基于数值模拟的城市街区详细规划通风评估研究

高密度城市建筑会导致城市街区内部风速降低并加剧空气污染,因此对城市详细规划进行通风评估十分必要.由于数值模拟具有经济简便的优势,因此以USSM模式为工具,对城市街区详细规划通风评估方法进行了研究.利用汉堡大学CEDVAL风洞实验数据集对USSM模式的准确性进行了验证,表明USSM模式可以较准确地描述建筑对近地层风场的影响.通过36组敏感性数值试验,研究了建筑密度、排列方式和楼高高低错落对街区通风条件的影响,在此基础上得到了一系列关于通风条件优化的详细规划策略,包括:①对于建筑密度较高的街区,应该依主导风向预留通风道;②相同容积率条件下,分散的建筑布局比集中连片的建筑布局更有利于获得通风条件;③略有错落的建筑布局对于获取更好的通风条件有较大帮助;④较矮的建筑物应布设在上风向,而较高的建筑应布设在下风向.最后,以深圳后海地区详细规划方案为例进行了实际案例评价分析,证明即使街区内的容积率不变,按照一定原则对方案进行调整,仍可在一定程度上改善街区内的通风条件.上述研究结果表明,以数值模式为工具进行城市街区详细规划的通风评估,是提高城市街区通风能力的一种经济简便易行的方法,适合在我国内地各城市推广.     

城市街区大气流动与汽车尾气扩散的三维数值模拟

道路交通已成为现代城市的主要污染源，利用数学模型预测汽车排放污染物对大气环境的影响成为主要手段。针对一个典型城市街区的大气流动和汽车排放物扩散问题进行三维数值模拟分析，揭示了污染物在不同高度建筑物。不同宽度街道和十字道路所组成的街区峡谷内外的大气流动和污染物迁移扩散特征，同时反映了街道走向的影响。研究表明：由于受街道布局和大气边界层的影响，污染物主要集中在街区峡谷内（特别是近地面附近)难以扩散，易造成局部高浓度污染；由于流场的非均匀性和三维特征，污染物浓度呈现非均匀扩散特性。     

京津冀地区重污染天气过程的污染气象条件数值模拟研究

通过采用全球再分析格点资料的统计分析和WRF中尺度数值模拟,从天气学和大气边界层气象学角度分析了2013年12月和2014年2月两次重污染过程中京津冀地区天气尺度大气停滞气象条件和大气污染扩散气象条件的特征及其作用,并根据WRF模式精细化模拟结果分析了太行山和燕山对京津冀地区城市大气污染形成的作用.研究结果表明,两次重污染天气过程中京津冀地区500 h Pa等压面上的平均风速均表现为明显的气候异常特征,500 h Pa平均风速较近10年同期分别下降了约30.8%和50.4%,大气停滞系数较近5年同期分别偏高10%和20%以上;京津冀地区发生严重污染时,WRF模式模拟的日平均混合层高度低于200 m,日平均地面10 m风速低于2 m·s-1,日平均通风量可降低到1000 m2·s-1以下,空气质量指数与日平均通风量成负相关,重污染期间的平均通风量比近5年同期平均通风量偏低29.3%~52.8%,这些不利于污染扩散的天气条件持续数日,导致了重污染天气的发生.此外,太行山对西风气流的阻挡是河北中南部地区大气污染加剧的一个重要原因,而当主导风向为偏南风时,偏南气流遇燕山后或转向回流、或爬坡,导致近地面风速减小,不利于污染物扩散,亦加剧了京津冀地区中南部城市的大气污染.     

