第45卷第12期2020年12月
Vol.45No.12
Dec.2020环境科学与管理
ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT
文章编号：1674-6139(2020)12-0060-05
杨林春
(中国冶金地质总局三局，山西太原030002)
摘要：采用当前方法对浅层地下水污染总量进行控制时，存在水污染总量计算准确率低和控制有效性差的问
题。提出基于遗传算法的浅层地下水污染总量控制方法，在水量平衡方程的基础上通过SWAT模型模拟污染
物运移特征和水文循环过程，采用污染源水质响应法和分区达标控制法对浅层地下水污染总量进行计算，根据
计算结果采用遗传算法实现浅层地下水污染总量的控制。实验结果表明，所提方法的水污染总量计算准确率
高、控制效果好。
关键词：遗传算法；浅层地下水；污染总量；污染控制方法
中图分类号：X522文献标志码:B
Method for Controlling Total Amount of Shallow
Groundwater Pollution Based on Genetic Algorithm
Yang Linchun
(No.3Bureau Of China Metallurgical Geology Bureau,Taiyuan030002,China) Abstract:When the current method is used to control the total amount of shallow groundwater pollution,there are proble
ms of low accuracy in calculating the total amount of water pollution and poor control effectiveness.A genetic algorithm-based method to control the total amount of shallow groundwater pollution is proposed.On the basis of the water balance equation,the SWAT model is used to simulate the characteristics of pollutant transport and the hydrological cycle,and the pollution source water quality response method and the zone compliance control method are used to pollute shallow groundwater.The total amount is CEilculat-ed,and the genetic algorithm is used to control the total amount of shallow groundwater pollution based on the calculation results. The experimental results show that the proposed method has high accuracy in calculating the total amount of water pollution and good control effect.
Key words:genetic algorithm；shallow groundwater；total pollution；pollution control methods
***
刖言
目前引起浅层地下水污染的主要原因是城镇和工矿企业排放的废污水口呵。只有分析排污与治理状况、区域水资源、地面水水质现状和开发利用情况等，全面规划水资源保护问题，才可以实现浅层地下
收稿日期：2020-08-29
作者简介：杨林春(1988-)，男，大学本科，水文地质工程师，主要研究方向：山西省内地下水水文地质条件。水污染总量的控制⑷。谷天雪等人提出基于单因子指数法的地下水污染总量控制方法，但是该方法计算得到的浅层地下水污染总量与实际污染总量之间的误差较大，导致水污染总量计算准确率较低国。方良等人提出基于层次分析法的地下水污染总量控制方法，但是该方法控制后的污染负荷系数较高，导致控制有效性较差同。为解决以上存在的问题，提出基于遗传算法的浅层地下水污染总量控制方法。
