二维平流输送问题的Euler-Taylor-Galerkin有限元方法及其数值实验

介绍了二维平流输送问题的Euler-Taylor-Galerkin(ETG)有限元方法,并进行了数值实验。笔者首先采用时间分裂技术将二维问题转化为一维问题,然后对每个一维问题应用ETG算法。为抑止在陡峭梯度区域附近出现的非物理振动和负值,使用了Forester的非线性滤波器。笔者采用余弦函数和高斯函数2种二维分布在一个纯旋转流场中输送的个例,研究了算法的性能并讨论了时间步长和空间网格分辨率对算法精度的影响。      

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。     

基于遥感时-空-谱特征及随机森林模型的土壤重金属空间分布预测

获取土壤重金属的含量特征及空间分布是预防土壤污染和制定环保政策的关键.选取济南市长清区为研究区,系统采集304处表层土壤样品（0~20 cm）,利用多源遥感数据构建土壤重金属的光谱特征、时间特征和空间特征;进一步采用相关分析法选择出与土壤重金属密切相关的时-空-谱特征,并将其作为输入自变量,实测土壤砷（As）含量值为因变量,建立基于随机森林（RF）算法的空间预测模型,完成土壤重金属的含量估算和空间分布预测.结果表明：①As含量均值超出背景值43.17％,低于农用地土壤污染风险规定的筛选值和管控值,表明As在土壤中出现富集,但处于可管控范围内.②在单个遥感特征构建的土壤重金属空间预测模型中,精度由高到低依次为：空间特征（RPIQ=3.87）>时间特征（RPIQ=2.57）>光谱特征（RPIQ=2.50）,空间特征对土壤重金属空间预测最为重要.③基于“时间-空间”、“时间-光谱”和“空间-光谱”组合特征的土壤重金属空间预测模型均优于单个特征构建的模型,其精度系数RPIQ值分别为4.81、4.21和4.70.④利用“时间-空间-光谱”特征组合输入的随机森林模型达到最佳的空间预测精度（R²=0.90;RMSE=0.77;RPIQ=5.68）.⑤As在空间分布上从西北到东南含量逐步降低,主要受到黄河冲淤积和工业活动影响.研究采用的遥感时-空-谱特征结合随机森林算法的土壤重金属空间预测技术,可为土壤污染防治及环境风险管控提供有效的方法支持.     

阳离子表面活性剂对甲苯与水间气-液平衡关系的影响

为探明表面活性剂对水体中挥发性有机物挥发作用的影响,采用顶空气相色谱法并通过改变相比,研究了甲苯与氯代十六烷基吡啶(CPC)溶液间的气-液平衡关系. 结果表明:体系达到平衡后甲苯气相浓度(峰面积)与相比具有良好的线性关系,且二者间的线性关系可通过方程1/ApR_f/H_iC_io+R_f/Cio(V_g/V_L)进行拟合并得到亨利系数值.溶液中CPC浓度的变化对甲苯的亨利系数有明显影响,平衡体系的亨利系数值随着CPC浓度的增大而减小;当CPC浓度小于临界胶束浓度(CMC)时,CPC浓度的增加对亨利系数的影响不明显;当CPC浓度在CMC以上时,随着CPC浓度的增加亨利系数减小趋势明显.温度对亨利系数有显著影响,亨利系数随温度的升高而增大,且二者间存在良好的线性关系,并可通过Van’t Hoff方程进行拟合.      

基于神经网络的城市夜间环境监控与预测

因夜间天空亮度分布具有非线性变化特点,故引入神经网络算法,建立基于时间序列的夜天空亮度预测模型,夜天空亮度预测模型可为城市光污染防治提供评价依据.文章对神经网络的原理进行了论述,建立了基于时间序列预测模型.以测试数据为训练样本集,基于MATLAB(矩阵实验室,Matrix Laboratory的简称),采用改进的BP算法(误差反向传播算法)对网络进行学习训练,并对存在的误差进行了分析.基于时间序列BP神经网络的夜天空预测模型,当隐含层神经元数目为5,训练函数为L-M优化算法(trainlm)时,最大绝对误差可达到0.003 6 cd/m2,最大相对误差达到2.361 4%.结果表明,模型的运行结果与试验数据比较吻合,输出与目标矢量之间相关性也较好.     

