Two modelling approaches to water-quality simulation in a flooded iron-ore mine (Saizerais, Lorraine, France): a semi-distributed chemical reactor model and a physically based distributed reactive transport pipe network model

The flooding of abandoned mines in the Lorraine Iron Basin (LIB) over the past 25 years has degraded the quality of the groundwater tapped for drinking water. High concentrations of dissolved sulphate have made the water unsuitable for human consumption. This problematic issue has led to the development of numerical tools to support water-resource management in mining contexts. Here we examine two modelling approaches using different numerical tools that we tested on the Saizerais flooded iron-ore mine (Lorraine, France). A first approach considers the Saizerais Mine as a network of two chemical reactors (NCR). The second approach is based on a physically distributed pipe network model (PNM) built with EPANET 2 software. This approach considers the mine as a network of pipes defined by their geometric and chemical parameters. Each reactor in the NCR model includes a detailed chemical model built to simulate quality evolution in the flooded mine water. However, in order to obtain a robust PNM, we simplified the detailed chemical model into a specific sulphate dissolution-precipitation model that is included as sulphate source/sink in both a NCR model and a pipe network model. Both the NCR model and the PNM, based on different numerical techniques, give good post-calibration agreement between the simulated and measured sulphate concentrations in the drinking-water well and overflow drift. The NCR model incorporating the detailed chemical model is useful when a detailed chemical behaviour at the overflow is needed. The PNM incorporating the simplified sulphate dissolution-precipitation model provides better information of the physics controlling the effect of flow and low flow zones, and the time of solid sulphate removal whereas the NCR model will underestimate clean-up time due to the complete mixing assumption. In conclusion, the detailed NCR model will give a first assessment of chemical processes at overflow, and in a second time, the PNM model will provide more detailed information on flow and chemical behaviour (dissolved sulphate concentrations, remaining mass of solid sulphate) in the network. Nevertheless, both modelling methods require hydrological and chemical parameters (recharge flow rate, outflows, volume of mine voids, mass of solids, kinetic constants of the dissolution-precipitation reactions), which are commonly not available for a mine and therefore call for calibration data.     

浙江江山化工股份有限公司污水站一期调试运行

通过对浙江江山化工股份有限公司污水站一期工程3个多月的调试,证明复合厌氧反应器(HAR) 多段好氧工艺处理高浓度有机废水是切实可行的.新型HAR污水站常温下100 d左右可以顺利启动,在进水量675 m3/d、平均容积负荷(以COD计)2.72 kg/(m3·d)条件下,平均COD去除率为35.47%,平均有机胺转化率为39.50%.启动后组合系统COD去除率可达90%以上,出水达到<污水综合排放标准>三级标准.化学沉淀去除NH3-N是出水顺利达标和好氧池稳定、高效运行的关键.尽可能控制并减少磷酸盐等加药量,以防止剩余磷的二次污染.     

Atmospheric heavy metal deposition accumulated in rural forest soils of southern Scandinavia

Thirty-three years of measurements of atmospheric heavy metal (HM) deposition (bulk precipitation) in Denmark combined with European emission inventories form the basis for calculating a 50-year accumulated atmospheric input to a remote forest plantation on the island of Laesoe. Soil samples taken in two depths, 0-10cm and 10-20cm, at eight forest sites at the island were used to determine the increase in HM content in the eolian deposited top soils of the plantation. Concentrations of lead (Pb), cadmium (Cd), copper (Cu), zinc (Zn), vanadium (V), nickel (Ni) and arsenic (As) were determined in atmospheric deposition and in soils. The accumulated atmospheric deposition is of the same magnitude as the increase of these metals in the top soil.     

苏南丘陵主要森林类型保持水土效益的研究

１９９１年度在苏南丘陵地区用径流小区法测得杉木林、火炬松林、栎林及裸地的地表径流系数分别为９．５５％、３８．９９％、６．０１％、４５．３７％。土壤侵蚀量分别为２８１．０ｔ／ｋｍ￣２、２２５．４ｔ／ｋｍ￣２、２３８。４ｔ／ｋｍ￣２、１４４１４．５ｔ／ｋｍ￣２。与裸地相比，森林保持水土的效益非常显著。文中还详细讨论了裸地的土壤侵蚀规律，并给出了裸地土壤侵蚀量的经验预报方程。     

