地下水监测网优化布井方法研究

摘要

地下水监测网优化模型是一项经济实用、科学可靠的地下水管理技术。结合数值模拟的地下水监测网多目标模拟优化模型能够最大限度提高监测系统可靠性，得到监测井数量最小的监测系统，并确定监测井的位置，从而使得监测费用最小化。本论文以北京市顺义区一养猪场氨氮污染地下水区域为例，首先利用GMS软件包搭建了地下水水流模型和地下水氨氮溶质运移模型；再利用Monte Carlo分析法分析了水流模型和溶质运移模型的不确定性参数，再又利用Monte Carlo分析结果的基础上构建了监测井影响半径的概率密度分布函数并代入地下水监测网优化模型，从而构建了研究区域地下水监测网多目标模拟优化模型；再用NSGA-II算法建立模拟优化模型多目标函数之间的权衡关系、最大化监测系统的可靠性，确定监测井的数量和位置；最后对模拟优化模型的优化结果进行分析，完成监测井优化。　　论文得到以下结论：　　1、地下水数值模型得到的氨氮污染羽边界与本文所列水文地质参数正相关，较大的降雨入渗系数和池塘入渗补给系数会加强氨氮污染物对地下水的垂向补给，渗透系数则会加大氨氮在地下水中的扩散，这使得模拟得到的污染羽边界扩大，反之亦然。不同的氨氮环境控制标准，也会影响污染羽的边界。污染羽边界也是监测井数量决定性因素之一。　　2、基于数值模型的地下水监测网多目标模拟优化模型构建的监测系统能够更加真实地反映复杂地下水环境，充分结合场地资料，避免了模型与实际水文地质信息脱节。NSGA-II算法对模拟优化模型的求解能够保证多个目标函数的全局收敛，防止多个不确定性参数造成的局部收敛，本论文的两个目标函数分别在运行10代和20代之后全局收敛。　　3、NSGA-II算法结果表明，为使得监测系统的可靠性目标最大化，NSGA-II优化的监测井数量为3口，监测井位置分别为19号、23号和39号监测井，最佳监测井的位置应分别位于氨氮污染羽的上中下游，并呈三角形分布，3口监测井的监测系统最大可靠性目标为76.8％。降低环境控制标准，污染羽的边界会扩散到农田用地以外的区域，此时应建立4口监测井，监测井位置分别为19号、20号、23号和39号。

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1 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究进展

1.3研究目的和内容

2研究区概况

2.1 研究区自然环境概况

2.2 研究区水文地质概况

2.3 研究场地基本情况

3地下水数值模拟模型

3.1水文地质概念模型

3.2 研究区地下水水流模型

3.3 研究区地下水粒子示踪模型

3.4 研究区地下水溶质运移模型

3.5 模型的识别与验证

3.6 本章小结

4地下水监测网多目标优化模型

4.1多目标优化问题的描述

4.2 地下水监测网多目标优化模型的设计

4.3 本章小结

5地下水监测网模拟优化模型

5.1地下水监测网模拟优化模型简介

5.2 地下水监测网模拟优化模型

5.3模拟优化模型的求解

5.4模拟优化结果分析

5.5本章小结

6地下水监测网优化模型和模拟优化模型对比分析

6.1 监测井数量和监测井位置对比分析

6.2监测费用分析

6.3监测网效应及适用性分析

7 结论与讨论

参考文献

硕士期间参加的工作

致谢

附录：NSGA-II算法具体程序