地下水可溶性污染物迁移的最优估算

对流扩散方程的有限元和有限差方法已经广泛地用来模拟地下水污染物的迁移。由于迁移过程固有的不确定性,模拟方法的不准确性等都会给模型计算带来偏差;另外野外测量的误差也是不可避免的。通过数值模型、量测方程和卡尔曼滤波的结合,作为状态变量的污染物浓度可以优化给出。本文以二维地下水污染物的对流扩散方程为例,应用有限元方法导出卡尔曼滤波的转移矩阵,结果表明,使用滤波技术来估算地下水可溶性污染物浓度的分布比单独使用有限元方法有较大的优越性。     

基于逸度方法评价巢湖流域PAHs在水体-沉积物间扩散过程

沉积物是污染物的一个重要汇区,同时亦可作为二次污染源释放污染物,因此,研究污染物在沉积物-水体界面的扩散过程对认识污染物的环境归趋及其迁移扩散具有重要意义.先前的研究结果表明,巢湖流域沉积物中高浓度多环芳烃(PAHs)来源于历史上工业废水排放,并且整个流域呈显著的空间差异性,但上层水体中PAHs浓度较为均匀.因此,有理由假设这些污染物在巢湖流域水体-沉积物间扩散交换呈明显的空间差异:即受工业废水污染的沉积物可能成为水体中PAHs的二次污染源,而其它区域沉积物则可能是这些污染物的重要汇.然而对于这些问题的研究目前仍然处于空白.本研究利用49个采样点的数据,通过逸度扩散模型,分别计算水体和沉积物中17种PAHs的逸度(f),并进一步计算它们的逸度分数(ff)值,依此全面认识这些污染物在水体-沉积物间的扩散趋势.结果显示,PAHs的ff值随环数增大而减小,即环数越高的PAHs越倾向于从水体向沉积物扩散.其中,低环(2~3环)PAHs和五环苝(Per)的ff均值都大于0.9,表示其从沉积物向上层水体扩散.多数采样点中、高环(4~6环)PAHs的ff值介于0.1~0.9,表示处于交换平衡,但受工业影响区域则呈现从沉积物向水体扩散的趋势.以Per和苯并[g,h,j]苝(BghiP)为例深入讨论了两种不同来源PAHs在巢湖流域水体-沉积物间扩散的差异性.对于Per而言,ff值空间差异较小,其普遍从沉积物向水体释放,说明沉积物-水体间扩散过程是上层水体中自然来源Per的重要来源.对于BghiP而言,ff值存在明显的空间差异性,受工业污染严重的地区,PAHs更易于从沉积物向水体扩散,而其它区域,BghiP则普遍处于平衡态甚至从水体向沉积物汇集.碳黑能促使PAHs向沉积物扩散,对PAHs的扩散有重要影响,且对高环(5~6环)PAHs扩散的影响更明显.当沉积物中碳黑含量为有机碳含量10%时,巢湖流域一半以上区域的PAHs扩散方向发生了改变.     

渤海水质控制模型研究 Ⅱ 潮余流长期输运模型

关于自然水域的污染扩散问题的数值研究,以往大多使用二维非定常模型。这些模型在近岸水域环境影响预测评价方面,得到广泛的应用。但是,输运问题的非定常解,往往初始条件难以设定,跟踪时间的长短也不好估计。特别在环境影响预测计算中初值更难确定。 排入海湾的各种污染成分在海水中的分布状况是在较长时期内逐渐形成的。在经历长期的演变过程之后,可以认为是处于一种定常状态,或者周期性变化的稳定状态。因而在考察污染物质的长期输运扩散效果的问题和对某种污染物对水体的长期影响的预测问题等方面,可以处理为定常问题。本文通过垂向平均二维输运方程在潮周期内求时间平均,导出了与时间变量t无关的定常形式的输运方程。采用SOR迭代方法对定常型方程进行数值求解。鉴于问题的物理背景,对平流项的有限差分采用“逆流”格式。这种差分格式使计算达到二阶精     

地下水溶质反常运移的分数阶对流扩散模型研究进展

地下水溶质在非均质多孔介质中的扩散过程并不总是遵循Fick定律,因此称为反常扩散或反常运移,其本质上是非马尔可夫非局域性过程.分数阶对流扩散模型可以对含水层中溶质的这种运移进行充分而准确的描述.本文在阐明多孔介质溶质反常运移基本问题及其动力学机理基础上,综述了三类分数阶对流扩散模型,即空间分数阶对流扩散模型、时间分数阶对流扩散模型和分布式分数阶对流扩散模型,并详细讨论了分数阶对流扩散模型在地下水溶质反常运移领域的应用前景和挑战.     

