初谈环境系统最优化在地下水质预测上的应用

初谈环境系统最优化在地下水质预测上的应用初谈环境系统最优化在地下水质预测上的应用摘要摘要:本文针对在水处理环节上的复杂过程，并根据自己的喜爱方向，针对系统分析中训一算量大的不足，介绍了运用在环境系统分析中最优化分析的方法和步骤，一个合理的地下水水质模型必须充分考虑地下水环境亲统和各种水文地球化学平衡对污染迁移的影响，这在数学处理上是个难点。采用最优化技术就能将这类问题简单化。本文将对这一过程做出一定分析。关键词：关键词：环境系统最优化；应用；地下水质预测；水质模型；规划求解1前言前言环境系统分析是研究环境系统的数学模型和最优化的新兴边缘学科，兴起于本世纪60年代。当时，社会经济的高速发展与人类生存环境的破坏形成尖锐的矛盾，人们迫切希望找到一条有效的手段和方法，协调经济发展和环境保护之间的矛盾，保护和改善人类的生存条件。环境系统分析就是在这样的情况下应运而生的。它能够在各个层次上为环境规划、管理、评价和设计服务，因而受到人们的普遍重视。我国}o年代末期开始研究环境系统技术，并用以解决环境质量评价和环境规划问题。环境系统分析是基于环境科学和系统工程的基础理论，研究系统内部各组成部分之间的对立统一关系，寻求最佳的污染防治体系、最佳的经济布局和经济结构。环境规划、污染预测和污染物削减规划作为环境系统分析的重要内容，均引用了运筹学中线型规划、整数规划、动态规划等方法。但由于这些规划方法算法繁琐而复杂，使人们在这些方法面前望而生畏。随着计算机技术的不断发展和普及，为解决规划中数学方法计算繁琐的不足提供了可能，随着在近20年的研究应用中计算机技术得到了空前的发展，为数据处理提供了更多的方法，也使得环境系统最优化的模式等到了更多的应用。2在水处理上的应用在水处理上的应用2.12.1目前状况目前状况地下水水质预测是水资源持续利用的重要课题，许多学者在这方面做了大量研究工作，建立了一些水质预测模型。但由于研究程度和研究手段的局限，很多模型在研究污染物迁移时，仅考虑水动力因素(如水动力弥散)及其它物理因素对污染物迁移的作用，而忽略了整个地下水环境系统和各种水文地球化学作用对污染物迁移的影响，因此可能出现预测的结果不符合水文地球化学基本理论的现象，例如预测出某离子的含量可能超出其在该环境条件下的最大溶解度。而采用最优化技术与地下水环境系统中的水文地球化学平衡相结合的方法，为合理有效地进行地下水水质预测提供一种途径。地下水含有多种化学组分，这些组分在水中以单离子及多种无机、有机络合物形式存在，在一定条件下，这些组分形式及水一岩之间处于动态平衡状态，这种平衡体系构成了地下水环境系统。系统中主要的平衡有电性平衡、化学平衡和质量平衡。地下水的电中性原理地下水的电中性原理是多组分地下水平衡系统中电性平衡的充分体现，其意义是地下水中正电组分电荷总数等于负电组分电荷总数，数学表达式为:式中二，y，分别为正负电荷组分的摩尔浓度;z,,z，分别为组分的正负电荷数;m,n分别为系统中正负电荷组分的总数。2.22.2地下水的化学平衡地下水的化学平衡地下水中主要的化学平衡有溶解一沉淀平衡、络合平衡、氧化一还原平衡、吸附一解吸平衡及气一液平衡等，而对传统水质模型预测结果影响较普遍的平衡是溶解一沉淀平衡和络合平衡。2.2.2.12.1溶解一沉沈平衡溶解一沉沈平衡一定条件下，地下水中组分都有其极限溶解度，当其浓度超过这个极限时，就会形成固相化合物而发生沉淀。这种关系可用饱和指数SI确定:当SI>1时，发生沉淀SI=1时，平衡，饱和状态SI<1时，溶解状态其中SI=IAP/K,K为固相化合物MeLb的溶解积，IAP为固相化合物MaLb的阴阳离子活度积，即IAP=[M]a[L]b(假定活度系数为1).而[M]和[L」要根据系统中的络合平衡和质量平衡关系求得。2.22.2.2.2络合平衡络合平衡络合作用决定着地下水中组分的存在形式，可显著地增大组分的溶解度。地下水中无机络合物的络合反应式为M+LML一定条件下，络合作用是一动态平衡，根据质量作用定律有K=[ML]/[M][L]式中〔M]为阳离子浓度;[L」为阴离子浓度;[ML」为络合物浓度;K为络合平衡常数。2.2.2.2.3地下水的质量平衡地下水的质量平衡地下水的质量平衡反映了地下水中组分的总浓度[MST和其单离子浓度[M]及其所有络合物浓度[M]之间的关系，即其它符号意义同前。在系统中如果将每种发生络合作用的组分写出其质量平衡方程，则组成一个m+n阶非线性代数方程组，解之可求得每种组分的单离子浓度，从而为判定溶解一沉淀平衡奠定基础。3地下水环境系统平衡模型与预测模型的耦合地下水环境系统平衡模型与预测模型的耦合通过前面分析可知，一个合理的水质模型应是水动力弥散模型与地下水环境系统的平衡模型相结合的模型。然而，地下水环境系统的平衡模型中