SCE优化算法在地下水纳污能力计算中的应用——以北京西郊地区为例

在已建城近郊区地下水流模型的基础上,通过对模型概化梳理建立水源三厂地区溶质运移模型。采用SCE优化算法与溶质运移模型相耦合,计算一定时期内水源三厂区域可承纳的典型污染物最大允许排放量。经模拟计算,20年内不使水源三厂水质超标情况下,水源三厂保护区内,田村北、西冉村、北坞村东垃圾填埋场的最大NO-3(以N计)和Cl离子年排放量分别为:NO-3(以N计)浓度,北坞村东18.59 t/a、田村北42.29 t/a、西冉村21.45t/a;Cl-浓度,北坞村东235.66 t/a、田村北441.13 t/a、西冉村290.13 t/a。计算结果为水源地污染预警预报系统的建立及其水源地的保护提供科学依据。     

基于遗传算法的田间尺度土壤水力参数与溶质运移参数优化

合理确定田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数，是保证农田土壤水盐动态模拟与预测正确性的的重要前提。本文开展了基于遗传算法（Genetic Algorithms, GA）与农田水文模型SWAP（Soil-Water-Atmosphere-Plant）耦合进行土壤水力参数和溶质运移参数优化的方法研究。GA以选择、交叉和突变三个算子为基础，融入小生境技术、精英保留策略、Micro-GA算子、蠕式突变等改进算法，同时我们引入了子体优生策略。本研究以完全嵌入方式耦合了GA与SWAP模型，以河套灌区曙光实验站为背景，采用土壤剖面分层含水率(θi)和溶液浓度(cml i)、土壤表层含水率(θsur)、实际土壤蒸腾蒸发量(ETa) 作为观测资料，开展了田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数优化的数值试验与相应分析。结果表明：(1) 采用土壤分层信息 (θi和cml i) 作为观测数据，GA参数优化效果很好；(2) 仅采用ETa作观测数据时的参数优化效果欠佳，需慎重使用，而结合ETa与θsur后可提高优化精度； (3) 引入子体优生策略可提高GA的参数优化效率和精度。综上，结合GA与SWAP模型是优化田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数的一种实用方法。     

考虑残留氮对非稳定流场硝态氮淋失贡献的传递函数模型Ⅰ.地中渗透计验证

本文通过引入溶质迁移距离的概率密度函数的修正系数，将Jury等提出的模拟非稳定流条件下土壤保守溶质运移的传递函数模型理论扩展到考虑土壤剖面存在残留氮分布的土壤中，构造了一个能估算表施和残留氮对土壤硝态氮淋失动态贡献的传递函数模型。通过与野外地中渗透计实验资料的对比，表明该模型具有一定的仿真精度，模拟的土壤硝态氮累积淋失量的相对误差小于15％。     

考虑残留氮对非稳定流场硝态氮淋失贡献的传递函数模型

本文通过引入溶质迁移距离的概率密度函数的修正系数，将Jury等提出的模拟非稳定流条件下土壤保守溶质运移的传递函数模型理论扩展到考虑土壤剖面存在残留氮分布的土壤中，构造了一个能估算表施和残留氮对土壤硝态氮淋失动态贡献的传递函数模型。通过与野外地中渗透计实验资料的对比，表明该模型具有一定的仿真精度，模拟的土壤硝态氮累积淋失量的相对误差小于15%。     

基于遗传算法的田间尺度土壤水力参数与溶质运移参数优化

合理确定田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数是保证农田土壤水盐动态模拟正确性的重要前提。本文开展了基于遗传算法(Genetic Algorithms,GA)与农田水文模型SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)耦合进行土壤水力参数和溶质运移参数优化的方法研究。在已有GA基础上引入了子体优生策略,并以完全嵌入方式耦合GA与SWAP模型。采用河套灌区曙光实验站的土壤剖面分层含水率(θi)和溶液浓度(cmli)、表土含水率(θsur)、实际腾发量(ETa)等观测资料,开展了田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数优化的数值试验与相应分析。结果表明:(1)采用土壤分层信息(θi和cmli)作为观测数据,GA参数优化效果很好;(2)仅采用ETa作观测数据时,参数优化效果相对欠佳,需慎重使用,而结合ETa与θsur后可提高优化精度;(3)引入子体优生策略可提高GA的参数优化效率和精度。综上,结合GA与SWAP模型是优化田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数的一种实用方法。     

