Modelling biodegradation of hydrocarbons in aquifers: when is the use of the instantaneous reaction approximation justified?

In-situ bio-remediation is a viable cleanup alternative for aquifers contaminated by hydrocarbons such as BTEX. Transport models of varying complexity and capabilities are used to quantify their degradation. A model that has gained wide acceptance in applications is BIOPLUME II, which assumes that oxygen-limited biodegradation takes place as an instantaneous reaction. In this work we have employed theoretical analysis, using non-dimensional variables, and numerical modelling to establish a quantitative criterion demarcating the range of validity of the instantaneous reaction approximation against biodegradation kinetics. Oxygen was the limiting species and sorption was ignored. This criterion relates (o), the Dahmk?hler number at oxygen depletion, to O(o)*, the ratio of initial to input oxygen concentration, (o) > or = 0.7(O(o)*)(2) + 0.1O(o)* + 1.8. The derived (o) reflects the intrinsic characteristics of the physical transport and of the biochemical reaction, including the effect of biomass density. Relative availability of oxygen and hydrocarbons exerts a small influence on results. Theory, verified and refined via numerical simulations, showed that significant deviations of instantaneous reactions from kinetics are to be expected in the space-time region ssimulations also verified the wide applicability of the computationally efficient, stoichiometry-based (algebraic) BIOPLUME concept. Kinetic modelling is required only in active (engineered) bio-remediation cases, with high velocities (e.g., near pumped wells), and for short distances from the source.     

京津冀民用燃煤减排对大气中BaP污染影响评估

运用空气质量模型CMAQ模拟评估民用燃煤减排政策对京津冀大气中BaP污染状况的改进效果,模拟包括作为基准情景的2014年和低消减和高消减2个减排情景.模拟结果表明：基准情景下,京津冀BaP年均浓度为2.54ng/m³,超过国家空气质量标准（1ng/m³）,呈现1月 > 4月 > 10月 > 7月的季节变化特点,反映出冬季供暖燃煤的影响;京津冀南部BaP浓度高于北部,推测原因是南部BaP排放量较高.1月削减民用燃煤排放量对降低该地区BaP浓度和沉降量效果最显著,低削减和高削减下,北京、保定、廊坊BaP浓度分别比基准情景降低30%和40%以上;4、7、10月削减民用燃煤排放量对该地区BaP浓度和沉降量的变化影响不大.京津冀民用燃煤联防联控能更加有效地降低该地区BaP浓度.     

综合生态安全格局构建与城市扩张模拟的城市增长边界划定——以天水市规划区（2015—2030年）为例

传统的城市增长边界划定方法,一般仅考虑生态安全格局,并未考虑在现有客观条件下的城市扩张趋势,划定结果具有一定的主观性;或仅对城市的扩张进行模拟,忽略了城市的生态安全问题。针对上述问题,论文通过耦合城市综合生态安全格局与基于CA_Markov模型的城市扩张模拟结果,提出了一种新的城市增长边界划定方法:首先,合理选取因子构建研究区的综合生态安全格局,利用禁建区对综合生态安全格局的结果进行修正,获得研究区的刚性增长边界;其次,合理选取城市扩张驱动因子,通过CA_Markov模型预测城市扩张边界;最后,综合考虑刚性增长边界、模拟获得的城市扩张边界及近期城市拓展方案等,获得最终的城市增长边界。并以天水市规划区（2015—2030）为案例,对方法的科学性进行了说明。结果表明,论文划定的城市增长边界内总面积370.56 km²,占规划区总面积的7.7%。此方法能够有效解决城市增长与生态保护之间的矛盾,对河谷型城市等建设用地匮乏、生态环境脆弱城市的增长边界划定具有良好的应用价值,也可为其他类型城市的城市增长边界划定提供参考。     

基于多智能体和土地转换模型的耕地撂荒模拟研究——以陕西省米脂县为例

多模型耦合已经成为国内外模拟LUCC有效途径之一。论文通过如下步骤阐明宏观耕地撂荒格局和微观主体行为间的互动机理。首先,将微观主体间的相互作用纳入其决策,构建有限理性多智能体决策模型（Multi-Agent System,MAS）;其次,通过SNNS平台的训练学习以及与历史数据对比分析,验证土地转换模型（Land Transformation Model,LTM）模拟研究区宏观撂荒格局的有效性;最后,依据多模型耦合机理,耦合MAS模型与LTM模型,形成耕地撂荒模拟模型（Cropland Abandonment Simulation Model,CASM）,并基于研究区耕地撂荒的实际数据,探讨模型的合理性和可行性。结果表明：与2013年历史土地利用数据对比,CASM模型的PCM（Percent Correct Metric）系数为71%,比单独利用LTM模型的模拟精度提高3%,不仅表明CASM能够较好地模拟分析米脂县耕地撂荒空间格局分布,而且可有效揭示宏观耕地撂荒格局的微观驱动机理;同时,文章指出未来研究中要考虑政策和市场的影响,进一步完善不同层次主体决策对撂荒的影响,以此来提高模型对现实耕地撂荒的解释力。     

天津地区污染天气分析中垂直扩散指标构建及运用

基于255 m气象塔风、温和PM_(2.5)质量浓度数据获取天津地区大气稳定度特征,利用中尺度大气化学模式构建垂直扩散指数β和φ,开展天津地区污染天气预报中垂直扩散分析方法的研究,以期提高天津地区重污染天气预报预警准确率.结果表明,综合运用大气稳定度、基于边界层平均PM_(2.5)质量浓度与近地面PM_(2.5)质量浓度比值构建的垂直扩散指数β,基于数值模式chemdiag功能(以CO为示踪物)构建的垂直扩散指数φ,可以在污染天气预报中较好的进行大气污染物垂直扩散能力分析.当07:00~08:00和18:00~20:00大气稳定度为D及以上时,相比大气稳定为C及以下时,出现重污染天气的概率成10倍的增加;使用垂直扩散指数β和风速双重指标判断重污染天气,比单一的风速指标判断准确率提升67%;垂直扩散指数φ与近地面PM_(2.5)质量浓度相关系数达到0.8,当垂直扩散指数φ小于0.52时,重污染天气概率75%,可识别59%的重污染天气.     

