基于健康风险的石油污染地下水管理模型研究

摘要

近年来，受石油污染的地下水问题备受关注。地下水藏于地下，难以全面监测，治理难度大、时间长、耗资巨大。因此，仅仅依靠单纯的地下水修复技术难以对地下水资源进行科学地修复和管理，迫切需要开展针对地下水石油污染修复方案优化设计和管理的相关研究。本论文致力于地下水石油污染修复的迁移转化模拟、系统优化设计和健康风险评价等方面研究，从多角度探究健康风险评价约束下的地下水修复系统优化设计方法及其不确定性处理，以期为地下水石油污染场地修复和管理提供可靠的决策支持。
　　地下水修复系统优化设计通常采用模拟-优化耦合模型确定地下水最优修复方案，其中的数值模拟过程通常伴随大量不确定性信息和繁琐冗长的计算量。因此，本论文通过逐步二次响应面分析法建立了抽吸率和污染物浓度之间的响应关系替代模拟模型，基于代理方程构建地下水目标规划优化模型，通过对修复成本、环境标准和技术要求的多重不确定性处理得出可靠的地下水最优修复方案，使系统受不确定性的影响降低到最小且各自利益最大化。通过对回归方程的检验确保代理方程的可靠性，地下水目标规划优化模型可以克服传统模型的低精确度问题，并大大减少了计算量。
　　地下水中的石油污染物多数具有较高的毒性和致癌性，会对人体健康造成严重的影响。区别于传统的先治理再进行风险评价的过程，本论文将健康风险评价融入地下水修复系统的框架，将健康风险评价和系统优化设计同时进行，使健康风险评价作为地下水系统优化设计的约束条件之一。通过机会约束规划法处理健康风险评价系统中的参数不确定性，分析健康风险约束下的不确定性对地下水修复系统最优方案的影响。构建基于健康风险不确定性的目标规划模型，采用随机法和目标规划法同时处理经济、环境、技术和风险等四个方面的不确定性，探究多重不确定性同时存在时对地下水最优修复策略的影响规律，得出更加可靠的地下水修复方案，并进一步评价修复后地下水中污染物的健康风险水平。结果表明，健康风险评价作为地下水管理模型的约束条件，其约束力比环境标准的约束更严格。健康风险约束会导致修复成本提高15％-50％，但相应的致癌风险水平得到大大降低，最高可下降8倍。健康风险评价约束下得出的修复方案普遍会导致修复成本上升，但同时相应的污染物浓度和健康风险水平会有大幅度的降低，牺牲一定的经济效益换来更好的环境效益和健康风险效益是值得的。
　　地下水污染修复系统中涉及修复效果、经济效益以及环境和健康风险等复杂性问题，决策者通常来自于各个管理层，并附有上下级的约束关系，在修复系统中关心的侧重点各不相同，需要综合考虑。因此，本论文构建基于双层决策目标的地下水修复优化管理模型，将环境和健康风险作为更重要的关注因素引入上层模型，成本效益作为下层研究内容服从上层模型的要求，反过来上层模型也需考虑下层影响作用，引入模糊满意度使上下层目标尽量同时满足两层决策者利益。结果表明，与只考虑经济效益因素或环境效益因素的单目标模型相比较，双层决策目标模型不仅同时考虑经济因素和环境因素，而且能够反映不同决策者间的从属关系，区别不同影响因素的重要性。从修复成本角度分析，与只考虑环境因素的单目标模型对比，双层决策目标模型可使总抽吸率下降50％-70％;同时从修复效果角度分析，与只考虑经济因素的单目标模型对比，双层决策目标模型可使污染物浓度下降50％以上。得出的最优修复方案不仅能够满足较低的修复成本从而符合下层决策者的期望，而且能够产生较低污染的决策方案，接近于上层决策者的期望，从而避免单目标规划模型产生的极端结果，能同时满足不同层面决策者的地下水修复目标。
　　针对我国目前的污染场地健康风险评价体系中存在的参数不准确、评价标准不一致等问题，本论文建立了基于改进模糊可信度的地下水修复优化管理模型。采用改进的模糊可信度理论提出了模糊集和可信度水平，设立一系列参数取值和评价标准，将其作为约束条件融入地下水修复管理框架中，深入分析不同可能性对可信度的贡献，评价由不同贡献度和可信度水平组成的多情景下模型的最优修复方案。结果表明不同可能性对可信度的贡献度（由0到1）以及不同可信度水平（λ由0.5到1）对健康风险有一定影响，可信度水平越高，健康风险越高，但总体均处在可接受水平范围内(1×10-6-1×10-4)，健康风险的约束大大降低了污染区域的致癌风险水平，为地下水管理者提供了理论依据和数据支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及其意义

1．1．1 地下水环境问题

1．1．2 地下水污染来源及危害

1．1．3 地下水污染修复技术与方法

1．1．4 地下水优化管理模型与方法

1．2 国内外研究动态

1．2．1 石油污染物迁移转化数值模拟及不确定性分析

1．2．2 修复系统优化设计

1．2．3 基于代理方程的地下水管理规划

1．2．4 不确定条件下的决策

1．2．5 污染场地的风险评价

1．3 论文研究内容及技术路线

第2章 污染数值模拟和逐步二次响应面分析

2．1 引言

2．2 数值模拟

2．3 逐步二次响应面分析

2．4 本章小结

第3章 基于代理方程的地下水目标规划优化模型

3．1 引言

3．2 目标规划法

3．3 地下水目标规划模型

3．3．1 基本优化模型

3．3．2 目标规划模型

3．4 结果分析

3．5 本章小结

第4章 基于健康风险约束的地下水修复优化管理模型

4．1 引言

4．2 考虑健康风险不确定性的单目标优化模型

4．2．1 地下水污染物传输模拟

4．2．2 健康风险评价

4．2．3 优化模型

4．2．4 模型求解

4．2．5 结果分析

4．3 基于健康风险不确定性的目标规划模型

4．3．1 初始模型

4．3．2 目标规划模型

4．3．3 健康风险不确定性分析

4．3．4 模型求解

4．3．5 结果分析

4．4 本章小结

第5章 基于双层决策目标的地下水修复优化管理模型

5．1 引言

5．2 地下水双层决策目标模型

5．2．1 双层决策目标规划

5．2．2 地下水修复优化管理模型

5．2．3 模型求解

5．3 结果分析

5．3．1 优化方案分析

5．3．2 健康风险分析

5．4 本章小结

第6章 基于改进模糊可信度的地下水修复优化管理模型

6．1 引言

6．2 基于改进模糊可信度的地下水模型

6．2．1 改进模糊可信度方法

6．2．2 地下水修复优化管理模型

6．3 结果分析

6．3．1 优化方案分析

6．3．2 健康风险分析

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

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