基于能源、环境与健康的地下水修复优化模型研究

摘要

在众多地下水修复技术中，抽出—处理修复系统是当前应用最为广泛的技术。修复方案决策良好的抽出—处理修复系统具有简便易行、反应迅速和修复效果优良等多方面优点;修复方案存在瑕疵的情况下，抽出—处理修复达不到修复目标还浪费大量人力物力资源。因此，在抽出—处理修复实施前进行方案的优化决策，可以在尽量降低修复成本的前提下，保障修复效果。另外，健康风险近些年来受到了越来越多的关注。在环境修复相关研究中，部分研究者将健康风险控制作为类似于环境标准的约束条件，使环境修复更加人性化。本研究开展基于环境标准和健康风险控制双重约束的地下水污染修复优化决策研究，可以更好的保护人体健康并有助于社会可持续发展。对地下水模拟优化过程的不确定性因素进行处理，能够提高地下水修复决策的可靠性和有效性，避免修复失败或过度修复情况的发生。将包含可再生能源的混合能源系统应用于环境修复工作中，也是基于保护和修复环境质量为原则，降低修复工作成本的有效手段。本论文主要研究内容如下:
　　(1)地下水环境较地表水环境更为复杂，地下水污染在通常情况下难以察觉并且对已发现的污染开展修复也更为困难。为了获取更多的数据并直观的展示地下情况，需要应用数值模拟手段预测、分析地下水流动情况和污染物迁移情况，而传统方法的一大缺点就是运算量大。因此，本文采用逐步二次响应面分析法建立代理方程，并对方程进行检验以确保代理方程的可靠性。建立基于逐步二次响应面分析的地下水非线性模型，将水文地质条件等修复策略相关基础参数作为输入、目标污染物浓度等修复结果相关参数作为输出，依据污染物运移转化的模拟结果，对变量间关系进行研究。研究结果证明，该方法可以克服地下水模拟缺乏数据和精确度较低的问题，并缩短计算时间提高效率。
　　(2)在代理模型研究成果的基础上，建立抽出—处理修复优化决策模型，首先关注环境标准约束和修复期等因素对优化决策的影响。国家、地区之间以及水用途不同，地下水环境标准存在较大差异。另外，地下水赋存形态使得污染物浓度的分布也是不均匀的。本研究通过设定一系列环境标准浓度梯度和修复期，并引入模糊集方法对环境标准约束进行处理，各种修复方案均有对应的满意度指数。研究结果表明，该优化决策模型可以在各种修复情景下提出相应的最优化修复方案建议;模糊的环境标准约束使模型输出了更多样化的修复方案，而当环境标准约束波动范围过大时，修复方案受其影响较低。
　　(3)将健康风险评估引入到所述地下水修复优化决策模型中，解决健康风险评价中具有模糊性、随机性的部分参数的不确定性，并分析多种不确定性参数对修复方案决策和健康风险等修复效果相关指标的影响，为决策者提供数据支持和决策依据。在相同的一系列环境标准梯度和修复期情境下，对比分析环境标准约束和健康风险约束的效力、考虑和不考虑参数不确定性方案的健康风险等相关指标的表现和影响健康风险参数的重要性顺序等。研究结果表明，健康风险相关内容的引入，可以弥补环境标准宽松情况下对人体健康风险的忽略;考虑不确定性健康风险评价参数的优化决策，虽然修复成本较不考虑的情况高，但健康风险水平降低幅度很大;在影响健康风险的几个不确定性参数中，暴露频率是对修复方案影响最大也是最为重要的参数。
　　(4)在以往的研究中，为了控制成本，大多数研究者倾向于优化修复方案或延长修复期来达到降低抽出—处理修复成本的目的，这些研究主要是尽可能地降低抽吸率，但很可能导致修复效率降低，甚至造成人体健康危害。本论文采取一个新的角度，提出应用混合能源系统和健康风险评价的地下水修复优化设计。寻求利用传统能源和可再生能源的最佳方式，在保障修复效率和人体健康的前提下降低抽出—处理修复的运行成本，并为决策者提供各种情景下的最优修复方案建议。对两个实际场地的研究结果表明，短期修复主要依赖传统能源，随着修复期延长，由于可再生能源建设成本的回收，太阳能逐渐取代传统能源作为主要能源供应。在加拿大案例的4种修复期中，10年修复期的方案在健康风险控制、污染扩散控制和成本方面具有较稳定的均衡表现，因此为最优修复期选择;国内案例则是7年修复方案更为优秀。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及其意义

1．1．1 地下水石油污染现状

1．1．2 地下水污染主要修复技术

1．1．3 能源环境现状

1．1．4 风险评价

1．2 国内外研究动态

1．2．1 抽出—处理技术成本概述

1．2．2 混合能源系统研究现状

1．2．3 地下水修复系统管理与优化设计

1．2．4 地下水环境健康风险分析

1．3 论文研究内容及技术路线

第2章 基于逐步二次响应面分析的代理模型

2．1 引言

2．2 地下水污染运移数值模拟

2．3 基于逐步二次响应的代理模型

2．4 研究结果

2．5 本章小结

第3章 不确定性环境标准约束的地下水优化模型

3．1 引言

3．2 不确定性优化模型

3．2．1 基本优化模型

3．2．2 不确定性约束及求解

3．3 案例分析

3．3．1 研究场地概况

3．3．2 数据调研

3．4 结果分析和讨论

3．5 本章小结

第4章 模糊健康风险约束的地下水修复优化模型

4．1 引言

4．2 环境标准和健康风险双重约束的模型

4．2．1 健康风险评估

4．2．2 模型目标

4．2．3 技术和环境标准限制

4．2．4 综合不确定性的优化模型

4．3 研究场地概述和数据准备

4．3．1 研究场地概况

4．3．2 数据准备

4．4 结果分析和讨论

4．4．1 抽吸率分析

4．4．2 健康风险分析

4．4．3 不确定性分析

4．5 本章小结

第5章 模糊随机不确定性健康风险约束的地下水修复优化模型

5．1 引言

5．2 不确定性健康风险约束的优化模型

5．2．1 模糊随机不确定性模型

5．2．2 模型求解

5．3 研究场地概述和数据准备

5．3．1 研究场地概况

5．3．2 数据准备

5．4 结果分析和讨论

5．4．1 总抽吸率和累计总抽吸量分析

5．4．2 典型方案抽吸率分析

5．4．3 健康风险水平分析

5．4．4 污染物浓度分析

5．4．5 对比分析

5．5 本章小结

第6章 应用混合能源和健康风险约束的地下水修复优化模型

6．1 引言

6．2 混合能源系统和健康风险约束的地下水修复优化模型

6．2．1 模型目标

6．2．2 能源相关约束

6．2．3 健康风险和环境技术相关约束

6．3 研究案例一

6．3．1 案例一场地概况

6．3．2 结果分析与讨论

6．4 研究案二

6．4．1 案例二场地概况

6．4．2 结果分析与讨论

6．5 本章小结

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介