地下水中典型污染物反应性迁移与修复的随机模拟优化研究

Revealing the mechanism of the reactive contaminant transport in groundwater is the fundamental prerequisite for accurate simulation and effective remediation. Here we select the typical reactive non-point source contaminant (e.g., nitrogen) and point source contaminants (e.g., nitrobenzene/heavy metal Cd, Pb) to start the project. Through the laboratory experiment, numerical simulation and field comprehensive test and other methods, the effects of medium properties and spatial scale on the migration of typical contaminants are investigated by comparing the multi-scale migration characteristics of typical reactive contaminants under different conditions and comparing the mechanism of reactive contaminant in groundwater under different scale conditions and the scale effect of parameters of reactive contaminant. Also, the influence factors of the media characteristics, the hydraulic properties and the hydrochemical conditions on the effect of the pollution migration and the remediation effect are investigated in detail. A stochastic simulation optimization model for characterizing the typical reactive contaminant migration and its remediation is constructed by simulation-optimization technique to explore the solution technology of groundwater time-varying stochastic dynamic optimization model under hydrogeological uncertainties. Moreover, we will develop a simulation-optimization software with independent intellectual property rights that can be effectively used for optimal design of groundwater reactive contaminant migration and its remediation under uncertainty. The results of this project can effectively promote the innovation and development of the optimization theory of groundwater contaminant control and enhance the international status of China in the field of groundwater simulation and optimization.

揭示反应性污染物在地下水中的迁移机理是对其进行准确模拟和有效修复的根本前提。本项目拟分别选择典型的面状（氮素）和点状（硝基苯/重金属Cd、Pb）反应性污染物，通过室内实验、数值模拟和现场综合试验等多种方法，研究考虑介质随机变化条件下典型反应性污染物的多尺度运移特征，对比不同尺度条件下地下水中反应性污染迁移机理与污染反应参数尺度效应的量化表达，揭示介质特性和空间尺度对典型污染物迁移的影响规律；重点对比研究点源有机污染不同修复方法的差异及影响因素，阐明介质特性、水力特征和水化学条件对污染迁移和修复效果的协同影响。借助模拟-优化技术构建典型反应性污染物运移与治理的随机模拟优化模型，探索不确定条件下地下水时变随机动态优化模型的求解技术；开发具有自主知识产权的地下水反应性污染迁移与修复的随机模拟-优化软件。本项目成果能有效推进地下水污染治理优化理论的发展，提升我国在地下水模拟优化领域的国际地位。

本项目分别选择典型的场地点状重金属（汞、镉等）与面状氮素反应性污染物，通过室内实验、数值模拟等多种方法，研究考虑介质随机变化条件下典型反应性污染物的多尺度运移特征，对比不同尺度条件下地下水中反应性污染迁移机理与污染反应参数尺度效应的量化表达，揭示介质特性和空间尺度对典型污染物迁移的影响规律；对比研究了点源有机污染不同修复方法的差异及影响因素，阐明了介质特性、水力特征和水化学条件对污染迁移和修复效果的协同影响。利用开发的可见光微观成像技术测定了半透明介质材料微观结构的典型单元体特征以及有机物在二维半透明石英砂中的长期迁移过程，结果表明颗粒材料的非均质性是广泛存在的，其典型单元体尺度近似为高斯分布，最小尺度为0-12.0mm，平均为10.0mm，而有机污染物的迁移会受含水层介质非均质性和PCE的相对渗透率的影响。引入拉普拉斯-外壳法对渗透系数场进行尺度提升，并与基于传统算术平均尺度提升方法进行对比，表明基于该方法的渗透系数尺度提升方法可以保证地下水运移与污染修复模拟的精度，同时还可节省大量计算成本。利用模拟-优化技术构建了典型反应性污染物运移与治理的随机模拟优化模型，研究考虑参数不确定性变化条件下地下水系统随机动态优化耦合模型的求解方法，研发了多种基于智能进化和替代模型的多目标优化技术；开发了具有自主知识产权的地下水反应性污染迁移与修复的随机模拟-优化软件，并成功应用于流域尺度地下水中氮素迁移转化模拟与地下水资源调控管理实践，具有较好的推广与应用潜力。