影响精确界定我国酸雨区空间分布的因素探讨

利用酸雨监测网的实测数据对影响精确界定我国酸雨区空间分布的因素进行了深入分析,结果表明:首要影响因素是酸雨监测网的站点数量及其空间分布,可导致在同一插值与地统计方法下所获得的酸雨区的分布存在较大差异;其次是选择正确、合适的空间插值方法及其相应参数的设置,反距离加权(IDW)插值法的重酸雨区分布比克里格(Kriging)插值法多而广;最后是精确的面积比测算方法,网格法计算的酸雨区面积比小于等值面法.建议我国酸雨监测网建设应优先在西藏、内蒙古北部及西部等地区布点,进行酸雨区空间分析时应采用多种插值方法进行比较与分析评估,确保在现有酸雨监测网的基础上获得精确、可靠的酸雨区空间分布.     

苯通过活性炭固定床的透出浓度与时间的动态关系

用气相色谱法，测量苯的不同进样浓度，通过活性炭床透出浓度（C）与时间（t)，绘制C-t曲线图。各图形均类似反正切曲线。以曲线对应的函数。建立了反正切函数的线性关系方程C=A Ktg^-1(t-τ），作为数学模型基础。对该方程求时间的导数，获得透出速度分布方程，当C等于进样浓度C0的1/2时，t=τ,有最大速度K，它是吸附剂对吸附物作用的特征常数。为了验证数学模型可靠性，经相关与回归计算。结果显示，透出浓度与时间的反正切值之间，均呈高度正相关（r≥0.9927)。初步认为，建立的C-t方程是可行的，但由于进样浓度不同，方程的有关常数不一样，使之不便应用，然而，由于方程常数K和τ的对数与进样浓度的对数高度线性相关（r≥0.9999)。常数为进样浓度的指数函数，于是，用进样浓度C0代替K和τ，使方程可适应于不同进样浓度下的应用。同时，还讨论了活性炭吸附苯过程中稳定及非稳定吸附的定量关系和相关机理。     

一种紫外-可见光谱检测水质COD预测模型优化方法

针对紫外-可见光谱法检测水质COD预测模型的精度低和收敛速度慢等问题,研究了一种基于粒子群算法联合最小二乘支持向量机(PSO_LSSVM)的水质检测COD预测模型优化方法,并引入主元分析(PCA)算法对模型输入光谱数据进行降维预处理,借以提高模型的收敛速度.结果表明,利用粒子群(PSO)算法收敛速度快和全局优化能力,优化了最小二乘支持向量机(LSSVM)模型的惩罚因子和核函数参数,避免了人为选择参数的盲目性,克服了传统LSSVM预测模型的精度较低、稳健性较差等缺点.通过以收敛时间、预测平均相对误差(MRE)和均方根误差(RMSE)为评价标准进行评估,输入样本经过PCA降维预处理的PSO_LSSVM模型的预测能力和输入样本未经过降维预处理的LSSVM模型与PSO_LSSVM模型进行了比较分析,输入样本经过PCA降维预处理的PSO_LSSVM模型预测效果最优,且此算法使用C语言实现,易于移植,这为紫外-可见光谱水质COD在线、实时性检测奠定了基础.     

蒽醌-2-磺酸钠促进Klebsiella oxytocaGS-4-08脱色产氢机制与产能分析

采用0~0.5 mmol·L~(-1)蒽醌-2-磺酸钠(AQS)研究其对Klebsiella oxytoca GS-4-08厌氧降解甲基橙(MO)的影响,对比细菌产氢、降解碳源及生成产物等情况,得出最佳浓度为0.1 mmol·L~(-1).在该浓度下,Klebsiella oxytoca GS-4-08可在10 h内完全脱色MO,25 h内降解蔗糖达到92%,同时产生0.117 mol·mol~(-1)乙醇和0.116 mol·mol~(-1)乙酸,2.25 mol·mol~(-1)氢气;将实验结果与已有研究进行对比,分析了AQS促进Klebsiella oxytoca GS-4-08厌氧脱色MO与产氢的机制.通过将细菌降解过程中的物质转换为COD进行对比,对降解过程中电子转移进行了分析,得到0.1 mmol·L~(-1)AQS浓度时电子得率最高,其为87.98%;并将细菌降解过程中的能源转换进行对比,得到0.1 mmol·L~(-1)AQS浓度时能源产量最高,其为802 k J·mol~(-1);同时得出Klebsiella oxytoca GS-4-08发酵过程可产生两种以上生物燃料,表明了其在工业生产应用上的前景.     