土壤溶质运移研究现状

介绍了土壤溶质运移理论的发展过程和国内外学者数十年来关于土壤溶质运移的研究成果,探讨了其数学模型、数值计算方法以及参数估算方法的研究现状。     

考虑土壤中硝态氮转化作用的传递函数模型

本文运用传递函数模型，模拟了冬小麦从播种至返青期地中渗透计土壤2m出流处的NO-3N浓度动态。假设模拟时段内冬小麦的根系吸氮与累积实际蒸散量成正比，计算了冬小麦的吸氮动态(汇项)；联立由田间氮素平衡法所得的净矿化项(源汇项)从而获得净源汇项。在模型中将NO-3-N在土壤中的主要转化作用作为源汇项嵌入传递函数的模型中，建立了NO-3-N这一不稳定溶质在土壤中淋失的传递函数模型。通过对比实测资料，表明作者提出的考虑NO-3-NN主要转化作用的传递函数模型较通常保守溶质的传递函数模型具有更好的仿真精度。     

基于GMS的北京西郊垃圾场地下水溶质运移模拟

地下水溶质运移模型是找出污染物迁移规律、确定污染范围及污染物浓度分布的重要手段,可以为地下水资源管理和地下水污染修复提供定量依据。以北京市西郊典型地段为研究区,利用GMS软件建立地下水溶质运移模型,在南水北调来水后,地下水开采方案改变条件下,预测了Cl-、NO23-和THD浓度场。结果表明:垃圾填埋场污染物浓度整体呈上升趋势,劣质水面积增大,需要对原有地下水开采方案进行调整,防止地下水污染范围扩大。     

土壤溶质运移的边界层运动

本文以半无限土壤溶质运移的对流——弥散方程为例研究边界层运动规律。运用Laplace变换方法推导土壤溶质运移的边界层方程。数学分析表明边界层上溶质通量假设对于计算边界层运动距离和溶质浓度是可行的。边界层运动方程的一个重要应用是估算溶质运移参数，这个估算参数方法在数学上更简单、信息利用更全面，是一个值得研究和发展的新方法。     

应用连续时间随机游动理论模拟重金属镉在水土环境中的运移

定量化研究重金属镉在碱性土壤中的迁移对我国北方水土资源环境的保护具有重要意义。本文以保守性溶质Cl-作为参照，以饱和土柱中开展的镉（Cd2+）在三种土壤、两种输入浓度条件下的室内易混合置换实验为模拟对象，运用一种从物理本质上刻画溶质运移现象的新颖方法－连续时间随机游动（Continuous Time Random Walk, CTRW）理论，模拟Cl-和Cd2+在几种特定实验条件下的运移动态。模拟值与实测值的对比显示，无论是保守性溶质Cl-还是重金属Cd2+，CTRW理论都能够较好地拟合它们在不同实验条件下的穿透行为，较完整地刻画出它们在供试土壤中的出流液浓度动态。相对于保守性示踪剂仅受到物理非平衡条件的影响，同一土柱中的重金属镉的运移同时还受到化学非平衡条件的影响，因而导致了镉与示踪剂所对应的CTRW参数的差异。本文对CTRW理论在重金属运移行为模拟中的应用，既是对该理论模拟重金属镉在水土环境中迁移的有效性的评价，同时也在一定程度上为深化对CTRW中参数物理意义的理解，特别是为进一步加深对这些参数与非平衡条件之间的关系的理解提供了重要的参考依据。     

土壤中硝态氮淋洗的传递函数模拟和预报

运用传递函数模型(Transfer Function Model,TFM)作为随机模拟工具，对灌溉入渗重分布条件下非饱和土壤中硝态氮的运移进行了数学模拟。获得了实验条件下土壤中硝态氮迁移时间的概率密度函数和中值与均值迁移时间及运移体积分数，仿真了实验期间硝态氮的出流浓度动态，估算了硝态氮的累积淋洗量。     

