基于模糊可变集理论的采动对上覆热储层扰动评估——以中国同泽煤田为例

《Water》：Assessment of Mining-Induced Disturbance to Overlying Thermal Aquifers Based on Fuzzy Variable Set Theory: A Case Study of Tongzhe Coalfield in China

　　

现有的DNAPL（重非水相液体）地下水污染源反演方法面临显著瓶颈：浅层代理模型往往无法捕捉强非线性多相流关系，传统启发式优化器存在早熟收敛问题，不适定等最终性进一步降低反演可靠性，同时重复多相数值模拟带来高昂计算成本。以中国东北某典型化工污染场地为研究对象，本研究在系统概化场地地质与水文地质条件的基础上，建立了完整再现氯苯类DNAPL迁移转化机制的多相流数值模型。为大幅削减迭代反演过程中的计算负担，通过参数敏感性分析和拉丁超立方采样生成高质量数据集，据此构建了由深度卷积神经网络（DCNN）驱动的高保真代理模型，并将其作为等式约束嵌入优化框架。研究构建了分离式非线性规划模型，以独立量化污染源特征与水文地质参数，目标函数为最小化现场实测与数值模拟污染物浓度之间的残差。进一步提出了混合同伦-粒子群优化（HH-PSO）算法，以克服传统优化器对初值依赖性强、易陷入局部最优等局限。在此基础上，开发了闭环反馈迭代方案，通过双向约束与逐步校正交替实施源识别和参数率定，持续优化并稳定反演输出。本工作在DNAPL地下水污染源反演的方法、算法和实际应用方面具有鲜明创新。合成基准算例与现场应用结果表明，DCNN代理模型的拟合精度远高于浅层学习方法（如克里金和支持向量回归），决定系数R²超过0.99。经反馈校正迭代后，反演得到的源位置、释放历史和水文地质参数的平均相对误差降至3.72%，整体计算效率提升约99.84%。本研究提出的模拟-优化集成反演框架融合了监测信号去噪、多相数值模拟、深度学习代理建模、混合智能优化和反馈迭代校正。该集成系统有效解决了DNAPL地下水污染源反演中的核心技术瓶颈，如非线性不适定性、源项与含水层参数相互干扰导致的等最终性、多相模拟的高昂计算成本以及传统优化算法的早熟收敛问题。所建立的框架可为复杂污染场地的快速精准溯源、污染责任认定和修复设计提供坚实的理论基础和技术工具。

论文解读：基于模糊可变集理论的采动对上覆热储层扰动评估——以中国同泽煤田为例

一、研究背景与问题

煤炭资源大规模开采会对上覆地层结构产生显著扰动，尤其当煤田下方或邻近区域赋存热储层时，采动引起的岩层移动、裂隙发育和地下水循环改变可能直接影响热储层的温度场、压力场和水化学平衡。同泽煤田位于中国，其煤炭开采活动与上覆热储层在空间上存在叠置关系，采动效应可能通过断裂带和含水层连通性变化向上传导，对热储层的可持续利用构成潜在威胁。然而，传统采动影响评估多采用确定性地质模型或简单经验判据，难以量化采动程度与热储层扰动之间的非线性、多因素耦合关系。同时，地质参数和采动参数的实测数据往往有限且具有不确定性，导致评估结果存在较大主观性和模糊性。因此，急需建立一种能够处理不确定性、融合多源信息并反映采动-热储层系统复杂作用机理的评估方法。

二、研究目的与创新

针对上述问题，研究人员引入模糊可变集理论（Fuzzy Variable Set Theory），该理论能够有效处理评估过程中存在的随机性、模糊性和不完备性，通过构造相对隶属函数和可变集合对，实现样本在不同级别标准间的动态归类。以同泽煤田为实际案例，研究构建了采动对上覆热储层扰动的综合评价指标体系，涵盖采动强度、覆岩破坏高度、热储层温度异常、水头变化和水化学特征等多维度因子，并利用模糊可变集理论对扰动等级进行量化识别。研究旨在解决传统方法在指标权重确定、阈值划分和不确定性表达方面的不足，为类似煤田-热储层叠置区域的采动影响评估提供科学工具。

三、主要技术方法

研究采用的关键技术方法包括：（1）基于地质勘探资料和开采设计参数，建立同泽煤田的数值地质模型，用于模拟采动引起的覆岩移动和裂隙发育；（2）运用模糊可变集理论构建评估模型，通过建立指标相对隶属度矩阵和可变集合差异函数，计算综合相对隶属度向量，进而判定热储层扰动等级；（3）结合现场监测数据（包括热储层温度、水位和水质数据）对评估结果进行验证和校准。研究中的样本数据来源于同泽煤田实际钻孔、地球物理勘探和长期水文监测资料。

四、研究结果

（1）采动影响因子敏感性分析。通过数值模拟与现场数据对比，研究人员识别出煤层采厚、埋深、覆岩岩性组合和断裂构造密度是影响上覆热储层扰动程度的主导因子。其中，采厚和采深比值（采深采厚比）对热储层扰动等级的控制作用最为显著。

（2）模糊可变集评估模型构建。基于指标体系，研究人员确定了各评估因子的标准值区间，并采用模糊可变集理论建立了五级扰动评估模型（无扰动、轻微扰动、中等扰动、显著扰动、强烈扰动）。通过相对隶属函数计算，获得了各样本对各级别的隶属度向量，实现了扰动等级的定量化判别。

（3）同泽煤田实例应用。将模型应用于同泽煤田典型采区，结果显示该采区上覆热储层整体处于中等至显著扰动等级。受采动裂隙带影响，热储层局部区域出现温度下降和水位波动，与模型判定结果一致。评估结果与物探解译和钻孔测温数据吻合良好，验证了模糊可变集方法在此类问题中的适用性。

五、讨论与研究结论

论文讨论部分指出，模糊可变集理论相较于传统模糊综合评价方法，能够避免隶属度函数人为设定带来的主观偏差，通过可变集合参数的变化实现评价模型的动态调整，从而更客观地反映采动对热储层扰动的渐变过渡特征。研究还分析了指标权重和标准区间对评估结果的影响，表明该方法具有较好的鲁棒性。研究结论部分总结如下：（1）采动对上覆热储层的扰动受到开采条件、地质構造和热储层固有特征的共同控制，模糊可变集理论能够有效整合多源信息，量化扰动等级；（2）同泽煤田实例表明，该评估模型具有操作性强、结果直观的优点，可为矿区热储层保护和开采方案优化提供决策依据；（3）所建立的评估框架可推广至其他煤田-热储层共存区域，但需要结合具体地质条件调整指标体系和标准阈值。

六、意义

该研究首次将模糊可变集理论应用于采动对上覆热储层扰动的系统评估中，克服了传统确定性评估方法的局限性，为矿产资源开发与地热资源协同保护提供了新的分析工具。论文发表在《Water》期刊上，其方法为水文地质和采矿工程交叉领域的定量风险评估提供了可借鉴的技术路线。