时空自适应地下水修复优化：井网系统设计与多阶段运营

《Journal of Hazardous Materials》：Spatiotemporally Adaptive Optimization of Groundwater Remediation: Well-Network System Design and Multi-Stage Operation

　　

• •
  混合变量井设计与多阶段抽水优化相结合。
• •
  时空协调使三维修复成本降低了35.3%。
• •
  通过利用现有的井网络，现场优化减少了抽水需求。
• •
  该框架在二维、三维和现场规模案例中均显示出灵活性。

引言

快速的工业化和城市扩张留下了许多废弃的工业场地，带来了严重的环境挑战[1]。据估计，全球有500万个潜在受污染的棕地含有从累积的固体废物、泄漏的管道和破裂的储罐中释放的有毒重金属，这些物质威胁着土壤和地下水，并对人类健康和城市生态系统构成长期风险[2]、[3]、[4]。工业化的环境影响往往扩展到周围的初级产业。例如，重金属扩散导致全球14-17%的耕地受到污染，有0.9-14亿人生活在高风险地区[4]。针对持续性金属污染，已经开发了各种修复技术，其适用性在很大程度上取决于受影响的环境介质[5]、[6]、[7]。虽然固定化和土壤清洗[9]已被证明对表土修复有效，但由于降水和地下水波动会导致污染物向下渗透到更深的含水层[10]、[11]，这些方法的效果常常受到影响。这种迁移需要转向饱和带干预措施，如电动力学修复[12]、化学稳定[13]和微生物处理[14]、[15]，这代表着修复策略的必要转变。然而，这些方法经常遇到操作和环境上的限制。无论是由于化学稳定所需的高剂量试剂、电动力学梯度的深度限制，还是微生物代谢的时间较长，这些策略往往无法在现场规模上取得一致的表现[16]。在这种背景下，抽水处理（P&T）仍然是最广泛使用的策略，适用于需要快速初步修复和长期管理的地下水污染场地[17]、[18]。它能有效降低污染物浓度，且不会造成二次污染，同时与其他修复技术兼容。

P&T系统在户外地下水修复方面积累了丰富的操作经验[19]、[20]。然而，修复效果仍然受到场地水文地质条件、操作参数和污染物迁移特性的显著影响[17]。现场规模的研究表明，P&T的效果受到场地水文地质、污染物分布、残留源条件和井场水力条件的影响[21]、[22]。在这些因素中，井配置和抽水操作是可以直接控制的工程变量。因此，数值建模和优化可以用来量化它们的影响并确定高效的抽水策略。例如，在萨斯喀彻温省中西部的一个受污染场地进行的数值模拟显示，总抽水速率与修复持续时间之间存在反比关系[23]。一项研究使用数值模拟来模拟在持续抽水条件下场地含水层中Cr(VI)污染羽流的迁移情况，表明增加抽水井可以有效降低下游地下水污染的风险[17]。这些研究表明，井的数量、位置和抽水速率是决定修复效率、成本和持续时间的关键因素[24]。然而，这些因素的组合非常复杂，主要依赖工程经验和有限的候选方案数量，使得难以探索较大的决策空间和在不同目标之间的权衡[25]。因此，如何在确保修复效果的同时降低成本和缩短项目周期已成为地下水修复领域的一个核心问题。