基于MABC-SVR的边坡安全系数预测模型

为避免原始人工蜂群算法(原始ABC算法)搜索时陷入局部最优解,提出一种改进的人工蜂群算法(MABC算法),该方法先将原始蜜源的适应度进行排序,找出适应度最高的蜜源,再在其周围搜索更优解,并采用MABC算法对支持向量回归(SVR)模型参数进行优化,实现对边坡安全系数的回归分析与预测。通过对两种算法进行函数测试,结果表明:MABC算法较原始ABC算法收敛速度快、全局性好。选取实例边坡数据构造训练集和测试集,采用MABC-SVR方法基于建立的边坡安全系数预测模型进行预测,结果表明:均方根误差为0.004 6,最大相对误差为7.62%,回归系数为0.967 2。可见,建立的边坡安全系数预测模型准确度较高,可推广使用。     

基于增维精细积分法的单层垃圾体气体迁移分析

采用增维精细积分法对含覆盖层单层垃圾体一维气体迁移进行了瞬态分析.首先,对含覆盖层单层垃圾体的一维气体迁移控制方程进行有限差分离散,得到了其有限差分状态方程;然后,采用增维精细积分法建立了求解任一时刻垃圾体气压力的递推公式.计算结果表明:本文提出的增维精细积分解与校正-预测解吻合得相当好,而且受时间步长影响相对较小.     

填埋场释放气体运移分析的新解法

针对填埋场释放气体运移问题的求解方法进行了研究,提出了空间上运用无网格伽辽金法离散而时间上采用增维精细积分法离散的新解法,导出了相关的数值计算公式。结果表明,本解法的数值解与理论解吻合较好。本方法的计算过程稳定性和精度受时间步长大小影响比有限差分法小得多。前后数据处理相当方便。     

引入分形维数的混凝动力学方程数值求解

运用Smoluchowskj基本原理,建立了引入絮凝体分形维数的混凝动力学模型.该模型在絮凝过程中考虑了不同时刻形成的絮凝体中引入的初始颗粒数目和空隙率,并以此来推求不同时刻形成的絮凝体所对应的分形维数.采用有限差分法对建立的混凝动力学模型进行了数值计算.结果表明,初始颗粒的结构特征和碰撞效率是影响絮凝体粒径分布的主要因素.初始颗粒的分形维数和碰撞效率越大,絮凝体粒径分布越宽泛,大尺寸的颗粒所占的份额越多.同时计算结果表明,絮凝体的分形维数有随其粒径增大而逐渐降低的趋势,其原因是絮凝体的成长粒径与絮凝体中所包含的初始颗粒增长速度不成比例.以腐殖酸为混凝对象,采用硫酸铝作为混凝剂进行混凝实验,并以其初始絮凝条件作为数值计算初始条件,研究表明数值计算分析结果和模拟结果吻合较好.     

基于浅水方程的硇洲岛海域二维潮流数值模拟

以浅水方程为控制方程,对硇洲岛海域潮汐潮流进行了数值模拟。采用有限单元法离散求解浅水方程,将底坡源项归并到压力方程,保证了数值解具有和谐性;在限制水深法的基础上进行水深梯度修正,保证动量守恒,准确模拟了干湿变化过程;根据特征线理论建立边界潮位和潮流流速的关系,使得边界变量满足相容条件。研究结果表明:硇洲岛海域潮流为往复流,临近东海岛处海域流向呈NE-SW向,临近雷州湾处海域流向呈NW-SE向。     

