带来巨大威胁，更给 未来的环境治理造成障碍，以至将来付出几十倍甚至几百倍的代价。同时，开发有 效的修复技术，也是树立我国政府和企业良好国际形象的重要举措。随着经济全球 化的发展，我国石油公司和其他相关企业必将在国内、国际市场上，与国际大石油 公司展开全方位的竞争。重视企业的社会责任，在生产发展的同时，大打“环境牌”， 是赢得公众支持的需要，是我们走出国门，参与国际市场竞争，提升企业国际竞争 力的必要技术支持。 石油污染的主要成份是非水相液体( n o n a q u e o u sp h a s el i q u i d ，n a p l ) 。为了 解n a p l 地下泄露所造成的影响，关键要对n a p l 的传输及其组分的转化进行模拟 与分析。对于多相流传输与转化的完整描述必须包括各流相( 水相、气相和n a p l 相) 的传输过程，各流相间的质量转换，以及各流相内各组分的迁移。而数学模型 则是描述这一过程的重要工具。过去的几十年，关于石油污染模拟的研究有着大量 的报道。但是由于土壤地下水的多孔介质环境往往存在较大的复杂性和空间差异性， 其相关地质水文参数的确定会受到各种物理、化学以及生物过程的影响，这样就造 成了模型输入参数的不确定性。同时，各种数值模拟模型本身也存在着不同程度的 简化与假设，进一步的造成了模型模拟的不确定性。而怎样对这些不确定性和复杂 性进行处理一直是国内外该领域的研究热点。 1 1 2 研究意义 本文从研究土壤地下水模拟理论和方法出发，开发了一套不确定性数值模拟方 法，对地下水系统中存在不同类型的不确定性特征进行了分析；提出了用统计模型 替代数值模型的思想，并对用统计模型进行不确定性分析。该研究所提出的方法不 2 华北电力人学硕十学位论文 仅可以有效地反映地下水系统各组分之间相互作用性、动态性和不确定性的系统特 征，还可用于其它类似环境模拟问题的分析。 本文将建立基于数值模型的替代统计模型f s m s ( f o x ys t o c h a s t i cm o d e l i n g s y s t e m ，简称f s m s ) 。替代统计模型f s m s 集成于蒙特卡洛模拟和多元回归方法。 该方法引用了一个实验室规模的l n a p l 模拟泄漏事件的污染物饱和度预测的例子， 选择孔隙度和固有渗透率对数作为模拟系统的两个输入不确定性参数用于考察该 方法的适用性，为地下水污染传输过程存在的不确定性分析以及相关的风险评价提 供了有力的支持和依据，也为之后的地下水污染修复没计提供了一定的参考依据。 本研究还将丌发了一个模糊参数随机模型系统f p s m s ( f u z z y p a r a m e t e r i z e d s t o c h a s t i cm o d e l i n gs y s t e m ，简称f p s m s ) ，用来考查不确定性影响条件下土壤地下 水中的碳氢化合物污染物的传输过程。该系统将多相数值模拟系统、模糊转换方法 和蒙特卡洛模拟技术耦合到统一框架中，可用于处理带有模糊参数的随机不确定性。 该模型可以有效地评估不确定性输入变量对非水相液体在地下的迁移的联合作用。 与传统的模糊随机分析方法相比，f p s m s 可以有效地处理双重不确定性，并且可 以得到含有更丰富信息的输出变量，同时具备更有效的解法，进而为石油污染区域 的风险评价和修复设计提供了很好的参考价值。 为了提高环境系统决策的科学性、准确性和前瞻性，减少决策的盲目性和片面 性，运用不确定性理论与方法研究土壤地下水系统中的复杂性，分析各种因子之间 的互动关系和制约机制，探寻系统在复杂和不确定性条件下的各种可能状态，计算 它们对社会、经济、生态、环境所产生的影响，将为土壤地下水污染治理以及相关 环境政策的制定提供有效科学支持。同时，解决地下水污染物传输系统中存在的复 杂性和不确定性，把各种孤立系统组成一个有机整体，探讨各种不确定性和动态因 素的动态影响规律，是对环境系统工程领域新的探索。