非饱和土壤中吸附性溶质运移的基本方程和参数结构

本文应用随机场的谱分析方法，研究了吸附性溶质在非饱和，非均匀土体中运动时平均浓度所遵循的基本方程。当非饱和水分运动以重务为主要作用力时，设经对数变换后的土壤饱和渗透系数，吸附系数和α参数为正态平稳随机场，求得了宏观弥散度的解析表达式。研究结果表明，宏观散度由三部分组成，分别来源于非饱和渗透系数的自相关函数，非饱和渗透系数吸附参数的互相关函数，以及吸附参数的自相关函数。     

盐渍土氯离子在混凝土中运移的耦合模型研究

通过Comsol Multiphysics模拟了盐渍土氯离子在混凝土内的运移机制。基于Fick第二定律,研究了考虑电迁移场作用、结合作用以及毛细作用的氯离子运移规律。研究表明:结合作用阻碍氯离子向混凝土内部运移,电势场和毛细作用促进氯离子向混凝土内部运移;随着氯离子向混凝土内运移,结合作用逐渐减小,初期的电场作用先增加后减小;随时间增加,结合作用与电场迁移作用减小;毛细作用仅在离子侵入初期约1.5 h内影响明显。在结构寿命期内忽略毛细作用,建立综合扩散、电场迁移及结合作用的耦合模型,预测了混凝土结构寿命,模型得到了较好的验证。     

考虑残留氮对非稳定流场硝态氮淋失贡献的传递函数模型Ⅱ农田应用

应用田间冬小麦-夏玉米生长条件下土壤硝态氮淋失动态的试验资料，对所提出的可估计表施和残留氮对土壤非稳定流场中硝态氮淋失贡献的传递函数模型进行了检验。首先，对所选定的农田中的两个土壤剖面，估算了硝态氮和氯离子的中值与均值迁移时间，然后，利用我们的模型，使用其中一个土壤剖面标定硝态氮和氯离子运移的概率密度函数的参数，接着，应用标定后的传递函数模型，模拟了另一个土壤剖面的硝态氮淋失浓度和累积淋失量动态，并分别估算了表施和残留氮占硝态氮总淋失量的分数。结果表明：提出的传递函数模型在农田条件下对土壤硝态氮累积淋失量模拟的相对误差为14.89%。     

Contaminant transport through fractured-porous media: An experimental study

In this paper, an experimental study has been carried out to investigate the behavior of solute transport through fractured-porous media. Experimental set-up consists of fractured-porous media which has been created with clay (matrix) and a single fracture is created in middle of the clay matrix in flow direction. During experiment, the clay matrix is saturated with fresh water and solute tracer is injected in the fracture at inlet and the samples are collected from out let for different times of interval. Concentration profiles of experimental data of chloride and fluoride are simulated with developed numerical model to estimate transport parameters. Results show that the value of matrix-diffusion coefficient depends on fracture velocity and residence time till to reach in equilibrium condition. It is also found that higher value of diffusion coefficient leads to reduce the magnitude of solute concentration in the fracture. The experimental results indicate that there is substantial diffusion and sorption in the fractured-porous matrix. The estimated parameters and numerical model can be used for design of waste disposal system in the fractured matrix system. Finally, numerical results of various temporal moments have been predicted to study the behavior of reactive solute in the fracture, and it was found that the behavior of solute mass recovers, mean arrival time and second time moment are nonlinear along the travel distance for solute in the fracture in the presence of matrix-diffusion and decay rate coefficient.     

Simulation of runoff and phosphorus transport in a Carpathian catchment,Slovakia

A comprehensive, GIS‐based modelling approach is developed to estimate runoff and phosphorus transport within a watershed at a daily time step. The approach relies on the use of GIS data for deriving major critical model parameters that exhibit distinct spatial variability over the catchment. Surface runoff is calculated by a modified rational method, which depends upon rainfall intensity, soil moisture status, slope, land‐use and soil characteristics. Phosphorus loading is estimated as a function of the runoff volume and the event mean concentration for different land use categories. A diffusive approximation method is used to trace runoff and phosphorus transport to the basin outlet. The modelling approach is tested in the Margecany catchment, Hornad River basin, Slovakia, to simulate runoff, phosphorus loading, and its transport on a daily time scale using data observed between 1995 and 2000. Satisfactory results of the hydrographs and phosphorus concentration at the basin outlet are obtained, though more efforts regarding the phosphorus cycling and its biochemical reactions need to be clarified by further research. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