数值风洞与物理风洞对烟塔合一排烟的比较研究

热电厂"烟塔合一"排烟技术因其初期投资和运行维护费用少,排烟效果好、SO2落地浓度低等优势,特别是在机场附近的净空限高和对景观环境有特殊要求的地区具有广阔的发展空间。目前国内外广泛使用的大气污染物预测模型——德国模式在烟塔合一排烟方式的预测上尚存在许多问题,如大风下洗条件下,冷却塔附近空腔区的大小和范围、空腔区污染物最大地面浓度等难以给出准确的预测结果。为准确预测烟塔合一排烟方式的大气污染物扩散情况,一种新的大气污染物扩散预测模式——数值风洞模型以及物理风洞实验被用于模拟烟塔合一的环境影响,分析数值风洞模式和物理风洞实验在大气环境预测领域应用的适用性和优缺点。2个预测方法的结果表明:在烟塔合一排烟方式下,大气污染物最大落地浓度随风速增加而增加同时在冷却塔下风向存在负压区,污染物在该区域高浓度聚集。对2种方法进行比较,物理风洞实验由于受到物质和气象等条件的限制,无法得到精确的预测结果以及无法直观地描述空腔区的产生和变化规律。而数值风洞模拟具有更大的自由度和灵活性,预测出在夏季6 m/s风速下,冷却塔下风向最大落地浓度出现峰值,属于最不利的气象条件。同时该方法可利用图形化手段实现对空腔区产生、变化、破碎至再生成的全过程描述,从而建立了一种大气污染预测的重要手段。     

城市小区气象与污染扩散数值模式建立的研究

建立了一个城市小区尺度模式。该模式为三维非静力高分辨，取κ-ε湍流闭合方案。除考虑空气动力学作用外，引入了作为城市特征的街区建筑物布局及其高度、朝向和对短波辐射的遮蔽以及不同地表利用类型等特征影响，用强迫-恢复法计算地面温度，同时加入了污染物平流扩散方程。模式经专门布置的实测资料验证并用其模拟了北京一个小区中的气象条件和污染物扩散特征。结果表明：模式能够较合理的地反映由于建筑物遮蔽造成的温度差异以及不同下垫面上的温度变化；能够较好地模拟实际气象条件下的气象要素场特征和不同建筑物布局和土地利用类型的气象要素场特征，风场与观测比较一致；NOx浓度的模拟基本上反映了小区整体污染物浓度的变化趋势和特征，与观测值有一定的可比性；模式对不同城市小区可有良好的模拟能力。     

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.     

场地地下水1,2-二氯乙烷污染的修复实验与数值模拟研究

为筛选适宜的地下水中1,2-DCA(1,2-二氯乙烷)污染的修复方法,本文开展原位修复包括化学氧化清除技术、监测自然衰减技术及其集成技术的有效性研究.首先通过室内实验,研究高铁酸钾和过氧化氢这两种不同氧化剂对1,2-DCA化学清除的效率以及清除过程中对地下水化学环境的影响.结果表明,高铁酸钾和过氧化氢均能有效的进行化学...     

铬污染土电阻率实验的比较与分析

为了模拟铬污染场地污染土和未污染土的电阻率差异性,通过室内电阻率实验,比较不同含水率下铬污染土和未污染土的电阻率及其斜率的变化;然后通过人工配置铬污染浸出液模拟实际场地低浓度铬污染土,分析低浓度污染土与未污染土的电阻率差异。结果表明:2种土的电阻率随着含水率的增加而减小,但是铬污染土电阻率变化曲线斜率比未污染土小;同一含水率下,铬污染土的电阻率值随浓度增加而减小,但是与未污染土之间仍然有电阻率差异。     

核电厂地下水数值模拟软件Visual Modflow与Fluidyn-Pollusol的比较分析

Visual Modflow与Fluidyn-Pollusol都是用于核电厂地下水数值模拟的软件,本文从两个软件的模型原理,模型的离散形式,网格划分以及软件性能等方面进行对比分析,指出两软件具有的异同点,供研究者根据自己的需求选取不同的软件进行模拟分析。     

绿地空间分布格局对城市热环境影响的数值模拟分析 ——以太原市为例

为探寻绿地分布格局对城市热环境的影响程度及方式,结合遥感技术,运用CFD数值模拟方法,对城市中五类常见的绿地布局形式的温度场和速度场进行数值模拟.结果表明:将CFD技术引入城市热环境研究,利用遥感技术对其进行参数修正,这一思路是可行的;根据典型绿地分布格局的热环境模拟分析,楔状格局具有较好的热环境效应,即该格局在城市中的降温效果最为明显;放射状和条带状的次之;点状格局对周边环境的降温效果相对较弱,但其速度场内局部漩涡最为明显,在小范围内的降温效果是比较明显的,可以作为改善局部小气候的手段;环状格局降温效果最弱.     

