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技术

本发明专利技术公开了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，该方法主要基于多次同化在时间和空间尺度上全局分布的动态变量观测数据，并利用集合平滑来联合刻画地下水污染源的信息和水力渗透系数场。根据统计信息生成初始水力渗透系数场、各污染源信息参数初始值和多次数据同化的次数；基于初始或上一阶段数据同化后更新的污染源各参数和渗透系数，通过地下水流动模型和溶质运移模型预测各时间段的状态变量；基于预测值和观测值的差异，利用集合平滑技术更新污染源信息和渗透系数场，循环这一过程，直至达到设定的同化次数。本发明专利技术能够同时刻画水文渗透系数场和污染源的位置、污染物释放时间、释放时长和污染物释放浓度。放浓度。放浓度。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于水文统计
，具体涉及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。

技术介绍

[0002]我国水资源由于分配不均、开发不合理、地表水和地下水均受到严重污染。并且随着我国城市化进程的加速发展，国内各类水体均受到不同程度的污染，工业、农业、生活污水大量排放侵入地下含水层中，致使全国97％的城市地下水遭受污染。地下水污染中的有害化学物质可能会引起传染病或慢性中毒现象，根据国家“水十条”中明确指出要切实加强水环境管理，将各类污染源纳入调查范围，防治地下水污染并严格进行环境风险控制，全力保障水生态环境安全等要求，污染源的发现与整治刻不容缓。
[0003]当污染物被释放到地下，它不仅会危害人类的健康，而且会损害当地生态圈，尤其是当污染物本身具有高风险性的时候！但是无论污染物是无意或故意的被泄漏到地下，从污染源下游的观测到的污染物信息是很难追溯到污染源。尽管追溯污染源是个很艰巨的任务，然而，我们了解污染源的信息对于地下水污染管理、污染控制、污染风险评估和修复都是至关重要的。因此，在过去的几十年中，对于在检测到地下水被污染后，如何识别出污染源的位置，释放量等问题成为了人们持续关注和想要了解的焦点。而通过同化污染物溶度等观测数据利用逆模拟方法是一个行之有效的解决方法。
[0004]根据污染源识别的逆建模方法的特点，可以将其分成三类：(1)优化方法；(2)概率方法；以及(3)确定性方法。对于第一类利用优化方法识别污染源，此方法的目标是最小化一个根据污染源的参数定义的计算模拟浓度和测量观测值差异目标函数。对于第二类利用概率方法识别污染源，此方法的目标一般是在给定观测数据的情况下，使得污染源相关参数的后验概率最大。对于第三类利用确定方法识别污染源，此类方法的主要目标是在时间上向后求解对流-弥散方程。但是这些很难同时刻画污染源的多个未知信息参数和研究区的水文地质参数。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了克服
技术介绍
的不足，本专利技术公开了一种基于多次数据同化的集合平滑的地下水污染源信息和水力渗透系数场联合反演的方法，该方法通过多次同化所有时间段和区域的状态变量观测数据，利用集合平滑技术来刻画研究区水文渗透系数场和污染源的位置、污染物释放时间、释放时长和污染物释放浓度。
[0006]技术方案：本专利技术的地下水污染源信息和水力渗透系数场联合反演的方法，包括以下步骤：
[0007]S1、根据水文地质统计信息，利用序贯高斯模拟生成初始水力渗透系数场；根据调查及经验确定地下水污染源信息；设定多次数据同化次数以及初始水位场；
[0008]S2、对于第i次数据同化，基于初始水位场和更新的(初始)参数场和以及更新的
(初始)的污染源信息，根据地下水流动方程和污染物运移方程预报全局的水位场和污染物溶度分布场；
[0009]S3、同化所有时间段的所有水位及污染物溶度观测数据，基于在观测井处，预报的水位和污染物溶度数值和观测的水位和污染物溶度数值的差值，利用集合平滑的更新方程式更新污染源各信息和水力渗透系数场；
[0010]S4、重复S2-S3的过程进行同化过程直到设定的最大同化次数为止。
[0011]其中，地下水污染源信息包括污染源位置(x及y轴方向)、污染物释放初始时间、持续时长、以及释放量的可疑范围，并在均匀分布的可疑范围内随机采样。
[0012]进一步的，S1具体为：
[0013]生成初始水文渗透系数场lnK、初始污染源位置X(x坐标轴方向)以及Y(y坐标轴方向)、初始释放时间T、释放时长ΔT以及释放浓度M，并构建参数向量S，通过初始水位场和浓度场构建状态变量向量V：
[0014][0015]进一步的，S2具体为：