城市浅水湖泊雨水溢流总磷输运的数值模拟

从三维对流-扩散-反应方程出发,根据雨水箱涵溢流入湖总磷形态特性,推导雨水溢流进入城市浅水湖泊后二维总磷的输运方程,并与浅水流动方程结合,建立城市浅水湖泊平面二维水流-水质总磷的数学模型.模型通过深圳荔枝湖实测资料验证,计算结果较好.用此模型计算设计降雨强度28 mm/h历时1 h情况下,雨水径流通过箱涵溢流进入荔枝湖和湖水混合后总磷输运情况,分析了入湖雨水总磷归趋.结果表明,溢流入湖TP通量为15.385 kg,其中62.3%掺混在水体中,28.1%沉积到表层底泥;污染后的湖水通过水污染治理工程连续运行3.0 d可将荔枝湖TP恢复到雨前初始浓度水平.     

水质模型研究发展综述

污染物在水体中的分布受物理、化学、生态等过程的影响,其物理过程通过水质模型控制方程中的对流扩散项来考虑,化学及生态过程通过控制方程中的源汇项来考虑。根据化学、生态作用的细化过程,将水质模型的发展分为3个阶段:第1阶段为考虑氧平衡阶段,第2阶段为考虑生态作用阶段,第3阶段为加入泥沙吸附作用阶段。文中总结了各个阶段的主要研究内容,并简单叙述了各个阶段具有代表性的水质模型,最后展望水质模型的进一步发展方向。     

紊动水体复氧规律研究

根据紊动扩散理论及气液界面质量传递过程，在对流场精确描述和对表面传质系数充分研究的基础上，建立了三维紊动水体复氧模型。模型充分考虑了流场及紊动特性对复氧影响。     

闽江河口养殖塘水体溶存氧化亚氮浓度及扩散通量研究

水产养殖生态系统由于其高氮负荷而成为氧化亚氮(N_2O)的潜在释放源.本文以福建闽江河口养虾塘为研究对象,采用静态顶空-气相色谱法测定分析了表层水体溶存N_2O浓度和饱和度,基于薄边界层模型计算了水-气界面N_2O扩散通量,在此基础上结合气象要素与水环境因子分析其主要影响因素.结果表明,养殖塘水体溶存N_2O浓度和饱和度的均值分别为17.96 nmol·L~(-1)和198.03%,时间变化上表现为养殖中期显著高于养殖末期和初期,且具有一定的日变化特征.相关分析表明,N_2O浓度及饱和度与温度、水体NH~+_4-N和叶绿素a浓度呈显著正相关(p0.05),与气压、风速和水体pH值呈显著负相关(p0.05).LM86、W92和RC01模型估算的养殖塘水-气界面N_2O扩散通量的均值分别为20.80、183.75和298.52 nmol·m~(-2)·h~(-1),3种扩散通量均呈现出随着养殖时间推移显著增加的特征,风速和水体溶存N_2O是影响河口养殖塘N_2O扩散通量的重要因子.N_2O扩散通量与扩散系数的取值密切相关,但不同模型方程计算得出的扩散系数存在显著差异,比较发现,RC01模型更适合河口区养殖塘水-气界面N_2O扩散通量估算.本研究结果可为完善水产养殖生态系统的N_2O排放清单编制和近海水环境保护提供一定的科学依据.     

模型参数与边界条件对滇池水质变化的全局敏感性分析

借助湖泊系统模拟可定量地追踪滇池水质的变化过程,而模型输入水质参数和边界条件对机理模型的结果有显著的影响.然而,目前研究主要关注参数或边界条件对模拟结果的敏感性影响,缺乏兼顾模型内部方程参数与外部输入边界条件对结果的影响,并对比分析其相对大小.以滇池为例,通过对其构建的IWIND水质模型中的90个水体参数、83个底泥参数、6个气象边界条件、51个河流输入边界条件进行联合采样,计算叶绿素a、总氮、总磷、氨氮以及溶解氧5种指标的对数纳什系数（现状为基线）,并进行Sobol全局敏感性分析,获得滇池的敏感性参数和边界条件.结果表明：通过比较两大类输入数据的全局敏感性,气象边界条件敏感性最大,其次是水体参数、底泥参数,河流输入边界条件敏感性最小.其中气象敏感边界条件是风速、气压、气温、相对湿度、辐射且风速敏感性最大,水体敏感水质参数主要是藻类代谢及生长过程、碳循环碳矿化过程、氧循环复氧过程与温度相关的参数（KTG2d、TRc;KTMNL;KTR）,惰性颗粒态有机物沉降速率（WSrp）.底泥敏感参数主要是第二层泥沙浓度（rM2）、底泥中有机碳降解过程中温度相关系数（ThKC1）、惰性颗粒态有机碳转...     

