地下水環境修復工藝優化設計研究進展

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境研究院，北京 102206)

地下水環境修復工藝優化設計研究進展

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，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優化設計的方法，探討了結合健康風險評價體系和不確定性研究的地下水修復系統優化設計，旨在為地下水資源的修復和管理提供理論依據。

地下水污染;地下水修復技術;地下水修復系統;優化設計;不確定性;健康風險評價

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

1 地下水修復技術

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。農業上過度施用的化肥和農藥，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品、硝酸鹽和重金屬。

關于地下水污染修復，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查及污染物遷移轉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及其應用的研究逐漸增多。在眾多的地下水修復技術中，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，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。化學法包括混凝沉淀、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后轉化為環境可接受的另一種形式，實現污染物濃度達到環境標準的目標。可滲透反應墻主要由透水的反應介質組成，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、放射性物質以及其他污染物質［3］。

1.3 自然降解法

自然降解法在國外應用廣泛。它是根據修復年限預測污染物的污染范圍，將受污染的區域圈起來，建立一系列監測井，實時監測污染物濃度，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，適用于輕度污染區域及地廣人稀且土地不亟須使用的區域。該技術通常與其他地下水處理技術相結合，以提高自然降解修復技術的處理效率，已在北美地區得到逐步推廣［4］。

2 地下水修復系統優化設計

2.1 地下水修復系統優化設計的理論

20世紀70年代，地下水系統理論逐漸發展起來。地下水系統是經過漫長的地質演化而形成的，內部結構的不均一性和外部環境因素的復雜性決定了地下水系統是一個開放且復雜的巨系統。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安全。但現實中，地下水這個復雜的巨系統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的不穩定性，因此，針對地下水系統修復政策的優化設計顯得尤為重要。研究地下水修復系統主要涉及地下水中污染物的遷移轉化以及結合修復技術的系統優化設計兩個方面。許多學者積極致力于將地下水水流與溶質遷移模型和數值優化技術相結合，以解決地下水質量管理問題。

掌握地下水污染物的遷移轉化規律是地下水修復系統優化設計的基礎。只有在掌握了地下水污染物的遷移轉化規律后，才能有針對性地提出有效的修復技術。由于地下水污染發生在地表以下，不能直接觀測，因此，研究地下水污染物的遷移轉化，主要通過現場監測并結合數學模型模擬法［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量濃度數據，然后根據實地調查確定污染地帶的特征，選擇相應的數學模型來模擬污染物在一定時間內的遷移轉化規律。在比較理想的情況下，如滿足達西定律，等溫的均質含水層，這時可以選擇穩定的對流-彌散溶質運移模型(這種模型屬于確定性模型)。但是在天然多孔介質中，許多參數是不確定的，這些不確定性是由于含水層的非均質性以及非水相液體消解和遷移轉化的物理、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注可以處理過程和參數的不確定性模型。

為達到既定管理目標而建立的求解地下水最優管理決策的數學模型，通常是由地下水系統的數值模擬模型和最優化模型耦合而成。這種復合結構的優化模型可以在嚴格遵循地下水運動規律并結合地下水修復技術的前提下，尋求地下水系統修復的最優決策［6］。開發地下水系統優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優化設計能顯著降低治理成本。國內外研究的地下水修復系統優化設計，往往都是在結合抽出處理技術的基礎上。

2.2 地下水修復系統優化設計的方法

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

2.2.1 傳統的非線性規劃

自1970年中期以來，在簡化的運輸模型或管理選項的基礎上，非線性規劃已被應用到地下水數量或質量的管理研究方面。大多數研究都關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建一個控制羽遷移的水力梯度區域。相應的管理模型旨在減少泵的成本，同時保持向內的定向水頭梯度走勢沿著污染物的羽邊界。

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

傳統的非線性規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-遷移模型相結合，在地下水系統優化設計中的應用較廣泛。

2.2.2 混合整數規劃和多目標規劃

為優化井位，一些早期的研究對混合整數的規劃問題做了相關分析。McKinney等［8］提出了一個混合整數非線性規劃模型來研究分析最優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法，將目標函數的固定成本(包括系統施工安裝成本，以及運行和維護成本)近似為連續函數中的一組決策變量。該模型在一個簡單均勻且各向同性的含水層系統進行測試，以說明不同的成本函數組件對最佳修復政策的影響。

