地下水環(huán)境修復工藝優(yōu)化設計研究進展

何 理，李 晶，任麗霞，杜 鵬，董煥煥，黃國和

(華北電力大學資源與環(huán)境研究院，北京 102206)

地下水環(huán)境修復工藝優(yōu)化設計研究進展

何 理，李 晶，任麗霞，杜 鵬，董煥煥，黃國和

(華北電力大學資源與環(huán)境研究院，北京 102206)

介紹了3種應用相對廣泛的地下水修復技術(shù)，即抽出處理法、可滲透反應墻和自然降解法，重點回顧和評述了地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計的方法，探討了結(jié)合健康風險評價體系和不確定性研究的地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計，旨在為地下水資源的修復和管理提供理論依據(jù)。

地下水污染;地下水修復技術(shù);地下水修復系統(tǒng);優(yōu)化設計;不確定性;健康風險評價

隨著人口的增長和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國地下水的開采量逐年加大。但過度開采地下水，使我國很多地區(qū)形成了嚴重的地下水漏斗。此外，地表環(huán)境污染加劇，農(nóng)業(yè)灌溉以及農(nóng)藥化肥的過度施用，引發(fā)了地下水污染問題，嚴重威脅到我國居民的身體健康和財產(chǎn)安全［1］。日益嚴峻的地下水環(huán)境問題已經(jīng)成為自然、社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。國家環(huán)境保護部于2011年發(fā)布地下水環(huán)境影響評價技術(shù)導則，“十二五”規(guī)劃中也明確提出推進地下水污染防控，控制城鎮(zhèn)污染、農(nóng)業(yè)面源污染對地下水的影響，嚴格監(jiān)控受污染土壤和污水灌溉對地下水的影響等。這標志著我國已經(jīng)開始高度關(guān)注地下水的污染問題。

1 地下水修復技術(shù)

進入地下水的污染物主要來源于人類的活動。生活污水和垃圾會引起地下水的總硬度、硝酸鹽和氯化物含量的升高，有時還會造成病原體污染。工業(yè)廢水和廢物則造成地下水中有機化合物和無機化合物污染。農(nóng)業(yè)上過度施用的化肥和農(nóng)藥，將使地下水中硝酸鹽含量增高。目前地下水中較為普遍的污染物主要是石油化工產(chǎn)品、硝酸鹽和重金屬。

關(guān)于地下水污染修復，國外尤其是歐美國家，從20世紀70年代以來對地下水污染治理的研究取得了較大的進展［2］。我國已在地下水污染調(diào)查及污染物遷移轉(zhuǎn)化模式方面做了一些基礎性的研究，近年來針對地下水治理技術(shù)及其應用的研究逐漸增多。在眾多的地下水修復技術(shù)中，應用最廣泛的3個方法是抽出處理法、可滲透反應墻和自然降解法。

1.1 抽出處理法

抽出處理法是目前應用相對普遍的方法，它是通過建立一系列的井群，將受污染的地下水用抽水井抽送到地面加以處理的方法。井群系統(tǒng)能夠控制受污染地下水的流動，故抽水井群的建立是抽出處理法的關(guān)鍵。在地面上建立同地表水處理相類似的地下水污水處理系統(tǒng)，可采用的方法有物理法、化學法和生物法。物理法指對抽出的含有污染物的地下水利用吸附、重力分離、反滲透和焚燒等方式將污染物去除?；瘜W法包括混凝沉淀、氧化還原、離子交換和中和等方法。生物法有活性污泥法、生物膜法、厭氧消化法和土壤處理法等。具體采用哪種方法要依據(jù)污染物的理化特點及其他因素等來決定。處理后的地下水一般有兩個去向，一是直接使用，二是用于灌溉，且多用于回灌，原因是回灌既可以稀釋受污染的水體，沖洗含水層，又可以加速地下水的循環(huán)流動，從而縮短地下水修復的時間。

