Surrogate Model-Based Simulation-Optimization Approach for Groundwater Source Identification Problems

This study investigates and discusses a time-efficient technology that contains a surrogate model within a simulation-optimization model to identify the characteristics of groundwater pollutant sources. In the proposed surrogate model, Latin hypercube sampling (a stratified sampling approach) and artificial neural network (commencing at the stress period when the concentration is within a certain range, and ending at the peak time) were utilized to reduce workload and costly computing time. The results of a comparison between the proposed surrogate model and the common artificial neural network model and non-surrogate model indicated that the proposed model is a time-efficient technology which could be used to solve groundwater source identification problems.     

Optimization-Based Atmospheric Plume Source Identification

This work applies optimization and an Eulerian inversion approach presented by Bagtzoglou and Baun in 2005 in order to reconstruct contaminant plume time histories and to identify the likely source of atmospheric contamination using data from a real test site for the first time. Present-day distribution of an atmospheric contaminant plume as well as data points reflecting the plume history allow the reconstruction and provide the plume velocity, distribution, and probable source. The method was tested to a hypothetical case and with data from the Forest Atmosphere Transfer and Storage (FACTS) experiment in the Duke experimental forest site. In the scenarios presented herein, as well as in numerous cases tested for verification purposes, the model conserved mass, successfully located the peak of the plume, and managed to capture the motion of the plume well but underestimated the contaminant peak.     

噪声合格审定在降低飞机噪声污染中的应用

噪声污染是航空环境工程领域的重要问题,噪声合格审定已成为降低飞机噪声污染的一种重要途径。为了完善我国的飞机噪声合格审定技术规范,对飞机噪声有效感觉噪声级的计算方法进行了研究;在飞机噪声合格审定过程中,实际飞行实验条件与噪声合格审定规范中规定的基准条件存在差异,依据飞行实验中相应的几何条件和噪声传播的规律,建立了使用积分修正方法计算有效感觉噪声级的完整方法;以CRJ700飞机为例说明了该方法在噪声合格审定中的应用,并且以Boeing747系列飞机为例阐明了噪声合格审定在降低飞机噪声污染的重要作用。     

等效排气筒有效高度计算方法的比选及其应用于大气污染预测的可行性

目前,等效排气筒多用于大气污染物总量控制,其预测精度和范围的不明晰限制了其在污染物运移扩散领域的进一步应用。基于《大气污染物综合排放标准》,依据所预测的范围和浓度精度对8种典型等效计算方法进行了比选,并验证了将等效排气筒用于不同工况下污染物运移扩散预测的可行性。改进的有效高度等效算法 (源强加权算术平均法) 综合考虑了不同高度和源强参数特征,以2个排放同种污染物的相邻排气筒为例,所计算的高斯模式下等效后下风向污染物浓度场总体分布趋势与等效前叠加计算结果一致,且预测精度优于《大气污染物综合排放标准》中提出的均方根平均法和其他等效算法。对不同风速条件下 (1.5~4.5 m·s⁻¹) 等效前后下风向污染物浓度场分布计算比较,发现即使风速改变仍可保证较高的最大落地浓度预测精度 (−6.87%~−2.21%),特别是风速较大时其预测精度更高 (达到−2.21%) 。这验证了该方法的有效性和稳定性。本研究探讨的源强加权算术平均值算法,进一步提升了等效排气筒相关参数计算的合理性,并拓展了其在大气预测评价中的应用。     

Urban nonpoint source pollution buildup and washoff models for simulating storm runoff quality in the Los Angeles County

Many urban nonpoint source pollution models utilize pollutant buildup and washoff functions to simulate storm runoff quality of urban catchments. In this paper, two urban pollutant washoff load models are derived using pollutant buildup and washoff functions. The first model assumes that there is no residual pollutant after a storm event while the second one assumes that there is always residual pollutant after each storm event. The developed models are calibrated and verified with observed data from an urban catchment in the Los Angeles County. The application results show that the developed model with consideration of residual pollutant is more capable of simulating nonpoint source pollution from urban storm runoff than that without consideration of residual pollutant. For the study area, residual pollutant should be considered in pollutant buildup and washoff functions for simulating urban nonpoint source pollution when the total runoff volume is less than 30 mm.     