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内地下水污染模拟研究现状 在我国，随着工农业的快速发展和人民生活水平的提高，工业“三废”的排放、 农药和化肥的大面积施用、生活垃圾和污水的大量排放导致大部分水体受到污染， 严重威胁人民的生产、生活及身体健康。然而，由于人们对水资源的污染不够重视， 尤其是对地下水污染的研究起步较晚，所以地下水污染问题仍然是水文地质学上的 一个新课题。 我国2 0 世纪8 0 年代初才开始研究污染物在含水层中的运移问题。1 9 8 0 年初 山东地质局、长春地质学院、地质部水文地质研究所、山东大学等单位在济南市郊 区进行了为预测地下水污染发展趋势的地下水质模拟试验研究工作，对地下水污染 3 华北电力人学硕十学位论文 与水质模拟实验的基本理论及计算方法进行了探讨和阐述，探索了弥散系数的野外 测定方法和手段，研讨了地下水质模拟的计算方法与模型建立问题【2 】。1 9 8 2 年武汉 水利电力学院应用伽辽会有限元法求解在渗流区有抽水井条件下的二维溶质迁移 问题及在自由表面上有入渗补给时二维渗流中的溶质迁移问题。在这以后许多学者 开始进行这方面的理论和工程应用研究。其中的对流弥散模型是使用最多的数学模 型，许多研究者将该模型加以修正以使模型适用于不同的工程情况。 3 0 多年末，地下水模拟在我国经历了从无到有、从简单的水流模型到比较复 杂的物质和热量迁移模型，从模仿到独立研制开发，最后走向世界的艰难发展历程。 我国目自 基本建立了国际地下水模拟中心分类中主要的模型，研究范围涉及饱和带、 非饱和带及饱和一非饱和带。但是我国还没有通用的、具有知识产权的权威计算软 件。对于饱和带地下水流模拟的研究，主要集中在三维流模型开发、流速场与流线 的计算方法、非均质参数的区域概化和繁杂数据的优化处理【3 】。但可以预见的是， 地下水中污染物在迁移过程中发生的化学反应和有微生物参加的生物化学作用，特 别是地下水中有机物质迁移模型的研究将成为一个重要的研究热点。 1 2 2 国外土壤地下水污染模拟研究现状 在过去的几十年中，关于石油污染物在地下层的流动与传输模拟研究已经展开 了大量的工作引。最早期的工作出现在欧洲，主要是针对于地下水中多相流的模拟。 其中，v a ng e n u c h t e n 于1 9 6 7 年首次建立了原油泄漏至地下水中形成的二相流模拟 模型。作者主要提出并分析了轻质非水相液体( l n a p l ) 在非饱和带的传输过程。 尽管他讨论了毛细管压力在多相流迁移分析的重要性，但是忽略了毛细管压力这一 重要因素。这种假设在后来被更多的学者所采用m 1 。 在二十世纪八十年代，一些更接近于实际的模型又逐渐被开发出来。o s b o r n e 和s y k e s 7 j 于1 9 8 5 年运用残数加权方法和n e w t o n r a p h s o n 方法解决了流动方程中 的非线性耦合问题。在他们的工作中，主要对一个假想的h y d ep a r k 填埋场的地下 水流模型做了参数估值与模型较正。f a u s t 8 j 于1 9 8 5 年开发了新的考虑气相流动的 三相流模型。模型的算法在空间上采用显式中心网格，时间上采用隐式差分格式的 有限差分算法。在此基础上，作者成功地将模型运用n e w t o n r a p h s o n 方法解决了 三相流模型中的非线性问题。k u p p a s a m y 9 】等人于是1 9 8 7 年开发新的三相流模型。 该模型的主要思想是保持气相压力为恒定的常数，同时忽略流动的可压缩性，从而 将模型表达为仅一组仅水相和n a p l 相压力未知的控制方程。此外，他们用变量加 权的有限差分方法来取代时问梯度，并且通过p i c a r d 方法对离散后的代数方程进行 求解并对模型最后一维的实验观测值进行了较j 下。