水面有限长油膜下油滴输移扩散方程的解析解

在所给定的边界条件下，进行严密的数学推导，给出了油滴输移扩散方程的解析解。分析了解的合理性，讨论了与可对比解析解的一致性，其结果是令人满意的。此解对河流、水库、海洋事故溢油引起的水体油污染计算具有实际应用价值，也具有重要理论意义。     

风洞实验在研究大气污染规律上的应用(续)

五、扩散规律的风洞实验研究 1.大气扩散规律的数学模式污染物在大气中的扩散过程是湍流扩散和分子扩散综合作用的过程。描述这一物理过程的数学方程极为复杂,为适应实际工作的需要,近年来提出了许多近似的计算公式,通常称为模式。已发表的常用模式基本上都是在分子扩散理论的基础上,假定污染物的浓度在空间呈正态分布而得到的。但这些模式是否正确,适用范围是什么当然必须由现场观测和风洞实验来检验。事实上,有些这类的模式本身就是建立在风洞实验     

初始浓度分布对一维含水层中溶质运移的影响

为了研究含水层中任意初始浓度分布条件下一维含水层介质中的溶质运移规律,采用对流-弥散方程构建考虑任意初始浓度分布条件下一维含水层介质中溶质运移动力学数学模型,模型采用持续注入示踪剂、瞬时注入示踪剂和脉冲注入示踪剂3种不同的边界条件,数学模型的求解采用格林函数法.并通过开展室内一维砂柱实验进一步验证模型的科学性和适用性.结果表明：初始条件对溶质运移结果的影响不容忽视,新模型能够模拟不同初始条件下的一维溶质运移过程;新模型通过将流速变化处理为线性变化可以用来研究非稳定流条件下溶质运移过程;新模型是前人模型的完善,模型包含3种不同类型的内边界条件和任意的初始条件,新模型也能为地热开发利用提供理论依据.     

基于原位被动采样技术研究巢湖沉积物和水体中PAHs的垂直分布及其界面交换

沉积物-水体界面处分子扩散是污染物的一个重要地球化学过程,也是判断沉积物是否为上层水体中污染物汇或源的主要依据.本研究利用低密度聚乙烯膜(LDPE)为吸附相的原位被动采样器,同步确定了巢湖西半湖南淝河入湖口处不同深度的上层水体和沉积物孔隙水中13种多环芳烃(PAHs)浓度,并计算了它们在沉积物-水体界面的分子扩散通量.结果表明,3种性能参考化合物(PRCs)在上层水体中的解析速率较沉积物孔隙水中大,相应地,水体中LDPE膜对PAHs的吸附速率高于沉积物孔隙水.水体中13种PAHs总浓度(130～250 ng·L~(-1))低于沉积物孔隙水(180～253 ng·L~(-1)),且均以低环PAHs为主.2～3环PAHs浓度在上层水体中无明显的垂直变化,但4～6环PAHs浓度呈现随深度增加而降低的趋势.沉积物孔隙水中PAHs浓度的垂直变化规律反映了历史强排放过程.研究区域PAHs在沉积物-水体界面的交换通量变化范围为-384～1445 ng·m~(-2)·d~(-1),除Flu和Pyr外,其它PAHs均从沉积物向水体释放,反映了底部沉积物是上层水体中PAHs的重要二次污染源.     