WRF-Chem与ADMS对城区尺度大气污染精细化模拟的比较

精细化模拟对城市大气污染预报、朔源和管控具有重要意义.本文以南京市江宁区为例,利用中尺度数值模式WRF-Chem和三维高斯型模式ADMS,针对典型污染个例,开展城区尺度大气污染高分辨模拟,并对其结果进行比较分析.此外,探讨了WRF-Chem中不同城市冠层方案的模拟效果以及ADMS中不同街道峡谷特征对街道内污染扩散的影响.结果表明,WRF-Chem和ADMS都可以合理模拟内外源对关心区域的影响,实现对城区尺度大气污染的高分辨和高效率模拟;相对SLAB、BEP城市冠层方案,WRF-Chem中的UCM方案表现更好,且其模拟性能较ADMS略优;ADMS模拟街道峡谷效应时,街道和建筑尺度参数对模拟结果有较大影响,街道越窄、建筑越高,越不利于街道内污染物的扩散.综合而言,对于城区尺度的大气污染精细化模拟,使用UCM方案的WRF-Chem和ADMS都具有一定的模拟能力,可以根据计算效率和分辨率的要求选用不同模型开展研究.     

非孤立街道峡谷大气流动及污染物扩散特征

实际城市街道皆为非孤立街道,采用数值模拟方法研究了等高与不等高非孤立街道峡谷的大气流动及汽车排放污染物扩散特征.通过与已有的风洞实验结果对比,发现二者较吻合,并且目标街道峡谷上下游建筑物的存在对目标峡谷内部的流场和浓度场有很大的影响.与孤立街道峡谷相比,非孤立街道峡谷中污染物的浓度要远高于孤立街道峡谷中污染物的浓度,而且随着上下游建筑物的增加,使到达目标街道峡谷的风速相对减弱,污染物在峡谷中难以扩散,造成了峡谷内部污染物浓度会随着峡谷数的增加而增大.并且发现不等高峡谷建筑物高度存在一个临界点.      

钱塘江感潮河段污染物迁移扩散数值分析

感潮河流由于受到潮汐的作用,污染物会因潮汐的涨落作用沿河道往复运动,影响用水安全.以高锰酸盐指数作为主要水环境指标,分析了钱塘江感潮河段上游富阳水文站监测到的持续高锰酸盐污染物输入情况下对下游河段的影响,旨在得到不同水期情况下之江站污染物出现的时间,作为取水安全预警指标参考.同时,基于潮流连续性方程、动量方程和污染物扩散方程,模拟计算了9种流况下污染物的迁移扩散过程.结果显示,径流处于平水月份时,之江站最早受到上游污染物影响,其次是枯季,最后是洪季,说明径流作用有利于污染物向下游迁移扩散.在大潮作用下,之江站一般最晚受到上游污染物影响,中潮次之,最早受到影响的是在小潮情况下.说明在感潮河段,由于受到下游潮流的影响,对污染物往下迁移有一个阻滞作用,且潮流越强阻滞作用越明显.本文构建的潮流水质模型可作为污染物在感潮河段迁移扩散机理研究的模型基础,对于制定降低污染物迁移扩散对地表水环境质量影响措施具有现实意义.     