k a l u a r a c h c h i 和p a r k e r t l o l i 】分别 于1 9 8 9 和1 9 8 7 年开发了一套二维有限元模型，用以预测地下层含多相多组分污染 4 华北电力人学硕十学位论文 物的流动与溶质传输模型。该模型将污染物分为n p a l 相、水相、气相以及固相等 四相。在模型中，气相压力梯度可假定为可忽略的。k u e p e r 和f r i n d t 忆】于1 9 9 1 年开 发了一套用于重非水相液体( d n a p l ) 的两相流模型。模型主要忽略了土壤与流体 的压缩性以及相间传质过程，将水相压力和水相饱和度作为模型的变量。然后，他 们用有限差分方法对流动进行数值离散，并采用全隐式格式和n e w t o n r a p h s o n 和 来解决土壤参数的非线性问题。对于二维模拟，作者通过实验室测定的p c e 数据对 模型进行了较正。r e e v e s 和a b r i o l a 】于1 9 9 4 年引入了压力隐式，饱和度显式的建 模方法( i m p e s ) 。该方法运用物质平衡原理，删除了饱和度这项变量。模型的假 设主要是相间的毛细管压力在每个时问步长是保持恒定不变的，但是会根据各相压 力的变化而变化。h u y a k o r n 1 4 】等人于1 9 9 4 年提出了一套综合的三维数值模拟模型， 用以预测地下层的石油污染物的传输过程。该模型可以用来模拟n a p l 相在多孔介 质以及介质裂缝中的传输。随后，l i u 等人【1 5 , 1 6 】又分别于1 9 9 4 和1 9 9 5 年提出了具 有更高精度的高阶有限差分格式解决此类模拟问题。 进入二十世纪末，一系列更为复杂的模型逐渐被丌发和使用。该类模型的一个 显著进步是不仅考虑了石油污染物的流动、迁移、溶质传输过程，还考虑了其生物 降解过程。19 9 7 年，k a t y a l 【 j 成功地丌发了一套名为b i o f & t 的大型商用软件。该 软件主要采用有限元算法，可以模拟地下饱和带的水相、n a p l 相中各石油组分的 流动与传输过程。事实上，该软件还能更为广泛地应用到污染物在非饱和带、裂缝 以及多孔介质中的流动与传输过程。随后，他们又开发了b i o f & t - 3 d 软件系统， 以用于石油污染物在地下层流动与传输的三维数值模拟。w a d d i l l 和w i d d o w s o n i i 引 于1 9 9 8 年丌发了一套可用于模拟地下层溶质传输的好氧与厌氧生物降解的软件系 统。该系统开发的模型通过将石油污染物看成微生物增长所需的电子供体，对可利 用的电子受体浓度进行模拟。模型主要考虑的电子受体主要包括m n ( i i ) 、f e ( i i ) 、 h 2 s 、c h 4 以及用户自定义的氮氢化合物。石油污染物的生物降解还必须服从m o n o d 动力学过程。2 0 0 1 年，g a l l o 和m a n z i n i t 旧】丌发了一套数值模型。该模型耦合了水 相和n a p l 相的压力和饱和度，水相中的n a p l 浓度等未知变量，同时还考虑了污 染物的生物降解动力学过程。模型算法则采用了混全有限元方法对耦合的非线性方 程进行求解。关于石油污染物在地下层的流动、迁移、转化过程的数值模拟模型的 研究还有大量的成果可见报道2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 l 。 1 2 3 国外土壤地下水污染不确定性模拟研究现状 国外关于土壤地下水污染不确定性模拟主要方法包括随机和模糊方法。 1 2 3 1 随机模拟方法 农用土地的径流形式的农业传输可以考虑成随机性质。随机方法经常被用来评 华j 匕电力人学硕十学位论文 估地下水流动和传输的不确定性，尝试通过统计的方法来识别参数的不确定性，并 且可以将其分类为解析型或数值型【28 。在不完全差分方程中首次考察随机参数。然 后，可以求解随机差分方程，一般利用光谱方法去分析方程的不稳定形式。