目前，關于地下水修復系統優化設計問題的研究更多側重于多目標修復。在地下水修復系統中經常會遇到多目標的問題，這些目標大致可分為:可以用貨幣體現的經濟效益;促進社會發展的社會效益;保護環境、維持生態平衡的生態環境效益。解決地下水修復系統優化設計中多目標問題的方法有很多，國內外學者的相關研究也較多，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濟效益、社會效益和環境效益之間的均衡決策提供理論依據。

2.2.3 代理規劃

傳統的非線性規劃、混合整數規劃、多目標規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注。間接搜索算法中，一些代理模擬取代了初始數值模擬。多元回歸分析、人工神經網絡、逐步聚類分析等方法被用于代理模擬中。人工神經網絡是一種捕捉復雜非線性關系的算法，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，并借助人工神經網絡來優化含水層修復系統。這個方法允許溶質運移模擬同時進行。其獲得最優解的步驟如下:①通過人工神經網絡來預測污染物的流動和運移情況;②運用人工神經網絡來研究最佳的解決方案。案例研究的結果表明，人工神經網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。人工神經網絡可以反映輸入和輸出數據之間的非線性映射，可以用來建立一些地下水修復系統優化模型，可以直接根據有關的數據通過神經網絡的自學習能力尋求輸出變量與輸入變量間的內在非線性規律，而不需要事先確定模型的具體形式。但是人工神經網絡也有局限性，如模型參數較多，且一般沒有具體的物理意義。人工神經網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系，因此，數值模擬越來越多地被非線性逼近模擬取代。

2.2.4 結合風險分析的地下水修復系統優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，優先處理污染最嚴重的點，節約成本，體現系統優化設計的經濟效益［10-11］。風險分析還能充分體現系統優化設計的社會效益。以前經常使用數值模擬輸出來評價環境和人體健康的風險等級。實際上，準確估計模型參數和最優模型經常缺少足夠的信息，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不確定性的新型隨機優化模型也是研究的熱點［12］。風險與不確定性有內在聯系，有關不確定性風險評價的地下水修復系統優化設計中，石油化工產品，如三氯乙烯、多氯聯苯和苯系物等，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。處理這些不確定性問題常用的方法有模糊法和隨機法。

隨機系統的特點是，系統信息的描述是不確定的，不確定性以概率的形式表現出來。對于這類隨機的地下水修復系統優化設計問題，可以通過隨機規劃來處理。一般思路是根據模型中隨機性信息的特點，按照一定的途徑將其轉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、統計檢驗方法等，利用一系列隨機數據來模擬隨機變量的概率分布，采用反復抽樣的方法產生多組隨機數，從而為優化問題提供依據，或對系統決策進行檢驗。

Zhang等［13］在多元不確定條件下開發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。這種方法將區間模糊地下建模系統和綜合模糊二階隨機風險評估模型整合在一起。區間模糊地下建模系統是在因子設計、區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，系統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，結果表明，該方法能有效地處理不同數據質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中不確定參數為研究對象，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污染場地管理系統，決策者需要恰當的工具(即環境決策系統)幫助他們規劃、評估、選擇、優化可能的方案。德國［14］、荷蘭［15］等都已經開展了地下水風險的案例研究。根據荷蘭土壤保護法，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、生態系統、地下水的評估結果。荷蘭主要的風險評估工具是土壤中關鍵污染物濃度模型(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逐漸成為一個很重要的方法。

3 結語

我國針對以經濟、環境和社會效益為目標的地下水修復系統優化設計已經開發了多種方法，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越性;對不確定性問題的處理大多基于參數是獨立不相關的假設，而這樣的假設可能會導致模擬結果的不準確。

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優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，模擬優化方法必須對多種方法進行融合，并歸納這些方法的優點，以大大降低誤差對決策結果的影響。未來的研究應側重于尋求解決優化設計總框架下的混合不確定性問題。另外，地下水修復系統的優化設計應結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。

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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秀青年基金(51222906);環保部公益性行業項目(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)