1.2 可滲透反應墻

可滲透反應墻是在地下含水層中安置活性材料墻體，以便攔截污染羽狀體，使污染羽狀體通過反應介質(zhì)后轉(zhuǎn)化為環(huán)境可接受的另一種形式，實現(xiàn)污染物濃度達到環(huán)境標準的目標?？蓾B透反應墻主要由透水的反應介質(zhì)組成，它通常置于地下水污染羽狀體的下游，與地下水流相垂直。污染物去除機理有生物和非生物兩種。受污染的地下水在自身水力梯度作用下通過可滲透反應墻時，產(chǎn)生沉淀、吸附、氧化還原和生物降解反應，使水中污染物得以去除，在可滲透反應墻下游流出處理后的凈化水。此法可去除溶解在地下水中的有機物、金屬、放射性物質(zhì)以及其他污染物質(zhì)［3］。

1.3 自然降解法

自然降解法在國外應用廣泛。它是根據(jù)修復年限預測污染物的污染范圍，將受污染的區(qū)域圈起來，建立一系列監(jiān)測井，實時監(jiān)測污染物濃度，憑借污染物在流動的地下水中的自然降解達到去除污染物的效果。由于該方法基本不進行任何人工修復，因此所需的修復時間比較長，適用于輕度污染區(qū)域及地廣人稀且土地不亟須使用的區(qū)域。該技術(shù)通常與其他地下水處理技術(shù)相結(jié)合，以提高自然降解修復技術(shù)的處理效率，已在北美地區(qū)得到逐步推廣［4］。

2 地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計

2.1 地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計的理論

20世紀70年代，地下水系統(tǒng)理論逐漸發(fā)展起來。地下水系統(tǒng)是經(jīng)過漫長的地質(zhì)演化而形成的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均一性和外部環(huán)境因素的復雜性決定了地下水系統(tǒng)是一個開放且復雜的巨系統(tǒng)。受到污染的地下水所需要的修復周期較地表水的修復周期長，因此對地下水的污染治理需要制定更為謹慎的修復政策，以確保人類的健康和財產(chǎn)安全。但現(xiàn)實中，地下水這個復雜的巨系統(tǒng)受到許多不確定性因素的干擾，這種干擾加劇了地下水系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，因此，針對地下水系統(tǒng)修復政策的優(yōu)化設計顯得尤為重要。研究地下水修復系統(tǒng)主要涉及地下水中污染物的遷移轉(zhuǎn)化以及結(jié)合修復技術(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化設計兩個方面。許多學者積極致力于將地下水水流與溶質(zhì)遷移模型和數(shù)值優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，以解決地下水質(zhì)量管理問題。

掌握地下水污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律是地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計的基礎。只有在掌握了地下水污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律后，才能有針對性地提出有效的修復技術(shù)。由于地下水污染發(fā)生在地表以下，不能直接觀測，因此，研究地下水污染物的遷移轉(zhuǎn)化，主要通過現(xiàn)場監(jiān)測并結(jié)合數(shù)學模型模擬法［5］。首先通過在污染帶打井取樣獲取污染帶中污染物的種類和質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)實地調(diào)查確定污染地帶的特征，選擇相應的數(shù)學模型來模擬污染物在一定時間內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。在比較理想的情況下，如滿足達西定律，等溫的均質(zhì)含水層，這時可以選擇穩(wěn)定的對流-彌散溶質(zhì)運移模型(這種模型屬于確定性模型)。但是在天然多孔介質(zhì)中，許多參數(shù)是不確定的，這些不確定性是由于含水層的非均質(zhì)性以及非水相液體消解和遷移轉(zhuǎn)化的物理、化學和生物特性所導致的。這種情況下一般選用不確定性模型。近些年來，越來越多的學者開始更多地關(guān)注可以處理過程和參數(shù)的不確定性模型。

為達到既定管理目標而建立的求解地下水最優(yōu)管理決策的數(shù)學模型，通常是由地下水系統(tǒng)的數(shù)值模擬模型和最優(yōu)化模型耦合而成。這種復合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型可以在嚴格遵循地下水運動規(guī)律并結(jié)合地下水修復技術(shù)的前提下，尋求地下水系統(tǒng)修復的最優(yōu)決策［6］。開發(fā)地下水系統(tǒng)優(yōu)化設計模型的主要動因是降低地下水治理的巨額費用。若干實際應用已顯示地下水系統(tǒng)優(yōu)化設計能顯著降低治理成本。國內(nèi)外研究的地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計，往往都是在結(jié)合抽出處理技術(shù)的基礎上。