基于种植结构改进的SWAT模型模拟乌梁素海流域面源污染负荷

乌梁素海是黄河流域最大的湖泊湿地,其地处河套灌区,是灌区排水的承泄湖。多年来面临着严重的水生态系统功能退化、水环境污染等问题,而改善和治理湖泊水环境的基础是要厘清乌梁素海流域灌区退水导致的农业面源污染负荷问题。基于无人机获取的高分辨照片与遥感影像和地面实测数据相结合所获取的精准种植结构数据可作为SWAT模型输入的土地利用数据,以确保对农业面源污染迁移转化过程的模拟更接近真实情况。结果表明,基于作物种植结构数据对流域径流模拟精确度较高,率定期R²为0.74,NES为0.81,验证期R²为0.78,NES为0.67。TN和TP在2010—2020年间整体呈逐渐下降的趋势。季节分析发现,TN和TP均表现为春季负荷量较高。空间分布表明,乌梁素海流域总氮年均负荷量在南部的河套灌区较高,北部草原区较低,在流域东部番茄、瓜果、甜菜等经济作物集中分布的区域,TN负荷量为30~45 t·a⁻¹;总磷污染物负荷量的空间分布与总氮基本一致,主要分布在以玉米和葵花为主的子流域,TP年均总输出量均超过10 t·a⁻¹。本研究结果可为乌梁素海流域面源污染治理及种植结构调整提供参考。     

不透水表面雨水径流污染物冲刷规律研究

针对雨水径流污染冲刷模型中降雨强度与污染物冲刷存在的时间差问题,采用有效降雨强度替代降雨强度,建立了径流污染物冲刷模型,并利用建立的模型对不透水表面雨水径流污染物冲刷进行了模拟。结果表明,模型对SS、COD、TN和TP模拟的相关系数R2平均为0.87、0.81、0.93和0.89,具有较高的模拟精度。SS、COD、TN和TP的冲刷系数分别为0.77、0.66、0.92和0.74 mm-1,TN的冲刷系数略高,但总体相差不大。SS、COD、TN和TP均显示了较强的初期冲刷效应,在有效降雨强度为4 mm时,截留初期雨水径流量的35%~40%,即可控制70%以上雨水径流污染物。建立的模型可应用于研究不透水表面的雨水径流污染物冲刷规律,为雨水径流污染物控制提供理论计算依据。     

基于SWAT模型的观澜河流域城市面源污染负荷量化及影响效应评估

随着我国城市区域污水收集、截污系统的完善与水质净化厂出水标准的提高,点源污染逐步得到控制,城市面源污染对河流水质的影响越来越凸显.针对当前城市内河流集水区域城市面源污染负荷难以量化、对水体水质影响效应难以解析等问题,以深圳市观澜河流域为研究对象,通过对流域的现场勘察调研与地表累积物采样研究,来修正流域土地利用类型数据与...     

北京市典型排放源PM2.5中多环芳烃成分谱特征

采用稀释通道采样系统对北京市部分污染源排放的PM2.5进行了采集,用气相色谱-质谱-质谱法分析了PM2.5中24种多环芳烃(PAHs)的浓度,获得典型排放源PM2.5中PAHs成分谱。结果表明,不同种类污染源排放的PAHs的组分浓度差异比较大,形成的百分浓度轮廓图有各自的特征。生物质燃烧和化石燃烧排放的PM2.5中PAHs含量高于其他污染源;燃煤电厂和供暖/工业锅炉排放的PM2.5中低环数的PAHs比例较高,而生物质燃烧和餐饮源则是高环数的污染物比例较高。燃烧温度高,燃烧较充分,采用布袋除尘方式的污染源排放的PAHs含量要低于其他污染源。     