流域污染负荷水质响应的时空数值源解析方法研究

以目前广泛应用的环境流体动力学模型EFDC为平台,构建时空数值源解析方法,理论上可以得到任意时刻任意空间点位污染物的来源构成.其原理是考虑水质模型的微分方程,直接对每个污染负荷再微分,从而将原来1个微分方程变为关于每个污染源的微分方程组,然后联立以EFDC的水动力模型求解,得到每个源对每个时空点的贡献.概化的抚仙湖模型作为数值案例用以验证方法.时空数值源解析的结果与传统扰动方法的结果几乎重合,验证了时空数值源解析方法的正确性.另一方面,数值案例中存在34个独立的污染源,扰动法则需要35次模拟,而时空数值源解析方法的结果通过单次模拟就可得到,说明时空数值源解析方法具有明显的计算效率优势.而通过对结果的进一步分析可以发现,时空数值源解析方法可以提供更精确的源贡献的动态描述.     

简化计算氟氯碳化合物臭氧消耗潜势的研究

计算氟氯碳化合物及其代用品的臭氧消耗潜势（ODP）是研制氟氯碳化合物替代物工作的重要一环。本文在数值解法上作了若干改进,对程序也进行了优化,使得矩阵求逆的过程既省内存,又有较快的运算速度,建立了简化的能在微机上计算ODP的一维时变光化模式。计算结果表明,该模式较好地描述了所模拟的大气情况;用该模式计算的ODP值和文献一致,为能在较大范围内以较简单的方法模拟计算ODP提供了一种简便方法。     

手提式蒸汽消毒器同时消解总磷总氮实验分析

水体中总磷、总氮的增多,会造成藻类的滋生,使水环境质量降低。因此,对总磷、总氮的监测十分必要。国标方法测定水中总磷总氮,都要用手提式蒸汽消毒器进行消解,且消解温度和时间相同。为建立一种快速的测定方法,将总磷、总氮同时放入蒸汽消毒器中进行消解,将此方法与标准消解法进行了对比分析。结果表明:同时消解法的精密度、准确度、回收率、工作曲线等均符合总磷总氮的测定要求,标准物质的测定结果和相对误差均在规范范围内,说明此方法可靠。在总磷、总氮都需检测时,大大缩短了实验时间,减少了蒸汽消毒器的使用频率,是一种快速、简便测定水中总磷总氮的方法。     

顶空气相色谱法测定海水中三氯乙醛

三氯乙醛是海水淡化杀生剂副产物,随浓海水排放入海,对海洋生物具有致畸性,建立海水中三氯乙醛检测方法,具有重要意义。本文采用顶空方法对海水样品中的三氯乙醛进行分离富集,建立了气相色谱-电子捕获检测器(μECD)的分析方法。讨论了顶空时间、顶空温度、水样盐度等实验条件对顶空富集效率的影响。方法在0.05~20.0 μg/L范围呈线性关系,相关系数0.9996,方法检出限(3S/N)为0.006 μg/L,相对标准偏差(RSD)0.51%~1.9%,加标回收率在96.1%~113.9%之间。     

电化学传感器法监测室内空气中甲醛

通过用国家标准GB/T 18204.26-2000酚试剂分光光度法与电化学传感器原理的PPM-400 ST甲醛检测仪（PPM-Tech）相对比,并对可能影响甲醛检测仪监测结果的环境因素如空气中干扰物、风速、温度、湿度等进行研究。在95%置信度下,两种方法所得数据配对t检验的结果,差别无显著性意义;并将两种方法测得的数据进行相关分析,其回归方程式：y（传感器法）=0.004 6＋1.03x（酚试剂法）,相关系数为r=0.993 4。研究结果表明PPM-400 ST甲醛快速检测便携式仪器具有轻巧、方便、快捷、可靠、实时检测甲醛浓度的优点,检测结果与现有国家标准方法具有好的可比性。     

引入分形维数的絮体粒径分布规律及其守恒关系

采用显微摄影技术,通过混凝实验分析了腐植酸絮凝体的粒径分布规律.结果表明,腐植酸絮体的粒径呈现对数正态分布.从混凝动力学基本方程出发,考虑到腐植酸絮体构造的不规则性(分形维数),分析了颗粒数量、颗粒平均体积和标准偏差之间存在的守恒关系,该守恒关系可以大大简化基本方程的求解,更简便地预测混凝过程中絮体的粒径分布.