1SWAT模型
SWAT模型在水量平衡方程的基础上模拟水循环的物理过程，水文过程通常包括地下水和壤中流的补给和入渗、冠层截流、地表径流、土壤水的蒸散发与下渗⑴。水量平衡方程的表达式如(1): S见=S%+艺(Rday-Qsurf-E°-W seep-QJ
i=l
(1)
式中,sw t描述的是土壤在降雨后第t天对应的含水量;S%描述的是初始土壤含水量;Q冲描述的是第i天对
应的地下径流量;2?切描述的是第i天对应的降水量卿哪描述的是第i天对应的下渗量；位描述的是第i天对应的蒸发量；描述的是第i天对应的地表径流量。
降雨-径流受土壤前期含水量、土壤利用方式和土壤类型的综合影响，可以通过SCS模型进行反映。
假设对径流量进行计算时，流域内存在土壤最大滞留量S：
£=-2-(2)
S P-1。'丿
式中,Q描述的是地表径流量;p描述的是降水总量。
初损差值厶和土壤最大滞留量S之间的线性关系可通过下式描述：
I。=0.2S(3)
通过CN值计算土壤最大滞留量S：
S=^磐-254⑷
SWAT模型通过地表产流量和降水量对土壤水的下渗量进行计算，壤中流Qs的计算公式如(5): Q lat=0.024x$x•心■sZp)⑸式中上硕描述的是波长描述的是在饱和区内土壤水的流出量；仇描述的是土壤空隙度;sip描述的是坡度；描述的是土壤饱和传导率。
设陷」代表的是地下水径流，可通过下式进行计算：
Qgw,i=Qgw,i-i•exp(-a肿•At)+w rchrg-[1-exp(-%•△/)](6)式中，叫.描述的是地下水径流退水系数;Q諏八Q肿,—分别描述的是第i天和第i~1天对应的地下水补给量。
基于遗传算法的浅层地下水污染总量控制方法将Muskingum模型应用在汇流阶段：
Qoul,2=C]•Q”,2+C2•Q”,l+C3•Qo”,i(刀
式中，加描述的是时间步长描述的是马斯京根模型系数;X描述的是流量比重因子;K 描述的是时间常数。
2浅层地下水污染总量控制方法
2.1环境容量计算模型
2.1.1污染源水质响应法
水体环境特性和污染源特性会影响浅层地下水的水质状况，上述影响因素构成较为复杂的污染源-水质响应系统。响应系数描述了某个点源受区域内水质点的响应关系。
通过下述过程对环境容量进行计算：
2.1.1.1响应系数场
单位源强下对应的浓度场即为响应系数场旳(％』)，其中i描述的是点源在计算区域内存在的数量;j描述的是污染物种类，可以用a/%』)描述由第i个污染源污染构成的第j种污染物对应的响应系数场。
2. 1.1.2分担率场
可以通过线性叠加原理获得m个污染源构成的第j种污染物对应的浓度场：
Cj(x,y)=丫4(%』)='Qu
i=1i=1
(8)
式中描述的是污染物对应的源强;C,(x,y)描述的是通过第i个污染源构成的第j种污染物对应的浓度场。
分担率匕(％』)可在上式的基础上计算得到:
Cg(%,y)
(9) 2.1.1.3最大允许排放量
在符合水质目标条件下根据计算得到的C Oi(x, y)计算第»个点源对应的允许排放强度：
C Oi(»,y)=%(%』)•C()(%,y)(10)
C%,y)=%(%』)•Q Oi(11)
n(x Co：(%,y)_%(%』)•Co(%,y)
QoAX，y)~8(%,y)-^7)
(12)
式中，分担率X、响应系数％和水质目标值C。都是已知的，因此确定了水质目标，可以计算第i个点源对应的允许排放量。
根据上述分析，获得环境容量，即整个浅层地下水的允许排放量Co：
m
Q o=(13) 1
2.1.2分区达标控制法
分区达标控制法用线性规划问题代替容量问题，具体步骤如下：
2.1.2.1选取水质控制点
针对浅层地下水根据可持续发展要求划分为不同的功能区，并制定对应的水环境保护目标。
2.1.2.2响应系数
排污口通常情况下为单位负荷呜=1，剩余排污口满足叫=0，即无负荷，在上述情况下通过水质预测模型对浓度分布进行计算，获得m个水质控制点对应的浓度值知。在各控制点中每个排污口的响应系数均可通过上述过程计算得到。
2.1.2.3最大环境容量
通过线性规划方法构建目标函数：
m
maxP=£P,(14)
i=l
上式中,p描述的是最大允许排放量；化描述的是第i个污染源对应的允许排放量。
目标函数的约束条件如(15)：
m
工％(叫，九)W c k
i=1
■,1(15)
K= L,71
S MO
2.2基于遗传算法的污染总量控制
