基于Cole-Cole模型的鉻污染土壤時(shí)頻域聯(lián)合反演算法的研究.pdf

1、目前我國(guó)土壤正遭受著嚴(yán)重的重金屬污染，總體表現(xiàn)為：污染元素趨向多樣化，污染范圍更加廣闊，污染程度更加嚴(yán)重，這些問題已嚴(yán)重影響了國(guó)家農(nóng)業(yè)、工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，更是給人類以及動(dòng)物的生命健康帶來極大的威脅。因此，重金屬污染場(chǎng)地的修復(fù)工作刻不容緩，但要進(jìn)行污染場(chǎng)地修復(fù)，須先明確場(chǎng)地的具體范圍和污染程度，還要進(jìn)行土壤地質(zhì)條件的取樣分析，這就需要進(jìn)行污染探測(cè)工作。傳統(tǒng)的污染探測(cè)方法是鉆探取樣結(jié)合室內(nèi)化學(xué)分析，鉆探取樣可大致界定出污染范圍，但是受到

2、地質(zhì)條件的影響，準(zhǔn)確性無法保證，而且浪費(fèi)大量的人力、物力；化學(xué)分析對(duì)于污染元素的種類和污染程度的鑒定比較準(zhǔn)確，但是又浪費(fèi)了大量的時(shí)間。總之，該方法的低效性導(dǎo)致我國(guó)重金屬污染場(chǎng)地探測(cè)工作的開展進(jìn)度緩慢。復(fù)電阻率是物探領(lǐng)域廣泛使用的一種探測(cè)方法，但是在土壤復(fù)電阻率方面的研究還很少。本文對(duì)該方法應(yīng)用于鉻金屬污染土壤的探測(cè)進(jìn)行了研究，主要包括Cole-Cole模型參數(shù)擬合算法的研究，從而驗(yàn)證Cole-Cole模型作為土壤電路模型的有效性，為建立

3、土壤物理參數(shù)與Cole-Cole模型參數(shù)之間的量化關(guān)系提供了依據(jù)，推動(dòng)了重金屬污染探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用。
　　鉻污染土壤物理參數(shù)的變化會(huì)引起土壤電學(xué)參數(shù)的變化，找到土壤物理參數(shù)和土壤電學(xué)參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系將對(duì)重金屬污染場(chǎng)地的探測(cè)和修復(fù)工作帶來巨大的推動(dòng)作用。關(guān)于鉻金屬污染場(chǎng)地的研究已進(jìn)行多年，本文在劉豪睿等人的研究基礎(chǔ)上，繼續(xù)選擇復(fù)電阻率法作為鉻污染土壤的探測(cè)方法，選擇Cole-Cole模型作為土壤復(fù)電阻率的電路模型，采用時(shí)頻域聯(lián)合測(cè)量

4、的方法采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從頻率域測(cè)量中獲得土壤復(fù)電阻率的四個(gè)分量，從時(shí)間域測(cè)量中獲取直流電阻率和充電率作為先驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行Cole-Cole模型參數(shù)的擬合，進(jìn)而驗(yàn)證了該模型有效性。
　　Cole-Cole模型參數(shù)的擬合是本課題的重點(diǎn)，本文采用模擬退火算法進(jìn)行參數(shù)擬合。通俗來講，該算法是模擬固體退火的思想來求解函數(shù)最小值的一種方法，它適合解決大規(guī)模組合優(yōu)化問題，具有不依賴于初始解、描述簡(jiǎn)單、參數(shù)設(shè)置靈活多變的特點(diǎn)，而且它具有運(yùn)行效率高和可

5、達(dá)到全局最優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)復(fù)電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，該算法可從根本上保證了參數(shù)解為實(shí)數(shù)的要求。為了獲得更好的優(yōu)化效果，本文還對(duì)模擬退火算法進(jìn)行了改進(jìn)，在算法的狀態(tài)接受函數(shù)中引入了遺傳算法中交叉和變異的思想，模擬退火與遺傳算法的結(jié)合有效克服了模擬退火搜索效率逐步降低的問題，也有效克服了遺傳算法的早熟現(xiàn)象，使得優(yōu)化效果得到進(jìn)一步改善。
　　本文的研究?jī)?nèi)容主要包括：第一章介紹了重金屬污染土壤的現(xiàn)狀，探討了鉻金屬污染場(chǎng)地探測(cè)的必要性，總結(jié)了

6、污染探測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后提出了本論文的研究思路和主要研究?jī)?nèi)容。第二章介紹了土壤極化理論，為電法測(cè)量提供了理論依據(jù)，將描述巖石電阻率的Cole-Cole模型作為土壤的電路模型，并根據(jù)已有的研究結(jié)論，詳細(xì)介紹了Cole-Cole模型參數(shù)的物理意義；第三章為鉻污染土壤復(fù)電阻率特性的研究，包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法，以及對(duì)土壤復(fù)電阻率特性結(jié)果的分析；第四章為基于土壤復(fù)電阻率模型反演的參數(shù)擬合，主要包括模擬退火算法的研究，并進(jìn)行算法的改進(jìn)，得到了更好