建筑物尾流区气流与污染物扩散的数值计算

采用了细网格非静力能量闭合边界层模式和随机游动模拟方法建立了一套分析建筑物尾流流场和污染物扩散的数值模拟系统．作为应用研究的例子，在对某城市地下交通隧道排废气的风井塔尾流区流场和浓度场进行风洞流体物理实验的基础上，利用所建的模拟系统对风井塔尾流区气流和污染物扩散特征进行研究．结果表明，所建的模拟系统的模拟结果与风洞试验的结果吻合较好，对一些小尺度带有明显湍流不均匀性的流场和局地空气污染物散布的情况有较好的模拟效果和良好的应用前景．     

发射燃气扩散过程数值模拟及安全性分析

目的研究发射燃气扩散过程及对附近安全的影响。方法以CFD方法建立发射阵地气体扩散数学模型,空间内的湍流采用RNG k-ε湍流模型,结合FLUENT软件,对某燃气发生器产生的有毒气体的扩散过程进行数值模拟。以氯气为标的物,计算不同风速、地形影响下氯气的扩散过程,分析风速、山地对氯气扩散速度、距离、覆盖范围、浓度变化的影响。结果山顶发射时,风速越大,氯气的扩散速度越快,覆盖范围越广,最大扩散距离为249 m;山底发射时,在相同风速下,氯气的扩散距离、扩散速度均小于山顶发射时,最大扩散距离为221 m。山地对氯气扩散的影响主要是减缓氯气团的运动速度,减小氯气的影响距离,在山地的迎风面与背风面氯气浓度较高。结论不同风速和起伏山地对氯气扩散会产生较大影响,采用该分析方法可以归纳出有毒气体扩散及影响范围的一般规律。     

新型高阶Boussinesq方程的一维数值模型及其实验验证

基于刘忠波等(2004)推导的新型高阶Boussinesq方程,建立了预报-校正差分格式的数值模型。为考察该数值模型的适用性,针对较大坡度的潜堤上的波浪传播变形进行了数值研究。将数值结果与实验结果进行比较,二者较为吻合,验证了本文的数值模型,同时也说明本方程可用于模拟较陡地形的波浪变形。     

典型城市河流硝态氮污染来源的氮氧同位素解析

城市河流硝态氮（NO₃-N）污染已经成为快速城市化发展中备受关注的水环境问题。以西安市皂河为例,于2021年的5月（旱季）和9月（雨季）采集其河流水体、排口出水和污水处理厂进出水,测定水质参数,并利用氮氧稳定同位素和Iso Source模型解析NO₃-N来源。结果表明：5月和9月皂河NO₃-N的δ¹⁵N分别为−26.43‰~32.29‰和−2.81‰~20.85‰,δ¹⁸O分别为−23.42‰~53.02‰和−5.26‰~21.53‰;粪污是皂河NO₃-N的主要来源,皂河不同污染源NO₃-N来源的平均贡献率,河流水体为粪污>土壤中氮>化肥>大气沉降,排口出水为粪污>土壤中氮>化肥>大气沉降,污水处理厂进水为大气沉降>粪污>土壤中氮>化肥,污水处理厂出水为粪污>土壤中氮>化肥>大气沉降;土壤中氮和粪污合计对皂河流域NO₃-N的贡献率大于70%。控制居民生活污水排放、加强管网建设、强化畜禽粪污管理以及加强土地施肥监督等,有利于减轻城市河流NO₃-N污染。

     

深海溢油输移扩散模型研究

在对深海中泄漏的油气混合物在海洋环境中的输运过程及行为变化的分析基础上,建立三维深海溢油输移扩散模型。该模型采用拉格朗日积分法模拟溢油在近区的水下浮射扩散过程,应用粒子追踪法模拟油滴在水下远区的对流扩散以及油膜在海面的漂移扩散过程,并考虑了油气分离输移、气体溶解、天然气水合物形成与分解等复杂行为对溢油运动轨迹的影响。应用该模型数值模拟了两个大型深海溢油现场试验,结果显示溢油在水下环境中的时空分布模拟结果与现场监测数据符合较好,表明该模型具有较高的准确性和实用性,能够为深海溢油的防治管理提供理论与技术支持。