第二类 是以输入参数的概率分布为基础，利用数值解法包括和求解控制方程，其中最普遍 使用的随机方法就是蒙特卡罗模拟方法1 2 州。蒙特卡罗模拟方法是由一系列的单独 样本点的迭代构成，最终生成多个模拟识别结果，并对识别结果进行分析，最终形 成输出变量。这个输出变量的识别通常都表示成概率分布或累积频率分布形式。 c h a n g 等人( 1 9 9 5 ) 3 0 】开发随机理论，以扰动理论和光谱表达技术为基础，解 决分析异质多孔媒介的稳定状态的多相流( 水相、n a p l 相和气相) 问题。关键的 随机输入变量考虑为渗透性和土壤粒径分布指数。j a m e s 和o l d e n b u r g 利用蒙特卡 罗为基础的不确定性分析方法去处理三维的数值模拟问题【3 。并最终将其应用于渗 流区的四氯乙烯的传输过程的实例研究。z h a n g 采用扩展的e u l e r i a n l a g r a n g i a n 方 法，在一些受限制的条件( 例如稳定状态流，局部化学物质平衡) 下，从单相传输扩 展到多相多成分传输问题p 2 。 x i a n g 和m i s h r a 开发受限状态方法去处理概率条件下的多相流模型【3 引。地下非 等温多相流动和传输模拟器( t o u g h 2 ) 与计算机外壳( c a l r e l ) j ( h 连接用于可靠性 分析。与蒙特卡罗模拟的比较结果显示，该方法可以采用更有效的方式生成更准确 的结果。它可以作为蒙特卡罗的替代方案去模拟涉及到非线性地下流动模拟的方程 的随机不确定性。m c n a b 和d o o h e r 开发概率筛选模型来定量化碳氢化合物羽状行 为的生物降解影响涉及的不确定性【3 4 1 。该方法以蒙特卡罗模拟为基础，利用水平对 流扩散溶解物传输方程的解析解，包括一次降解方程，使用电子接收器来处理物质 平衡的约束。c h a n g 等人使用随机理论去分析异质的含水层，一次生物降解条件下 的溶解物的地域尺度传输问题【35 | 。谱方法和扰动技术用来开发均值参数模型的地域 尺度有效参数的表达问题。最近，k a l u a r a c h c h i 等人开发了拉格朗同随机理论，使 用氧和硝酸盐作为溶解物的电子接收器来分析含水层的碳氢化合物的地域尺度的 生物降解【3 引。利用对数分布的空间关联的随机水力传导系数来反映地下的异质性。 m i r a l l e s w i l h e l m 和g e l h a r 结合物理、化学和生物不确定性的影响到谱分析为基础 的随机框架中，主要是用于处理系统的传输和转化方程，该系统由异质和各向异性 的污染物、氧化物和生物量组成【3 7 1 。z h u 和s y k e s 考察多孔介质性质的空间变化特 性对地下易挥发的有机物的传输过程的影响【2 8 1 。其利用二维多相数值模型去模拟流、 动和传输问题，去解决水相和气相的流动和传输方程。每一次的模拟运行，以提供 的变化和联合变化方程为基础，对于渗透性和v a ng e n u c h t e n 参数，将会生成共计 2 5 个统计含水层的识别结果。h u 和h u a n g 开发非局部的、一次的e u l e r i a n 随机理 论用于研究不确定性条件下的异质的、分裂的多孔介质的活性化学物质传输过程1 3 引。 6 华北电力人学硕士学仲论文 采用双重渗透性模型去描述介质中的流动和传输过程，并且基质中的溶解对流和扩 散过程也考虑进来了。化学物质是在线性不平衡的吸附作用和一次降解条件下活动 的。在断裂部和基质区域的水力传导系数、吸附系数、降解速率，以及区域之白j 的 物质传输系数都考虑成随机变量。 m a q s o o d 等人丌发了综合方法，包括多相模型、因子设计和蒙特卡罗模拟，来 处理地下环境中的石油污染物的归宿和传输过程中的不确定性问题【3 。为了更好地 反映不确定性对输出结果的影响，其构建4 个因素的2 4 个因子实验集合，4 个因素 包括砂砾、肥土、黏土的渗透性和孔隙度。