采用遗传算法对浅层地下水污染总量控制方法的原理为：用字符串编码各污染源的源强，在遗传算法运行环境中将其作为操作对象，通过生物遗传进化机制自动调整各污染源的源强，如果获取可以使环境质量标准与各控制点的污染浓度相符的源强布局，且浅层地下水的允许排放总量最大，即为最佳源强布局，实现浅层地下水污染总量的控制。具体步骤如下：
(1)在功能区划要求的基础上确定控制点以及执行的水质标准。
(2)确定适应度函数。染体在遗传算法中的优劣标准可以通过执行标准与控制点计算浓度之间的偏差进行衡量，即个体对应的适应度可以通过偏差计算得到，适应度随着偏差的减小而增大。
设Eq描述的是标准浓度与计算浓度之间的接近程度，其计算公式如(16)：
-m2
陌=亍［若(16)
式中,C扇描述的是在分区中第k控制点对应的标准浓度值。
个体适应度函数如下：
Fitness=MaxErr-Err(1刀
2020其中,Err 为正数；描述的是较大的正数。
(3)用字符串编码各排放单元污染源强，并将 其作为遗传算法中的操作对象进行迭代，直到获得 满足要求的染体之后停止迭代，停止条件为环境
质量标准与计算浓度之间存在的差异达到某个小
量。低于或高于环境质量标准的控制点污染浓度都 不符合要求，所以对每个点执行标准与计算浓度之 间的绝对值进行平均，获得总体平均偏差，并对个体
的优劣进行衡量，当总体平均偏差接近零时获得最 优化问题的解，实现浅层地下水污染总量的控制。
3实验结果与分析
为了验证所提方法的整体有效性，需要对所提
方法进行测试，本次测试在Simulink 平台中完成，在
地下水污染总量控制过程中的关键步骤是对水污染
总量进行计算，分别采用基于遗传算法的浅层地下 水污染总量控制方法、基于单因子指数法的地下水 污染总量控制方法和基于层次分析法的地下水污染
总量控制方法进行测试，对比不同方法的水污染总
量计算准确率，测试结果见图1。
100
80604020
12 3 4
迭代次数/次
(a)基「遗传算法控制方法的水污染总址计算准确率
C
齐遐茫迂士七5扳丹苦
6(b)基于帕因子指数方法的水污染总址计算准确率
吏<
1
君设士七日礙丹轄
迭代次数/次
(e)«T 层次分析方法的水污染总试计算准确率
图1不同方法的水污染总量计算准确率
分析图1可知，在多次迭代中基于遗传算法的 浅层地下水污染总量控制方法计算水污染总量的准 确率均高于基于单因子指数法的地下水污染总量控 制方法和基于层次分析法的地下水污染总量控制方 法计算水污染总量的准确率，因为基于遗传算法的
浅层地下水污染总量控制方法通过SWAT 模型对浅 层地下水区域的污染物运移特征和水文循环过程进
行模拟，通过污染源水质响应法和分区达标控制法 对浅层地下水污染总量进行计算，提高了基于遗传
算法的浅层地下水污染总量控制方法对水污染总量 将的准确率。
设5描述的是污染负荷系数，在区间［0，叮内 取值，污染负荷系数越低表明水污染总量控制效果
越好，分别采用基于遗传算法的浅层地下水污染总 量控制方法、基于单因子指数法的地下水污染总量
控制方法和基于层次分析法的地下水污染总量控制
方法进行测试，对比不同方法的控制效果，测试结果
见图2。
(a)基「遗传鄭法控制方法的为染负荷系数(b)垂单因子指数方法的河•染负荷系数(c＞基于层次分析方法
的为染负荷系数
图2不同方法的污染负荷系数
由图2中的数据可知，在多次迭代中基于遗传算法的浅层地下水污染总量控制方法的污染负荷系数均低于0.2；基于单因子指数法的地下水污染总量控制方法在第5次迭代中获得的污染负荷系数高达0.6；基于层次分析法的地下水污染总量控制方法在第2次迭代中获得的污染负荷系数高达0.7。分析获取的实验数据可知，所提方法获得的污染负荷系数最低，污染负荷系数较低表明基于遗传算法的浅层地下水污染总量控制方法的控制效果较好，因为该方法采用遗传算法根据计算的地下水污染总量对浅层地下水污染总量进行控制，提高了方法的有效性。
4结语
水环境污染程度不断加重，人们开始认识到水环境管理工作的重要，水环境质量仅通过对污染源排放浓度进行控制，无法得到有效改善，因此需要对污染物排放总量进行控制。当前地下水污染总量控制方法存在污染总量计算准确率低和控制效果差的问题，文章提出基于遗传算法的浅层地下水污染总量控制方法，可以准确计算地下水污染总量，有效实现浅层地下水污染总量控制，为水环境管理工作开展奠定了基础。但是该方法没有考虑计算复杂性问题，导致水污染总量控制时间有所延长，接下来将以此为重点进行研究。
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