长江流域重点断面水质时空变异特征及污染源解析

为明晰长江流域水质时空分布特征并解析污染源,基于长江流域21个水质监测断面2008—2018年的pH、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(COD_Mn)及氨氮质量浓度([NH₃-N])数据,采用M-K趋势检验、相关性分析和层次聚类分析,对流域内水质时空动态变化趋势及特征进行综合识别,并结合绝对主成分回归分析法(APCS-MLR)解析污染物来源。结果表明,研究区内重点断面水质类别以II类为主,占71.39%。在时间上,水质污染程度表现为汛期(5—10月)劣于非汛期(1—4月和11、12月),汛期主要污染指标为DO和COD_Mn,非汛期主要污染指标为[NH₃-N];在空间上,21个监测断面聚类为3组,其水质优劣排序为GⅢ(四川乐山岷江大桥、湖南长沙新港、江西南昌滁搓站点)>GⅡ(中下游及下游)>GⅠ(上游及中上游)。结合主成分分析和多元回归分析得出,在所基于的指标中COD_Mn和NH₃-N是研究区内典型污染物,GⅠ组水体主要受营养盐面源污染和耗氧有机物蓄积污染;GⅡ组水质受工业生产和人类活动影响其营养盐和有机物污染严重,而自然因素影响较弱;GⅢ组站点属局部污染严重,污染源主要是有机物,其次是营养盐。上述研究结果可为长江流域针对性水环境治理、污染控制和改善提供参考。     

浦阳江干流生态缓冲带的划定与构建

河流生态缓冲带(简称“缓冲带”)的划定是对河流进行生态修复与保护的重要前提。如何确定缓冲带的宽度和空间布局也是管理部门和学者们关注的热点。以浙江省金华市山溪型河流浦阳江干流为例,利用GF-2卫星影像提取河流岸线、解译河岸两侧土地利用状况,通过VFSMOD模型工具和缓冲带自然条件综合确定农田型、村落型、林草型河段的缓冲带宽度;而城镇型河段则结合城市河道蓝线来确定缓冲带宽度;最终划定浦阳江干流左右岸缓冲带总长度109.63 km,总面积2.837 km²。在此基础上,构建了试点区域上仙屋断面的缓冲带修复方案,旨在为缓冲带修复和水环境质量改善提供参考。     

Breakthrough Curves Characterization and Identification of an Unknown Pollution Source in Groundwater System Using an Artificial Neural Network (ANN)

Contamination of groundwater constrains its uses and poses a serious threat to the environment. Once groundwater is contaminated, the cleanup may be difficult and expensive. Identification of unknown pollution sources is the first step toward adopting any remediation strategy. The proposed methodology exploits the capability of a universal function approximation by a feed-forward multilayer artificial neural network (ANN) to identify the sources in terms of its location, magnitudes, and duration of activity. The back-propagation algorithm is utilized for training the ANN to identify the source characteristics based on simulated concentration data at specified observation locations in the aquifer. Uniform random generation and the Latin hypercube sampling method of random generation are used to generate temporal varying source fluxes. These source fluxes are used in groundwater flow and the transport simulation model to generate necessary data for the ANN model-building processes. Breakthrough curves obtained for the specified pollution scenario are characterized by different methods. The characterized breakthrough curves parameters serve as inputs to ANN model. Unknown pollution source characteristics are outputs for ANN model. Experimentation is also performed with different number of training and testing patterns. In addition, the effects of measurement errors in concentration measurements values are used to show the robustness of ANN based methodology for source identification in case of erroneous data.     