每二个实验集合，通过丌发的多相成分 模拟算子来进行大量的蒙特卡罗模拟。因此，不确定性条件下的多相流问题可以得 到解决。该理论可以用来解决加拿大西部的石油污染问题，显示该方法的实用性。 1 2 3 2 模糊为基础的模型方法 除了随机性以外，由于不精确的或不完全的数据、以及一些意见和判断的主观 性，而形成的另一类不确定性称为模糊性。为了有效地处理这类不确定性问题，大 量学者研究和推动模糊为基础的方法的发展【4 0 1 。该方法利用非概率性质的框架来描 述不确定性参数。它以直接的方式而不用生成大量的中间变量，来处理不确定性参 数。模糊模型方法已经在很多领域得到很好的应用，比如风险分析，决策制定，工 程设计和优化【4 。但是，很少有模糊模型方法使用在地下水模型，特别是地下的不 确定性条件下的n a p l 流动和传输模拟。一些相关的研究介绍如下： d o u 等人使用模糊集和模糊算法，它可以结合不精确信息到地下水流的惰性溶 解物质的传输模型中【4 2 1 。该方法可以应用到一维或二维的流动领域。该解法强调溶 解物传输的模糊数值模型是关于模糊变量的函数。利用两个解法求得的溶解物浓度， 包括顶点法和模糊数值模拟法( 例如单值模拟法) 与模糊解析模型的结果相比较。 s c h u l z 和h u w e 使用模糊集理论，利用非饱和区的水传输模型中的不确定性参数， 并分析它们对分层土壤概况的预测的影响【4 引。土壤水力性质和边界条件可以利用模 糊数来表示，并且不确定性可以结合到一维的稳定状态水流模型中。s c h u l z 等人 ( 1 9 9 9 ) 3 0 用模糊集理论去结合不确定的热动力参数到水系统的化学平衡估算，并且 不同类型的隶属函数的模糊数也用来表达非概率状态的不确定性【4 引。z o u 和l u n g 开发模糊集方法去结合参数的不确定性到动态总磷模型【4 5 1 。利用模糊参数去反映参 数的不确定性。该方法分解模糊参数为不同截集水平下的区问值，并且通过简单的 计算方法去求解模型的区间解，并将每个截集水平下的区l 日j 解最终组合到一起，形 成模糊解。m p i m p a s 等人使用模糊集理论去定义水污染模型中的不准确参数，模型 中的物理化学系数和污染源的承受量都表达成三角模糊数形式【4 引。区间运行是为了 求解带有模糊系数的水平对流一扩散方程的数学系统。该模型用于研究希腊北部的 t h e r m a i k o s 海湾的污染问题，即1 0 个水质变量的浓度分布被表示成模糊形式。 不 杂性和不确定性反映较少，在实际应用中就会出现较大偏差，使相关环境政策的制 定、风险的评价和污染修复决策缺乏科学支持。我国在地下水不确定性模拟方面的 研究还较少。针对同益严峻的地下水环境污染问题，很多发达国家如美国、欧盟、 r 本等国的政府部门或科研机构均己大力开展此领域的研究，使决策者对坏境进行 定量综合协调和决策，达到最大的综合社会经济效益。我们与世界先进水平的差距 是非常大的，因此对地下水环境系统进行不确定性模拟研究是非常必要的，也是刻 不容缓的。由于地下水不确定性模拟是环境系统分析与工程模拟相结合的产物，它 的核心是数学模型和不确定性分析方法。地下水水质模拟是个动态过程，涉及到环 境工程、数学、物理、统计分析、软件设计与开发等多种学科知识，研究内容复杂， 技术层次相对要求较高。目前相关领域面临的问题主要存在于以下几个方面： 1 2 3 1 系统的复杂性 复杂性科学是用以研究复杂系统和复杂性的一门方兴未艾的交叉学科。复杂性 科学研究的复杂系统涉及的范围很广，包括自然、工程、生物、经济、管理、政治 与社会等各个方面。目前，关于复杂性的研究受到了世界各国科学家们的广泛关注。 复杂系统都有一些共同的特点，就是在变化无常的活动背后，呈现出某种捉摸不定 的秩序，其中演化、涌现、自组织、自适应、自相似被认为是复杂系统的共同特征。 土壤地下水污染物传输由于受到各种物理、化学、生物等众多繁杂因素的干扰， 毫无疑问的应当属于一个典型的复杂系统。