一维变密度溶质运移实验及参数推求

通过室内土柱注水实验,观测沙质土壤中氯离子浓度的变化过程。以变密度水流连续性方程、溶质运移方程和达西方程为基础,运用有限单元法和差分法对这3个方程进行联立求解,建立了一维变密度水流和溶质运移数值模型。利用实验数据反求变密度渗透系数、弥散系数等水动力参数。     

不同数学模型模拟非均质土壤溶质大尺度运移的对比分析

利用长度为1250cm的非均质土柱中NaCl运移的试验资料,分别应用对流-弥散方程(CDE)、两区模型(TRM)、对流对数正态传递函数模型(CLT)、分数微分对流-弥散方程(FADE)和连续时间随机游走理论(CTRW)等数学模型对长土柱中溶质的运移过程进行模拟,对比各个模型的模拟结果,并从模型机理上分析模拟结果差异的原因,探讨各种模型描述非均质土壤中溶质大尺度运移的适用性。结果表明:CDE、CLT和FADE难以描述非均质土柱中的不规则穿透曲线,但FADE对穿透曲线尾部的模拟精度比CDE和CLT有所提高;与CDE、CLT和FADE相比,两者的模拟结果与实测值吻合更好,在穿透曲线尾部CTRW的模拟值略大于TRM的模拟结果;两者不仅较好地描述了穿透曲线的提前穿透和拖尾等不规则特征,而且捕捉到了非均质土柱中溶质不规则运移程度随着尺度增加而减弱的变化趋势。尽管TRM和CTRW均能很好地模拟长土柱试验所研究的饱和非均质土壤中保守性溶质的一维运移问题,但对于复杂的溶质运移问题的模拟,TRM和CTRW各有其优缺点。     

入渗水头对注射灌土壤水分运移及分布的影响

为了研究入渗水头对注射灌土壤水分运移及分布特性的影响,通过室内注射灌入渗模拟试验,测定了不同入渗水头下注射灌的累积入渗量、湿润锋运移距离和土壤剖面的含水率。研究表明:注射灌的累积入渗量与时间呈幂函数关系,入渗水头越大,相同入渗时间的累积入渗量越大。土壤湿润锋近似为圆心在出水口偏下的半圆形,湿润锋随时间延长运移速度变缓。在出水口下方土壤湿润范围比出水口上方大,土壤含水率也较大。入渗水头越大,相同入渗时间的土壤湿润范围越大,相同位置的土壤含水率越高。本研究结果丰富了注射灌理论,为入渗水头的选择提供参考。     

考虑弥散尺度效应与不动水体的反应性溶质运移动力学模型及半解析解

将弥散度概化为运移距离的渐进函数,并考虑土壤孔隙中存在的不动水体以及溶质的吸附和降解,建立了考虑弥散尺度效应的溶质运移两区模型(TRMS,Two-Region Model with Scale-dependent Dispersion),通过Laplace变换和de Hoog数值反演方法求得了模型的半解析解,并运用混合拉普拉斯变换有限差分法验证了半解析解的准确性。通过TRMS与弥散度为常数的两区模型(TRMC,Two-Region Model with Constant Dispersion)之间的比较,分析了弥散尺度效应对溶质运移过程的影响,并利用算术平均方法计算了TRMS的等效弥散度,最后应用TRMS和TRMC模拟了长度为1250cm的一维非均质土柱中的溶质运移过程。结果表明:TRMS的等效弥散度反映了弥散尺度效应的影响,可以近似作为区域弥散度的平均值,采用等效弥散度时,TRMC描述的穿透曲线与TRMS的模拟结果基本一致;TRMC的模拟结果与非均质长土柱的浓度实测值存在较大偏差,而TRMS的模拟精度有了较大程度的提高,能够更好地模拟非均质长土柱中溶质的不规则运移过程,说明本文建立的TRMS能够较好地模拟非均质介质中溶质在较大尺度上的运移过程。