2.2 地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計的方法

地下水修復的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益是地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計的主要內(nèi)容。污染物的去除效果和修復成本通常被選為系統(tǒng)優(yōu)化的目標，污染物環(huán)境濃度標準、技術(shù)條件限制以及其他一些因素通常作為系統(tǒng)優(yōu)化的限制條件。在系統(tǒng)優(yōu)化設計中，采取的方法是基于運籌學的規(guī)劃，包括傳統(tǒng)的非線性規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃、多目標規(guī)劃以及代理規(guī)劃等。由于地下水開放的巨系統(tǒng)中存在大量的不確定因素，這些不確定因素都會對系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，研究系統(tǒng)中的不確定性也是系統(tǒng)優(yōu)化設計中的一個重要方面。

2.2.1 傳統(tǒng)的非線性規(guī)劃

自1970年中期以來，在簡化的運輸模型或管理選項的基礎上，非線性規(guī)劃已被應用到地下水數(shù)量或質(zhì)量的管理研究方面。大多數(shù)研究都關(guān)注利用水力梯度控制地下水的問題，即通過應用一系列的抽水井和注水井來創(chuàng)建一個控制羽遷移的水力梯度區(qū)域。相應的管理模型旨在減少泵的成本，同時保持向內(nèi)的定向水頭梯度走勢沿著污染物的羽邊界。

有限元方法、懲罰系數(shù)法、啟發(fā)式算法、數(shù)據(jù)包絡分析法等，都曾廣泛用于非線性規(guī)劃優(yōu)化設計的求解中。Peralta等［7］提出了結(jié)合遺傳-禁忌搜索算法(AGT)的兩階段優(yōu)化模擬過程，對布萊恩海軍彈藥庫附近的地下水修復系統(tǒng)和抽出-處理系統(tǒng)進行瞬態(tài)優(yōu)化。AGT具有標準遺傳算法和禁忌搜索功能，并能對優(yōu)秀個體和新的子集/子空間進行分解優(yōu)化。在篩選階段中，通過減少需要評估變量的數(shù)量，以及解決方案空間維度(包括時間維度)問題，來簡化和優(yōu)化過程。通過對穩(wěn)定流量進行子集/子空間的分解優(yōu)化，來確定理想的候選集水井。瞬態(tài)優(yōu)化是通過采用數(shù)學模型模擬隨時間變化的抽水率，以此來確定集水井。由于優(yōu)化過程中會引起緊約束，計算過程對模型參數(shù)的變化會非常敏感，因而能獲得更好的目標值。

傳統(tǒng)的非線性規(guī)劃通常需要的計算量很大，盡管如此，由于它能夠識別全局優(yōu)化解，并能有效地處理離散決策變量，因此通常易與水流-遷移模型相結(jié)合，在地下水系統(tǒng)優(yōu)化設計中的應用較廣泛。

2.2.2 混合整數(shù)規(guī)劃和多目標規(guī)劃

為優(yōu)化井位，一些早期的研究對混合整數(shù)的規(guī)劃問題做了相關(guān)分析。McKinney等［8］提出了一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型來研究分析最優(yōu)含水層的修復設計方案。在該模型中，通過使用多項式懲罰系數(shù)法，將目標函數(shù)的固定成本(包括系統(tǒng)施工安裝成本，以及運行和維護成本)近似為連續(xù)函數(shù)中的一組決策變量。該模型在一個簡單均勻且各向同性的含水層系統(tǒng)進行測試，以說明不同的成本函數(shù)組件對最佳修復政策的影響。

目前，關(guān)于地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計問題的研究更多側(cè)重于多目標修復。在地下水修復系統(tǒng)中經(jīng)常會遇到多目標的問題，這些目標大致可分為:可以用貨幣體現(xiàn)的經(jīng)濟效益;促進社會發(fā)展的社會效益;保護環(huán)境、維持生態(tài)平衡的生態(tài)環(huán)境效益。解決地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計中多目標問題的方法有很多，國內(nèi)外學者的相關(guān)研究也較多，這些方法已比較成熟，在很大程度上可為地下水管理者在經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益之間的均衡決策提供理論依據(jù)。