但概括起来，复杂系统的行为本质无非 是“高维性”和“混杂性”。所谓“高维性”是指复杂系统因素繁多，往往需要作 “单目标一多因子分析，甚至作“多目标一多因子”分析。这是从结构上，或者宏 观上去分析土壤地下水环境系统的特点。而“混杂性是指系统具有确定性与不确 定性、讵态与非i f 态、线性与非线性、定性与定量、静态与动态、宏观与微观、平 衡与非平衡等混杂的特征，从而给问题分析增加难度。这是从系统本身所包含的要 华北电力人学硕十学位论文 素以及要素的特点，即从微观上去分析土壤地下水环境系统的特点。 1 2 3 2 系统的不确定性 数值模型经常是以一系列的假设为基础，它利用数学模拟来反映物理系统。模 型参数通常情况下都是确定的。但是，在实际的多孔介质系统中，很多参数都可能 表现出不确定性。那些不确定性主要是和含水层的异质性，还有n a p l 排放和传输 的物理、化学和生物性质有关【4 引。那些参数的性质可能因为地理位置的不同而产生 很大的变化。因此，地下系统的数学模型因为不确定性而变得非常复杂，在模拟过 程中它应该可以处理不确定性。它能否成功地完成地点风险评价和修复系统设计， 主要取决于数值模型是否可以很好地定量化、并结合不确定性到模拟过程。用于风 险评价和修复设计的模型如果低估污染问题可能导致严重的环境污染和健康后果。 另外，以模型为基础的修复系统设计高估一些污染问题，可能导致资源的浪费。因 此，对于研究地下系统的学者来说，如何准确评估不确定性，以及提供合理的污染 物传输和归宿信息以便于进一步的决策制定是一个极具挑战性的问题。对于多孔介 质的不确定性关注，使得大量的研究人员开始致力于更好地了解地下的流动和传输 过程的研究。 1 2 3 3 方法学相对欠缺 环境系统不确定性问题已引起国内外环境领域的高度重视，并成为广泛议论的 一个热点，其分析的主要目的是寻找环境系统的相对确定性。环境中的不确定性主 要体现在环境问题的随机性和模糊性，通常可以用概率论和模糊学来解释。在概率 方法中，用概率分布来描述参数的随机变化。利用一些统计抽样算法，通过数学模 型，再将这些分布应用到输出变量上。而在模糊集方法中，用隶属函数来描述人类 思维的模糊性。这种方法能够非常好地处理“部分j 下确”这个概念，量化语言变量 的不确定性【4 9 1 。这两种不确定性处理方法的基本原理和适用条件是不同的。当有足 够的信息能够估计不确定性参数的概率分布时，就可以广泛使用概率方法；而当信 息量极少时( 即人类语言描述不精确) ，就非常适合用模糊集方法来处理不确定性。 过去几年罩，大量的坏境研究都用到了概率方法或者模糊集方法【3 1 , 5 0 , 5 1 , 5 2 , 5 3 , 5 4 1 。但在 实际情况中，当各种参数具有不同的信息品质时，只应用一种方法来处理不确定性 可能并不可行。例如，用概率分布来描述污染物运移模型中土壤参数的不确定性， 而环境标准和健康影响标准固有的模糊性就存在不确定性。因此，当土壤参数需用 概率分布充分描述的时候，如果用模糊的隶属函数进行表述，那么就可能会丢失或 捕捉不到一些重要的信息。另方面，有些不确定性只能用语言来描述( 如风险评 价标准) ，如果使用概率分布来表示，这种输入信息处理方式的不当将导致模拟初 期就出现严重的输入错误。因此，如何有效地处理模拟过程中出现的各种不确定性 信息是一个非常具有挑战性的问题。单独使用模糊或者随机方法很难能表述这种复 9 华北电力人学硕j = 学位论文 杂性【5 5 1 。目前对于耦合模拟方法的开发尚处于发展阶段，也是国际上的一个 点。 1 2 3 4 实践上的灵活不足 在应用不确定性方法对多相污染物的地下传输进行模拟分析时，还存在 为突出的问题，即计算量的问题。由于多相数值模拟系统计算量大，对于复 壤与地下水系统，往往一次模拟需要花费较长时i 日j 。而不确定性分析往往需 调用数值模拟模型，从而造成计算量十分庞大。在实现效果上，不确定性分 的应用都存在或多或少的困难，特别是对于较为复杂、网格较多且污染面积 实际污染场地的模拟问题。 