北京市典型区域降水特性及其对细颗粒物影响

通过采集北京市典型区域2016年12月~2017年11月期间大气降水样品,实时监测降水前、期间和后大气非难熔亚微米颗粒物NR-PM₁及其组分浓度,研究了降水的理化特性、典型降水过程离子组分变化特征、以及对大气非难熔亚微米颗粒物NR-PM₁及其组分的影响,同时采用后向轨迹聚类分析法研究了气团长距离传输对降水组分的影响.结果表明,2017年北京市典型区域降水主要集中在夏季,约占总降水量的82.2%,降水主要呈中性或碱性,酸雨发生率很低.降水pH值表现为冬季 > 春季 > 夏季~秋季的季节变化特征.降水中总离子浓度、总阴、阳离子浓度均表现为春季 > 夏季 > 冬季 > 秋季,且呈污染日显著高于清洁日的变化特征.降水中主要水溶性离子年均浓度表现为NH₄⁺ > Ca²⁺ > NO₃^- > SO₄^2- > Na⁺ > Cl^- > Mg²⁺ > F^- > K⁺,其中NH₄⁺、Ca²⁺、NO₃^-和SO₄^2-是降水中最主要的离子组分,占总离子浓度的80%以上,各离子浓度均呈污染日高于清洁日的变化特征.降水期间不同时段,降水中各离子浓度大多表现为：降水初期最高,降水中期显著低于降水初期,降水后期均略有增加.降雨量和降雨速率较小的降水对污染日大气NR-PM₁及其组分的清除作用较强,而降雨量和降雨速率较大的降水对清洁日NR-PM₁及其组分的清除作用较小.值得关注的是在降水不同时段,始终存在2个重要的过程,即污染物的累积和二次污染物的形成过程,以及降水的云下冲刷和云内雨除过程.研究期间,降水主要受到东南和西南方向气团影响,分别约占总降水的60%和23%,且主要发生在夏季,这些气团对降水中离子组分都有不同程度的影响.     

霾天气影响下的京津冀气候变化特征与成因

利用1961~2016年京津冀90个国家级气象站的霾数据集、日平均相对湿度、14：00能见度、日平均气温、日累计降水、日平均风速、辐射等数据,采用MASH方法、线性趋势分析方法、曼-肯德尔（Mann-Kendall）法以及相关分析等方法研究了京津冀地区霾天气影响下的气候变化特征.结果表明：京津冀地区年平均霾日数呈明显的增长趋势,增长率为5d/10a以上,大中城市年平均霾日数明显高于其他地区,霾日数突变增多发生在1992~1993年,在国家大气污染防治专项资金注入以后年平均霾日数增长趋势减缓;京津冀地区霾日和非霾日年平均气温呈上升趋势,年平均能见度呈下降趋势;年平均降水日数总体趋势减少,但是霾日降水日数逐年增加,而非霾日呈现减少趋势,两者呈现对称相反关系;京津冀霾日和非霾日年平均风速均呈逐年下降趋势;霾日数具有随着GDP、能源消耗的增加逐年递增趋势.京津冀地区霾日和非霾日年平均总辐射和散射辐射都是逐年下降,霾日比非霾日下降趋势更加明显,年平均总辐射比散射辐射下降明显;年平均霾日数与年平均总辐射、年平均风速、年平均降水呈负相关,但是与年平均气温、GDP、能源消耗呈正相关.     

聚乙烯亚胺基黄原酸钠与铁盐共同处理低浊水

以聚乙烯亚胺（PEI）为母体,通过化学反应将二硫代羧基引入到其分子链中,制备出新型高分子絮凝剂聚乙烯亚胺基黄原酸钠（PEX）,采用低浊水样作为考察对象,通过絮凝实验研究PEX分别与Fe （Ⅱ）盐、Fe （Ⅲ）盐对水样中浊度的去除性能.结果表明,PEX单独处理低浊水时,水样的初始浊度和pH值对PEX除浊效果均有一定的影响,除浊效率随着初始浊度的降低而降低,随着pH值的升高而先升高后降低;当初始pH值位于PEX等电点附近时,浊度的去除率可达到最高,初始浊度为10.0,15.0,30.0NTU,浊度的去除率分别为88.46%,91.17%,92.73%.PEX与Fe盐共同除浊时浊度的去除率随着体系pH值的升高先升高后降低,投加Fe （Ⅲ）盐后浊度的去除效果总体上优于投加Fe （Ⅱ）盐后的效果.PEX与Fe盐共同除浊和PEX单独除浊时的絮凝作用机理不尽一致,Fe盐的加入可起到一定的电中和作用.     

