检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：陈骏骏吉林大学

学位级别：博士

地下水反应性溶质运移模型是耦合多种物理化学过程的地下水数值模拟技术,能够定量分析含水层环境中多物质组分的运移演化规律,目前已在地球科学和环境科学中的多个研究领域得到了广泛应用。但地下水反应性溶质运移模型的关键参数通常难... 详细信息

地下水反应性溶质运移模型是耦合多种物理化学过程的地下水数值模拟技术,能够定量分析含水层环境中多物质组分的运移演化规律,目前已在地球科学和环境科学中的多个研究领域得到了广泛应用。但地下水反应性溶质运移模型的关键参数通常难以直接获得,需要利用地下水水位和溶质浓度等现场观测数据,通过反演模拟进行求解。开展地下水反应性溶质运移模型参数反演研究,是降低模型参数不确定性,提升模型预测精度的关键;对准确刻画地下水流与溶质运移过程,提高相关应用领域的数值模拟研究水平具有重要意义。数据同化是目前各学科领域解决模型参数反演问题的重要方法。但反应性溶质运移模型通常具有强非线性。并且,准确刻画溶质羽流的扩散形态要求充分考虑含水层参数的非均质性。因此,在利用传统的数据同化方法开展反应性溶质运移模型参数反演研究时,将会面临三个方面的问题:多源异构数据同化问题、替代模型训练样本数据分布结构的优化问题和高维非均质模型参数反演问题。围绕上述三个问题,本研究充分发挥深度学习算法解决强非线性映射和高维数据特征提取的优势,首先在反演算法理论方面开展了四部分内容的研究,包括:反应性溶质运移替代模型构建方法研究、反演优化模型的建立与求解方法研究、参数反演结果自适应更新算法研究和高维非均质参数反演算法研究。然后在理论研究的基础上,开展了某污染场地的应用研究。通过上述研究取得的成果与认识如下:(1)确立了基于二维卷积神经网络(2D-CNN)的反应性溶质运移替代模型构建方案,以提高数据同化过程中正演模拟的计算效率。通过算例对比发现,该替代模型结构不仅能够对多种模拟组分实现同步高精度预测,其对极端边界值的预测效果也比本研究选用的其他模型结构具有更大的优势。结合深度学习框架下的并行计算优势,替代模型的计算效率比原始数值模型得到了显著的提升。(2)在获得反应性溶质运移替代模型的基础上,基于非线性规划优化理论和贝叶斯定理,给出了反应性溶质运移的反演优化模型构建方案。提出采用串联式神经网络(TNNA)求解反演优化模型,以解决多源异构数据同化问题。在算例研究中基于蒙特卡洛方法开展了TNNA算法与传统标准遗传算法的对比研究。结果表明,TNNA算法对所有模拟组分数据同化结果的平均收敛精度比遗传算法提高了一个数量级;对每一种模拟组分的拟合情况均优于遗传算法;对每一项参数的反演精度也都高于遗传算法,且其获得更高收敛精度的反演结果所需要的计算负荷比遗传算法降低了50倍。(3)通过在TNNA算法的基础上引入自适应更新策略(AUS),提出TNNAAUS反演算法,改善了反演计算过程中因替代模型训练样本数据分布不合理而导致的反演结果偏差。理论模型算例验证表明,TNNA-AUS算法能够以更高的计算效率得出比TNNA算法更加可靠的模型参数反演结果,正演模型调用次数降低了2/3。Aquia实例模型的参数反演结果同样表明,TNNA-AUS算法在对多种模拟组分实现多源异构数据同化方面比TNNA算法具有更加明显的优势。(4)通过集成Karhunen-Loève展开(KLE)的高维参数降维、CNN高维参数替代模型和迭代局部更新集合平滑器(ILUES)随机反演算法,提出了一套求解高维非均质渗透率参数反演问题的集成反演算法(KLE-CNN-ILUES),有助于更加准确地刻画含水层流场分布情况,提高多组分溶质羽流模拟预测精度。在某实际污染场地应用研究中,通过在CNN中引入残差模块构建了高维参数替代模型,其预测精度比普通CNN整体上提升了一倍。在此基础上通过KLE-CNN-ILUES得到了高维非均质渗透率参数的可靠反演结果,模型校正后的水位预测与实际观测值基本一致。反演结果揭示了该研究场地的地下水高渗透区和低渗透区的空间分布情况。(5)在非均质渗透率参数场反演识别的基础上,建立了污染场地中五种污染物组分的反应性溶质运移模型。利用本研究提出的TNNA-AUS算法计算得到了17项模型参数的反演结果。通过校正期和验证期各组分浓度数据的拟合情况判断,反演校正后的数值模型具有一定的鲁棒性,能给出可靠的模拟预测结果。上述研究丰富并拓展了地下水数值模型参数反演的理论基础与技术内涵,可为二氧化碳地质封存、地质历史演化过程、核废料地质储置安全评估和地下水污染物监测预警等研究提供科学依据。

关键词：反应性溶质运移模型深度学习模型参数反演反演结果自适应更新高维非均质含水层参数

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地下水系统砷-铁耦合行为的反应性溶质运移模拟

引用

矿物岩石地球化学通报 2022年第1期41卷 81-91页

作者：孙静刘意章李超刘承帅中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室贵阳550081 中国科学院大学北京100049 广东省科学院生态环境与土壤研究所广东省农业环境综合治理重点实验室广州510650

定量厘清砷在铁矿物相转变影响下的释放迁移规律,对破译高砷地下水成因机制至关重要。然而,地下水系统中水文-生物地球化学多过程交互作用极其复杂,因此定量化研究难度大。反应性溶质运移模拟作为一种耦合了生物地球化学过程和水文地质... 详细信息

定量厘清砷在铁矿物相转变影响下的释放迁移规律,对破译高砷地下水成因机制至关重要。然而,地下水系统中水文-生物地球化学多过程交互作用极其复杂,因此定量化研究难度大。反应性溶质运移模拟作为一种耦合了生物地球化学过程和水文地质过程的数值模拟方法,可有效解译复杂多过程系统,从而实现观测数据的定量解析。本文介绍了反应性溶质运移模型的主要特点;阐述了影响地下水系统中砷行为的两类关键地球化学过程(铁矿物的氧化/还原过程、砷在矿物表面的吸附/解吸过程)的模拟方法;结合近年来的典型研究案例,分析了模型如何用于识别和量化不同水文-生物地球化学过程对高砷地下水形成和衰减的控制作用;并进一步剖析了当前研究中仍需完善的问题。

关键词：地下水砷铁矿物反应性溶质运移模型

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