浦阳江流域(浦江县段)面源污染模型估算及河流生态缓冲带重点区域识别

以浦阳江流域(浦江县段)为研究区,从流域面源污染空间特征入手,提出浦阳江流域岸边带建设的重点区域。采用DPeRS面源污染负荷估算模型,具体分析了2018年浦阳江流域面源污染负荷空间分布特征,并采用面向对象方法提取了岸线和河流生态缓冲带土地覆盖类型,以汇水区为单元,结合面源污染估算结果识别了浦阳江流域河流生态缓冲带重点区。结果表明：浦阳江流域中部和中北部地区面源污染排放负荷较高,面源污染入河负荷高值区主要集中于中下游地区;该流域31个汇水区中,TN和NH₄⁺-N重点汇水区有17个,主要分布在流域的中部和东北部;TP和COD重点汇水区有12个,集中分布于流域中部;浦阳江流域河流生态缓冲带范围内,植被类型和非植被类型面积占比分别为65.49%和34.51%,其中耕地面积占比29.36%,建筑用地占比11.89%;综合浦阳江流域面源污染重点汇水区和河流生态缓冲带现状遥感提取结果,筛选出的重点区包括下游地区的7号汇水区和中游地区的18~25号汇水区所在的河流生态缓冲带。今后,可针对其重点区域设计生态防护工程,也应结合源头减量、过程拦截、末端消纳与资源循环利用的防控策略,综合削减面源污染物入河量。     

基于三维荧光及平行因子分析的南昌市某河可溶性有机物溯源及治理策略

地表河流污染物溯源对污染物防治及河流生态环境改善具有重要意义。三维荧光光谱(3D-EEM)的图谱形状、荧光峰位置、荧光峰强度、荧光峰个数信息和荧光参数可作为水体中可溶性有机物(DOM)的荧光特征。结合平行因子分析(PARAFAC)对南昌市某河的3D-EEMs进行分析并进行DOM溯源研究,结果表明,该河DOM主要包含3个荧光组分,分别为类腐殖质荧光组分C1(λ_Ex/λ_Em=245 nm/430 nm)、类氨基酸和类腐殖质组分的混合物C2(λ_Ex/λ_Em=240,300 nm/365 nm)和类色氨酸荧光组分C3(λ_Ex/λ_Em=225,275 nm/335 nm),分别占总荧光组分的35.93%,26.62%和37.45%。该河基本满足地表水环境质量标准(GB 3838-2002)III类水标准,浮游植物主要为蓝绿藻,河流中磷的来源复杂。污染物溯源结果表明,该河DOM腐殖化程度较低,生物活性较强,主要来源于浮游植物和微生物代谢降解和沉积物在冲击和水力作用下产生的内源污染。建议该河采用生态修复技术并辅助水体曝气系统治理DOM污染,并持续防止河流引入外源污染。     

不同进水条件下ASM1模型参数的灵敏度分析

编制了BSM1的仿真程序,并分析了不同进水条件下ASM1模型的16个参数对BSM1出水COD、TN、NH4+-N、NO3--N灵敏度的影响.结果表明,9个参数的灵敏度在规定的划分范围内没有区别,7个参数在不同进水条件下差别较明显;各参数灵敏度的变化规律,与出水的NH4+-N及NO3--N浓度变化有一定相关性;灵敏度变化与ASM1模型速率方程中的开关函数有关.研究不同进水条件下模型参数的灵敏度,有助于提高污水处理仿真计算的准确性.     

长江流域丘陵与平原2类典型城镇面源污染来源解析

在长江流域丘陵城镇重庆永川区和平原城镇常州金坛区分别选取各含合流制和分流制2种排水体制的4个区域作为研究对象,监测雨天4个区域的河流、沿河排口和下垫面径流相关数据,分别采用河流质量守恒法、PMF模型和地表径流质量守恒法解析2类城镇4个区域面源对河流污染贡献、沿河排口污染来源贡献和各下垫面污染贡献。结果表明,城镇面源对4个研究区域内河流的5项水质指标 (SS、COD、NH₃-N、TN和TP) 均有一定程度的贡献,其贡献率与降雨等级、地区特征和排水体制有关;降雨期间,在2类城镇2种排水体制的沿河排口污染负荷来源中,地表径流是SS和COD负荷的主要来源,生活污水和管道沉积物是NH₃-N、TN和TP负荷的主要来源;受地形坡度和人口密度等因素影响,永川和金坛的主要产污下垫面不同,永川为小区道路,金坛为交通道路和屋顶。为提高上述研究区域面源污染的精细化管理,提出了针对性的控制措施。