青岛大气降水中微量元素的浓度及溶解度

利用2016年6月~2017年5月在青岛采集的35个降水样品,分析其中8种微量元素的总态和溶解态浓度,讨论了大气降水中微量元素的浓度及其溶解度的变化特征,并探讨了影响大气降水中微量元素溶解度的因素.结果表明,青岛降水中微量元素的总态浓度以Al和Fe的最高,其次是Zn、Mn、Ba、Pb、Sr、V的较低;溶解态浓度以Zn的最高,其次是Al、Mn、Fe、Ba、Sr、Pb和V的较低;溶解度以地壳元素Al和Fe的最低,为5%左右,受到人为源影响的元素溶解度相对较高,Pb和Ba的为10%~40%,Mn和Sr的为20%~60%,Zn和V溶解度最高,平均约为55%.季节变化显示不同元素总态和溶解态浓度基本呈现冬、春季明显高于夏、秋季,溶解度基本表现为春季最高.持续降雨的前后期微量元素的总态和溶解态浓度均呈现明显降低,但溶解度的变化趋势在不同降雨过程中不一致,pH变化是控制降水中微量元素溶解度的主要因子.     

西南喀斯特农业区大气降水化学及硫同位素组成特征

西南酸雨区属于中国重要的酸雨区,为了理解其中喀斯特农业区酸雨成因及其变化趋势,本研究于2016年5月至2017年9月在中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站进行了大气降水采集(n=147),分析了其水化学成分和硫酸盐硫同位素组成(δ~(34)S-SO_4~(2-))。结果表明,研究区内710%的降水为非酸性雨水(pH56),降水中SO_4~(2-)和Ca~(2+)为主要离子,分别占总阴、阳离子浓度的781%和566%。与研究区2008年降水中硫酸盐浓度(加权平均浓度为1406μmol/L)相比,本次采样期间降水中SO_4~(2-)浓度(加权平均浓度为989μmol/L)显著降低。在研究期间,降水δ~(34)S-SO_4~(2-)为-65‰～212‰,加权平均值为13‰±62‰,与贵阳2008～2009年降水δ~(34)S-SO_4~(2-)(平均值-28‰±14‰)相比有所升高,说明研究区降水硫酸盐中来自工业燃煤排放的贡献降低。研究区降水化学组分和δ34S-SO_4~(2-)均受到降雨量的影响,随着降水量减小,SO_4~(2-)浓度升高,δ~(34)S-SO_4~(2-)则下降,工业燃煤对雨水中硫酸盐的贡献也增加。西南喀斯特农业区大气硫酸盐沉降介于城市和森林之间,季节变化明显,受控于工业燃煤排放和生物成因硫释放。该研究表明优化产业结构,降低工业燃煤,可进一步优化大气环境。     

气候变化背景下城市应对极端降水的适应性方案研究——以西宁海绵城市试点区为例

气候变化将导致极端天气事件频率与强度的增加,城市迫切需要对未来的极端天气做出适应性反应.因此,为了找到应对未来暴雨极端天气的最佳适应性方案,明确不同方案对暴雨极端天气的缓解程度,本研究基于西宁市海绵城市试点区50年(1966—2015)的气象资料,利用Pearson-III概率分布和线性趋势估计法预测了该区未来50年的极端降水量,进而利用SWMM模型模拟未来50年极端降水条件下的城市内涝情况,并根据模拟结果提出基于低影响开发(LID)配置和管网改造的城市内涝适应方案.这些方案包括:局部布设LID措施、局部布设LID措施结合局部管网改造、全局布设LID措施、全局布设LID措施结合满流管网改造.再次利用SWMM模型对这些方案进行模拟,并评价它们应对未来极端降水的能力.结果表明,全局布设LID措施和满流管网改造的效果最好,全局布设LID措施的效果和局部布设LID措施结合局部管网改造的效果相近.然而,管网改造无法有效储存和利用雨水资源,因此,全局布设LID措施将成为城市应对极端降雨的重要适应性方案.