[0016]基于初始变量向量V0(包括水位场和初始污染物浓度场)以及初始或前次数据同化更新的参数向量(包括更新的对数渗透系数场和污染物各信息参数)，通过地下水流动和污染物运移的状态转换方程ψ预报全局的状态变量向量分布场
[0017][0018]进一步的，S3具体为：
[0019]基于(i-1)次数据同化更新的参数增益向量观测井处的预报状态变量观测井处的观测值V
o,i
的差值和卡尔曼增益更新第i次数据同化后的参数向量其中卡尔曼增益是渗透系数和污染源信息参数和观测点处状态变量的交叉协方差以及观测点处状态变量的自协方差和误差方差R
i
的函数，
[0020][0021]其中
[0022][0023]从上式可知，误差方差R
i
和观测误差e
i
分别由误差方差放大的非递增序列a
i
和放大。并且，当总的数据同化次数为N
a
,误差方差放大的非递增序列a
i
满足
[0024]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优点为：首先，本专利技术能够同时刻画水文渗透系数场和污染源的位置、污染物释放时间、释放时长和污染物释放浓度；其次，本方法是
只需知道污染源各信息参数的大致取值范围，便可通过同化状态变量观测数据来确定污染源各信息参数。
附图说明
[0025]图1为实施例中观测井和实际污染源位置示意图；
[0026]图2为本专利技术的方法流程图；
[0027]图3为实施例中无观测数据同化和在不同数据同化次数后更新的对数渗透系数和污染源各信息的平均绝对误差(AAB)和集合散度(ESp)图；
[0028]图4为实施例中基于不同数据同化次数更新的污染源各信息的箱型图，图中横向虚线表示各污染源参数的真实值。
具体实施方式
[0029]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。
[0030]为了验证本专利技术是可以通过基于多次数据同化的集合平滑对实现对地下水污染源信息和水力渗透系数场进行联合反演的方法，在一个饱和，稳定流的承压含水层中验证，该含水层空间二维为1000[L]*1000[L]，厚度为50[L]，且离散为50*50*1个单元格，每个单元格为20[L]*20[L]*50[L]，模型西边界为定水头边界且给定水位分别为50[L]。东边界为给定流量边界，且北段边界流量为-20[L3T-1
]，南段边界流量为-40[L3T-1
]。模型南、北边界为隔水边界。
[0031]如图1所示，给定25口观测井和真实污染源位置，三角代表观察井圆圈代表污染源。通过序贯高斯模拟[Deutsch and Journel,1998]，并依据均值为-1ln[LT-1
]，标准差为1ln[LT-1
]，最大相关长度和最小相关长度分别为300[L]和200[L]，角度为135度的指数变异函数模型生成高维度的服从高斯分布的对数水文渗透系数参考场。
[0032]含水层初始污染物浓度为0[ML-3
]，除西边界定水头外，含水层初始水头设为58[L]，其他地下水流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下水污染源信息和水力渗透系数场联合反演的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据水文地质统计信息，利用序贯高斯模拟生成初始水力渗透系数场；根据调查及经验确定地下水污染源信息；设定多次数据同化次数以及初始水位场；S2、对于第i次数据同化，基于初始水位场和更新的参数场和以及更新的的污染源信息，根据地下水流动方程和污染物运移方程预报全局的水位场和污染物溶度分布场；S3、同化所有时间段的所有水位及污染物溶度观测数据，基于在观测井处预报的水位和污染物溶度数值和观测的水位和污染物溶度数值的差值，利用集合平滑的更新方程式更新污染源各信息和水力渗透系数场；S4、重复S2-S3进行同化过程直到设定的最大同化次数为止。2.根据权利要求1所述的地下水污染源信息和水力渗透系数场联合反演的方法，其特征在于：S1中地下水污染源信息包括污染源位置、污染物释放初始时间、持续时长、以及释放量的可疑范围，并在均匀分布的可疑范围内随机采样。3.根据权利要求2所述的地下水污染源信息和水力渗透系数场联合反演的方法，其特征在于，S1具体为：生成初始水文渗透系数场lnK、初始污染源位置X(x坐标轴方向)以及Y(y坐标轴方向)、初始释放时间T、释放时长ΔT以及释放浓度M，并构建参数向量S，通过初始水...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐腾，陈沁宇，张国栋，张文俊，鲁春辉，谢一凡，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：