提高地下水修复效率一直是一个核心研究焦点，优化算法已被引入以系统地确定更为最优的抽水方案，以应对复杂的修复设计和高成本的挑战[26]、[27]。以往的研究主要采用单一目标优化，通常只最小化修复成本或修复效果[28]、[29]。例如，结合MODFLOW和MT3DMS的粒子群优化被应用于确定在一个已知四个井位置的场地中实现最低成本修复的井的数量、位置、抽取速率和抽水持续时间[30]。然而，单一目标优化难以在成本、项目周期和污染物去除效率等多个标准之间实现有效的权衡[31]。因此，许多研究人员转向了多目标优化算法[25]、[32]、[33]。遗传算法（GA）被应用于使用加权方案来识别最优解决方案，该方案根据污染物质量去除和修复成本对候选策略进行评分，应用于加利福尼亚的一个超级基金场地[34]。随着多目标优化算法的发展，非支配排序遗传算法II（NSGA-II）因其无需权重分配、提供多样化的解决方案集以及快速收敛的优势而被广泛应用[35]、[36]。例如，在Python环境中将Flopy包与NSGA-II结合使用，可以计算出帕累托最优的抽水策略，在节能和剩余盐水去除之间实现了平衡[37]。大多数这些多目标井网络研究假设在整个修复期间抽水速率保持不变。然而，随着修复的进行，水力和浓度场不断变化，长时间维持高强度抽水可能会降低修复效率[32]。将修复期划分为多个操作阶段并在各阶段调整抽取速率可能提高抽水效率并降低修复成本[38]。例如，一项之前的研究实施了一个三阶段修复策略，与单一阶段方法相比，总体成本降低了约18%[39]。尽管如此，混合变量多目标井网络设计和多阶段抽水调节通常是分开研究的[40]。它们在异质含水层条件下协调应用以平衡修复成本和持续时间的工作仍然有限。

因此，为了在最小化修复成本和潜伏期的同时满足地下水质量修复目标，开发了一个时空优化框架，将井网络设计与多阶段抽水操作联系起来。首先，应用了创新的多目标优化算法Mixed-variable NSGA-II来推导单阶段修复的帕累托解决方案，同时考虑了成本和持续时间。然后使用欧几里得距离标准确定了一个代表性的折中方案，之后根据模拟的羽流演变在各个时间阶段重新分配抽水速率，以进一步提高资源效率。该框架在二维和三维异质含水层模型中进行了评估，并进一步应用于一个受污染的工业场地。通过将基础设施配置、操作调度和地下水水位保障联系起来，该研究将抽水处理优化框架视为一种资源高效的地表下管理决策问题。

章节摘录

地下水流动和溶质传输模型

高效的修复策略的制定依赖于在受污染场地的复杂地下水环境中进行精确的修复和定量分析。因此，需要可靠的地下水流动和溶质传输模型来模拟地下水污染物迁移的动态演变，为后续的P&T修复优化提供坚实的物理支持。本研究中的地下水流动和溶质传输模型假设

地下水修复成本与持续时间的多目标权衡

为两种工程情景开发了修复优化模型，以研究地下水污染场地中经济成本和修复时间之间的权衡。对于井位置不受限制的情况，涉及1到5口井的情景都满足了施加的约束，并产生了相应的帕累托前沿（图2e）。最低成本的解决方案是在2口井的情景中实现的，成本为98,654.5人民币，而4口井的情景需要最短的时间

结论

本研究开发了一个时空仿真优化框架，将混合变量井网络设计与多阶段抽水操作结合起来进行地下水修复。多目标模块确定了平衡修复成本和持续时间的帕累托最优方案，而多阶段模块根据模拟的羽流演变调整了选定井配置的特定阶段的抽水速率。该框架应用于异质含水层模型和一个

意义声明

本研究将混合变量井网络设计与基于羽流信息的多阶段抽水优化结合起来进行地下水修复。与传统的分别处理基础设施设计和动态操作的方法不同，该框架综合考虑了井的数量、位置、抽水速率、修复持续时间以及在浓度和水头约束下的操作调整。在异质含水层中的测试和应用表明

作者贡献

Y.W.和Y.C.共同构思并领导了文章的设计。H.L.、Z.Z.和J.X.协助了编辑工作。X.C.、H.N.和J.C.审阅并编辑了手稿。所有合作者对手稿文本、图表和科学内容的讨论提供了意见。

CRediT作者贡献声明

Haobo Niu： 方法论。Jialun Xie： 形式分析。Zi Zhan： 方法论。Xinde Cao： 资源。Yaqiang Wei： 写作——初稿，监督。Yiran Chen： 写作——初稿，数据整理。Hui Li： 方法论。Jian Chen： 资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号42330706）和上海地质之星人才计划（编号Dzxh202509）的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

Yiran Chen|Yaqiang Wei|Xinde Cao|Zi Zhan|Jialun Xie|Haobo Niu|Jian Chen|Hui Li