1 3 主要研究内容和创新点 1 3 1 主要研究内容 本研究将以v a ng e e 和s y k e s 5 6 , 5 7 设计的实验室规模的l n a p l 污染模型系统 为例，研究不确定性影响条件下土壤地下水中的碳氢化合物污染物的传输过程。本 研究模型将以由美国环保署( u s e p a ) 开发的n a p l s i m u l a t o r 为基础，用于模拟多 相系统中有机污染物迁移过程。该软件在控制方程的空问离散方面采用有限单元法， 可以处理多种边界条件的影响，在时问离散方面采用有限差分法。n a p l s i m u l a t o r 可以考虑饱和度孔隙压力关系的迟滞效应，对结点饱和度、压力等物理量迭代求 解，精度较高。 首先，研究将建立基于数值模型的双曲面响应统计模型，用于替代对孔隙度和 固有渗透率对数等参数与污染物饱和度之间的响应关系。其次，基于该统计模型， 还开发了一个模糊参数随机模型系统，用来考查不确定性影响条件下土壤地下水中 的碳氢化合物污染物的传输过程。该系统将多相数值模拟系统、模糊转换方法和蒙 特卡洛模拟技术耦合到一个框架中，可用于处理带有模糊参数的随机不确定性。本 研究不仅有效减少了数值模型在不确定性分析中调用的困难，而且可以对耦合类型 的不确定性输入参数的影响进行综合分析。 1 3 2 预计研究成果与创新 本文提出了利用统计模型替代数值模型进行不确定性分析的思路，可以有效缓 解许多实际地下水不确定性模拟问题中涉及到计算量较大的问题。该统计方法能够 在一定程度反映地下水污染系统的非线性和相关性，进而达到在不确定性分析中简 化数值模型利用次数和减少处理时间的目的。该研究在地下水修复技术过程模拟领 域也有较大的利用前景。 本研究在国内首次应用耦合的模糊随机技术处理土壤地下水模拟中存在的复 l o 华北电力人学硕十学位论文 杂不确定性。不确定参数可以表示为带有模糊信息的概率分布，既双重不确定性。 通过模糊转换与随机分析，可获得带有模糊分析信息的随机统计结果。与传统的模 糊随机分析方法相比，所提出的方法可以有效地处理双重不确定性，并且可以得到 含有更丰富信息的输出变量，同时具备更有效的解法。本研究将开发模糊参数的随 机模型系统用于调查与地下的碳氢化合物污染物传输过程相关的双重不确定性的 影响。在该模型中，数值模拟、模糊转换和蒙特卡罗模拟将被结合到一个框架中， 利用综合的模糊和随机模型方法来系统地处理表现为模糊参数的随机分布的不确 定性要素。 通过耦合不确定分析方法对地下水环境污染模拟问题进行综合研究将是一个 探索性工作。对于具体的研究场地，能够向当地环境管理部门提供科学依据，使他 们能够合理制定与风险评价、污染控制等紧密联系的管理办法，并对现有的工业活 动进行调整，为污染场地的生产与环境保护活动制定长期规划。在应用研究上，作 为一个不确定性分析的方法，该耦合技术可以有效地解决其它类似领域的复杂性模 拟问题。 华北电力人学硕十学位论文 第二章土壤地下水污染模拟基本问题探讨 非水相液体( n o n a q u e o u sp h a s el i q u i d ，n a p l ) 所形成的污染现已对地下水 资源造成了极大的威胁。由于对n a p l 溶解于水和挥发成气念这一复杂过程难以确 定，导致污染问题更为严重。为了解n a p l 地下泄露所造成的影响，关键要对n a p l 的传输及其组分的转化进行模拟与分析。对于多相流传输与转化的完整描述必须包 括各流相( 水相、气相和n a p l 相) 的传输过程，各流相问的质量转换，以及各流 相内各组分的迁移。研究n a p l 地下传输的过程，必须对n a p l 的质量平衡，地下 水、气状态，以及对相与维度作出分析，同时需要进行大量的数据收集和计算。本 章对土壤地下水污染模拟所涉及的基本问题进行初步探讨。 2 1 基本概念 2 1 1 多相多组分系统 石油污染物( 多指n a p l ) 在地下环境泄漏后，根据流体密度与粘度特性，