2.2.3 代理規(guī)劃

傳統(tǒng)的非線性規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃、多目標規(guī)劃大多基于直接搜索法。但直接搜索法的一個顯著缺點是計算成本巨大，計算效率低下。因此，近來間接搜索算法日益受到研究人員的關(guān)注。間接搜索算法中，一些代理模擬取代了初始數(shù)值模擬。多元回歸分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、逐步聚類分析等方法被用于代理模擬中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是一種捕捉復雜非線性關(guān)系的算法，具有良好的自學習、自適應、自組織性和容錯性等特點，因此已用于輔助管理非線性地下水的相關(guān)問題。Rogers等［9］提出了一個非線性地下水管理方法，并借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡來優(yōu)化含水層修復系統(tǒng)。這個方法允許溶質(zhì)運移模擬同時進行。其獲得最優(yōu)解的步驟如下:①通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡來預測污染物的流動和運移情況;②運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡來研究最佳的解決方案。案例研究的結(jié)果表明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡能夠獨立處理地下水污染物的流動和運移模擬，而且由于是同時進行模擬，所以計算負擔小。人工神經(jīng)網(wǎng)絡可以反映輸入和輸出數(shù)據(jù)之間的非線性映射，可以用來建立一些地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化模型，可以直接根據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)通過神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習能力尋求輸出變量與輸入變量間的內(nèi)在非線性規(guī)律，而不需要事先確定模型的具體形式。但是人工神經(jīng)網(wǎng)絡也有局限性，如模型參數(shù)較多，且一般沒有具體的物理意義。人工神經(jīng)網(wǎng)絡對具有大量擬合樣本的情況特別適用，如果只有有限的樣本，回歸分析則是一種有效的方法。早期的研究中，制定優(yōu)化模型時一般使用一階近似方程代替地下水流動方程。然而，線性逼近模擬幾乎不能很好地模擬由耦合非線性微分方程得到的關(guān)系，因此，數(shù)值模擬越來越多地被非線性逼近模擬取代。

2.2.4 結(jié)合風險分析的地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化及不確定條件下的決策

地下水污染的風險就是污染物通過各種途徑損壞人體健康的概率。評價和分級地下水污染的嚴重程度，優(yōu)先處理污染最嚴重的點，節(jié)約成本，體現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設計的經(jīng)濟效益［10-11］。風險分析還能充分體現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設計的社會效益。以前經(jīng)常使用數(shù)值模擬輸出來評價環(huán)境和人體健康的風險等級。實際上，準確估計模型參數(shù)和最優(yōu)模型經(jīng)常缺少足夠的信息，導致決策的不確定性，因此，許多研究都集中建立不確定條件下的最優(yōu)模擬框架，其中研究最廣泛的是污染物在地下水中的運移預測。模型不確定性和參數(shù)不確定性的新型隨機優(yōu)化模型也是研究的熱點［12］。風險與不確定性有內(nèi)在聯(lián)系，有關(guān)不確定性風險評價的地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計中，石油化工產(chǎn)品，如三氯乙烯、多氯聯(lián)苯和苯系物等，因其所具有的嚴重危害性和致癌性，為目前被研究較多的污染物質(zhì)。處理這些不確定性問題常用的方法有模糊法和隨機法。

隨機系統(tǒng)的特點是，系統(tǒng)信息的描述是不確定的，不確定性以概率的形式表現(xiàn)出來。對于這類隨機的地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計問題，可以通過隨機規(guī)劃來處理。一般思路是根據(jù)模型中隨機性信息的特點，按照一定的途徑將其轉(zhuǎn)化為確定性模型來求解。最具代表性的方法為蒙特卡洛法，它通過隨機抽樣技術(shù)、統(tǒng)計檢驗方法等，利用一系列隨機數(shù)據(jù)來模擬隨機變量的概率分布，采用反復抽樣的方法產(chǎn)生多組隨機數(shù)，從而為優(yōu)化問題提供依據(jù)，或?qū)ο到y(tǒng)決策進行檢驗。