河南省冬季3次重污染过程的数值模拟及输送特征分析

利用WRF-Chem模式模拟2015年11月27日—12月1日、12月5—14日、12月19—25日河南3次重污染过程,结合空气污染资料和ERA-Interim再分析资料,对比分析了这3次重污染过程的开始、持续和结束及污染物的输送特征.结果表明,静稳天气有利于污染的发展持续,3次重污染过程的结束均是由西路冷空气入侵造成的.第1次重污染过程平均风场上的风速均为小风或静风,从湖北到河南南部风向为偏南风;而第2和第3次重污染过程平均风场分别以偏东和偏北风为主.第2和第3次重污染过程中均存在明显的由北向南的污染物输送过程.3次重污染过程中,河南省本地排放对本省PM_(2.5)浓度的平均贡献率最大,而河南省周边区域对河南PM_(2.5)浓度的平均贡献率在这3次过程中不一样,第1次重污染过程,河南南部主要受偏南风影响,湖北对河南PM_(2.5)浓度的平均贡献率最大,为20.7%;第2和第3次重污染过程主要受偏东风影响,安徽和江苏对河南PM_(2.5)浓度的平均贡献率最大,分别为17.7%和18.5%.3次重污染过程中,安阳的主要污染输送源均不相同,分别来自河北、江苏和安徽、本省.     

不利风向条件下北部湾人为源对海口市PM2.5浓度影响的模拟研究

通过分析2013—2017年海口市风向频率、地面PM_(2.5)浓度及海口市所处北部湾地理位置,确定12月为北部湾对海口市最不利风向时间段.利用中尺度气象模式(WRF,Weather Research Forecast)驱动空气质量模型(CMAQ,Community Multi-scale Air Quality),设置一系列数值模拟情景,深入分析北部湾人为源对海口市PM_(2.5)浓度影响.结果表明:WRF/CMAQ能很好地再现北部湾气象场和PM_(2.5)浓度的时空分布.2013年12月,北部湾人为源对海口市PM_(2.5)平均贡献率约为45.4%,其中约有90%来源于海口市自身人为源,约有10%来源于广东广西片区,海南片区除海口外其余市县贡献可忽略不计.污染时段,北部湾和海口市自身贡献率均下降,平均贡献率分别为40%和36%,表明污染时段海口市PM_(2.5)主要源区不仅来自北部湾.通过分析后向轨迹,发现污染时段均会经过一个关键区——珠三角区域,表明珠三角区域很有可能也是造成2013年12月海口市PM_(2.5)污染的主要源区.清洁时段,北部湾和海口市自身贡献率均上升,平均贡献率分别为52%和48%,表明北部湾对海口市PM_(2.5)浓度影响在清洁时段更显著.因此,北部湾未来产业规划值得关注,因为这些产业很有可能使目前海口市清洁时段变为污染时段,导致空气质量下降.     

高校学生公寓应急疏散模拟与优化

运用应急疏散软件Pathfinder对某高校学生公寓的人员疏散进行了模拟,结果表明,休息时间段内公寓发生的突发事件更容易造成人员疏散运动时间的延长;同等条件下女生比男生所需要的人员疏散运动时间更长。通过合理规划疏散路线,对原有模型进行了优化,并使用人员疏散运动时间和单位有效疏散宽度使用率两个指标,来定量对比优化前后人员疏散的均衡度和疏散效果,给高校学生公寓的应急和安全管理工作提供参考。     

火灾情况下某单洞双层盾构隧道人员疏散分析

对于火灾情况下单洞双层超大断面双层盾构隧道人员疏散问题,在现有的规范中,没有相关条文说明给出明确要求。主要针对火灾情况下某单洞双层盾构隧道人员疏散进行分析,对我国某水下盾构隧道开展了火灾情况下人员疏散的模拟研究。利用Pathfinder模拟疏散软件,通过模拟计算获得该双层盾构隧道发生一起火灾情况下人员逃生所需的时间,验证其疏散通道的疏散能力,以及疏散楼梯尺寸、疏散逃生洞口间距的有效性。在模拟中,将火源设置在隧道的下层,人员从隧道下层往上层疏散。结果表明,基于隧道内疏散楼梯最大的有效宽度,当疏散逃生洞口间距设置为36m时,方可将人员疏散至未失火层隧道的时间控制在6 min以内,从而满足"6 min原则"要求。     

煤矿喷雾降尘雾滴存活时间的数值模拟

为提高煤矿喷雾除尘效率,揭示雾滴蒸发和存活时间的影响因素,基于差分方法,使用MATLAB软件编制雾滴蒸发过程仿真试验程序,研究了雾滴初始半径、雾滴与风流的初始相对速度、雾滴初始温度,以及巷道风流初始温度、湿度、风压共6个关键影响因素与存活时间的关系;采用逐步回归方法构造了包含5因素的雾滴存活时间计算方程。结果表明:在目前煤矿采用的雾化降尘工艺范围内,除雾滴初始温度外的其他5个因素对雾滴存活时间的影响均较为显著;构建的雾滴存活时间综合计算方程能合理计算雾滴的存活时间。