地下水溶质运移方程有限差分格式的实证研究

在求解对流占优的地下水溶质运移方程时,为克服有限差分法和有限单元法产生的过量和值弥散等虚假数值现象,出现了许多数值方法,其中包括Crank-Nicholson格式、上游加权法和人工扩散量法等。以一维地下水溶质运移方程为例,分析三种差分格式的截断误差、稳定性和收敛性,并通过数值试验,在不同的对流强度下,将不同算法的数值解与解析解进行对比,研究不同算法的优缺点和适用条件。结果表明:在对流占优较弱时,三种方法都适用,但Crank-Nicholson差分格式误差最小;当对流强度增大时,适用时间步长较小的人工扩散量法;当对流强度较大时,适用时间步长较大的人工扩散量法,或者空间步长较小的上游加权法。该研究可为解决实际问题时算法的选择提供依据。     

有机污染物土地生物处理过程动态规律模拟研究

应用土壤颗粒内部有机污染物屏蔽理论,说明土地生物处理过程中残余有机污染物在土壤中的滞留现象,提出描述有机污染物在土壤及相连的水环境中生物降解过程的数学模型.其中,污染物的扩散过程用Fick第二扩散定律表示,可逆的吸附和解吸过程用线性吸附等温线表示,不可逆的土壤颗粒内部屏蔽过程用假一级反应动力学方程表示,生物降解过程用Monod动力学方程表示.模型计算结果与实验结果基本拟合,表示模型基本可靠.利用该数学模型,可以定量预测有机污染物进行土地生物处理所需的时间、处理的程度及动态规律.     

海面溢油对流扩散的反向计算

针对船舶造成的油污染问题,提出了反向追踪溢油的概念。在反向计算过程中,对流扩散方程的对流项一方面具有强烈的方向性,意味着上游信息通过对流项向下游传递;另一方面由于是逆向计算,因此计算时下游信息也需要通过对流项传递到上游。此外与顺时计算不同,扩散项在反向计算时更容易积累误差,从而使计算格式趋于不稳。针对反向计算的如上特点,我们对对流项和扩散项均采取了中心差分的处理方式。通过对两个算例(1)无界区域和(2)有界区域的实例演算,我们认为该方法无论是在开放的海域还是在封闭或半封闭海域均能取得基本令人满意的结果。     

大型LNG混凝土储罐泄漏后温度场研究

在分析LNG的发展形势和研究LNG储罐泄漏的必要性的基础上,基于热学理论和大型有限元软件Ansys,探讨了LNG混凝土储罐模型中所采用的热学的传导、对流和辐射三大边界条件,建立了有限元数值模型,并对大型LNG混凝土储罐在各种泄漏情况下的温度场分布进行了有限元数值模拟与计算。结果表明:LNG混凝土储罐温度由内而外呈线性逐渐升高,并无突变;在Ansys模型里施加传导、对流和辐射边界条件后,储罐外壁的温度和环境温度基本一致,桩台底板中心区的温度比环境温度低,这些都与实际情况相符,从而验证了采用大型通用有限元软件Ansys进行LNG混凝土储罐热分析结果的有效性,对后续储罐结构在泄漏工况下的力学分析及抵御LNG泄漏造成的安全事故具有重要意义。     

大辽河感潮河段水体交换的数值研究

基于FVCOM建立大辽河感潮河段的水动力-扩散数值模型,采用保守物质输运扩散法研究大辽河感潮河段在潮和径流作用下的水体交换特征。结果表明:径流是影响大辽河感潮河段水交换的主要因素,径流为114 m3/s条件下,半交换时间为226 h,587 h后达到90%的交换状态,且径流加倍,对应交换时间近似线性递减;子区域水交换差异由潮和径流的相互作用决定,径流越大,靠向上游河段水体交换得越快,径流减小时近河口区段水体交换变快,而中游河段交换变慢。     

水域中非保守污染物质扩散区域的模拟

在一定的水文条件下,可根据用极座标表示的紊动扩散方程来模拟水域中可溶性污染物的运移。该方程可描述可溶性污染物由座标中心沿水平面扩散的过程。适用于该方程的水文条件是:在污水排放处不存在定向的稳定水流,如存在也仅仅是沿一定方向变化的缓流。缓流的变化可引起污染水在小范围内变化。同时,缓流也是水体紊动的因素。当排放处暂时不存在水流时,剩余的紊动会逐渐衰减,邻近水域紊流交换所产生的紊动亦将逐渐衰减。 在这种情况下,污染物集中于排放区域。当从岸上排放污水时,形成的污水云状物呈半圆形,而从距岸若干距离排放污水时,污水云状物呈圆形。云状物面积的扩大将取决于污水     

对流——扩散方程的二次插值差分解法

本文采用二次上风式插值方法(Quadratic Upstream Interpolation for Convective Kinematics,简称QUICK格式)对水质对流——扩散方程中心差分格式加以改进,使差分方程近似解与方程解析解达三阶近似,提高了近似解的精度和求解过程的稳定性。