Zhang等［13］在多元不確定條件下開發(fā)出一種整體模糊隨機方法，來評價苯系物污染地下水的風險。這種方法將區(qū)間模糊地下建模系統(tǒng)和綜合模糊二階隨機風險評估模型整合在一起。區(qū)間模糊地下建模系統(tǒng)是在因子設計、區(qū)間分析和模糊集的基礎上提出的，用于混合不確定性下的污染物質(zhì)量濃度預測。綜合模糊二階隨機風險評估模型在健康風險評估中，通過模糊、隨機、二階段隨機參數(shù)，系統(tǒng)地量化變量和不確定性。這種方法被應用到加拿大西部的一個汽油污染場地的管理中，結(jié)果表明，該方法能有效地處理不同數(shù)據(jù)質(zhì)量水平下的信息組合，從而得到合適的修復工作方案。模糊理論以地下水系統(tǒng)中不確定參數(shù)為研究對象，引入滿意度可以清晰地表達出模糊集合和約束條件的關(guān)系。

地下水污染風險研究也有不少案例。為了設計成本較低的可持續(xù)污染場地管理系統(tǒng)，決策者需要恰當?shù)墓ぞ?即環(huán)境決策系統(tǒng))幫助他們規(guī)劃、評估、選擇、優(yōu)化可能的方案。德國［14］、荷蘭［15］等都已經(jīng)開展了地下水風險的案例研究。根據(jù)荷蘭土壤保護法，土壤被分為3個等級，即清潔、輕度污染、重度污染。對于輕度污染的土壤，采用可持續(xù)的方法管理，即在風險和土壤使用特定的最大值和背景值的基礎上對土壤進行再利用。對于重度污染的土壤，原則上要進行土壤修復，修復的緊迫性取決于特定場地的健康風險、生態(tài)系統(tǒng)、地下水的評估結(jié)果。荷蘭主要的風險評估工具是土壤中關(guān)鍵污染物濃度模型(健康風險和食品安全)、物種敏感度分布圖等。風險分析在地下水污染案例研究中已經(jīng)逐漸成為一個很重要的方法。

3 結(jié)語

我國針對以經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益為目標的地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計已經(jīng)開發(fā)了多種方法，但在研究中還有幾個突出的問題:對復合污染物處理的研究不多;理論方法不具有普遍的優(yōu)越性;對不確定性問題的處理大多基于參數(shù)是獨立不相關(guān)的假設，而這樣的假設可能會導致模擬結(jié)果的不準確。

未來的地下水研究應著重考慮能同時去除地下水中的多種污染物。為了降低地下水修復系統(tǒng)優(yōu)化設計框架中不確定性因素的干擾，以獲得更精確的地下水修復政策，模擬優(yōu)化方法必須對多種方法進行融合，并歸納這些方法的優(yōu)點，以大大降低誤差對決策結(jié)果的影響。未來的研究應側(cè)重于尋求解決優(yōu)化設計總框架下的混合不確定性問題。另外，地下水修復系統(tǒng)的優(yōu)化設計應結(jié)合健康風險分析評價和不確定性問題的處理，使研究成果能為地下水修復政策的制定提供可靠的理論依據(jù)。

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Research progress in groundwater remediation technology and optimization design

HE Li，LI Jing，REN Lixia，DU Peng，DONG Huanhuan，HUANG Guohe
(Resources and Environmental Research Academy，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Three kinds of widely used technologies for groundwater remediation，including pumping treatment，permeable reactive barriers，and natural degradation technologies，are introduced in this paper.An overview of the methods for optimization design of a groundwater remediation system is provided.In addition，the optimization design of the groundwater remediation system is discussed based on a combination of the health risk assessment system and uncertainty study.This study aims to provide a theoretical basis for groundwater resources remediation and management.

groundwater contamination;groundwater remediation technology;groundwater remediation system;optimization design;uncertainty;health risk assessment

X523

A

1004-6933(2014)03-0001-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.03.001

國家自然科學基金委優(yōu)秀青年基金(51222906);環(huán)保部公益性行業(yè)項目(201309063)

何理(1976—)，男，教授，博士，主要從事地下水修復研究。E-mail:li.he@ncepu.edu.cn

(收稿日期:2013-12-04 編輯:彭桃英)