一种用于突发性场地污染模拟的解析模型

为了及时有效地应对各种突发性环境污染事故,有必要开发一种简单实用、适于各类型污染物的场地污染数学模型。通过污染事故发生后污染物在包气带、饱和带迁移转化的概化,建立了污染物运移的自由入渗模型以及降雨入渗模型并给出各自相应的解析解。无降雨时,考虑污染物在重力作用下随包气带向下渗透的作用,建立一维垂直入渗模型。有降雨时,考虑污染场地（包气带）中污染物迁移和转化的对流作用、扩散作用及挥发、生物降解、吸附、根系吸收等作用,建立包气带剖面二维溶质运移模型和饱和带平面二维溶质运移数学模型。建模过程中,假定降雨量的平均分布及土壤质地、水力参数以及有机物成分、种类均相同,同时假定污染物与多孔介质间的作用为线性吸附,植物根系对污染物的吸附遵循一级动力学。基于模型的解析解,实现案例的模拟计算。模拟结果表明：该模型具有适用范围广、模拟高效快捷等优点,能够较准确预测污染发生后污染物在土壤中的动向、到达饱和带的时间以及饱和带中污染物的迁移情况。     

赣江下游污染负荷与水质响应关系模型

为了研究赣江下游入河污染物对河流水质的影响,建立了基于WASP（Water quality Analysis Simulation Program）模型富营养化原理和ELADI（Eulerian-Lagrangian Alternating Direction Implicit Method）有限差分方法的正交曲线平面二维水环境模型WESC2D（Two-Dimensional Water Environment Simulation Code）。模型采用基于双线性插值及亚网格技术的欧拉-拉格朗日方法求解对流项,在简单的浓度峰输运和赣江下游溶解氧变化过程算例检验的基础上,计算与分析了赣江下游入河排污口氨氮污染负荷与水质之间的动态响应关系。模拟与分析结果表明,WESC2D模型的计算结果与解析解吻合良好,有效地减少了欧拉-拉格朗日方法的数值耗散,并为赣江下游污染负荷与水质响应关系计算提供了重要工具。     

规则波导斯托克斯漂移对污染物输移的影响

为研究斯托克斯漂移对近岸污染物输移的影响,首先建立波导流和考虑斯托克斯漂移的对流扩散数值模型,通过数模结果与实验结果的比较,研究平直斜坡地形下规则波入射时斯托克斯漂移对污染物输移的影响,波导流模型中波浪场基于波能守恒方程来模拟,波导流场基于Longuet-Higgins提出的辐射应力来模拟,污染物对流扩散模型考虑了斯托克斯漂移的影响。其次,利用一个算例来验证对流扩散模型,结果表明数值模型计算结果与解析解吻合良好。最后,利用该模型模拟了两个实验工况下污染物的输移,数值模拟结果与实验结果吻合良好,表明斯托克斯漂移对近岸污染物向岸线方向的输移有比较明显的影响。     

浅水湖泊平面二维水流-水质-底泥污染模型研究

从三维对流-扩散方程出发,推导包含底泥污染的水质控制方程,并与浅水流动方程耦合,建立相应的浅水湖泊平面二维水流-水质-底泥污染的数学模型。运用伽辽金加权余量法推导出数学模型方程组的有限元公式,开发了实时二维水动力、水质模型。利用模型计算玄武湖混合流、水质动态变化过程,结果与实测值较吻合,从而为浅水湖泊混合流、包含底泥污染的水质模拟提供了一种可操作的新途径。     

地下水模型的Neumann展开Monte-Carlo随机有限元法

讨论了求解地下水模型(水流模型和水质模型)的Neumann展开Monte-Carlo随机有限元法。从基本的随机变量入手,避免了过程中随机变量的增多问题,给出结点水头(浓度)的均值、方差和水头在某区间的概率计算方法;改进了矩阵求逆的效率,对输入随机变量较多、随机变量变异较大的非稳定地下水问题特别有效。同时选取二维承压地下水水流问题(有解析解)作为例子,进行了随机数值模拟实验。      

一维流动条件下PCE链式降解中PRB厚度解析及影响

可渗透反应墙（Permeable Reactive Barrier,PRB）技术是原位地下水或者土壤修复中最受瞩目的技术之一,该技术设计和安装的首要关键问题就是反应墙的厚度计算.现有的反应墙设计方法大部分只考虑了单一污染物或者反应墙本身,很少考虑多种污染物的存在以及含水层水力性质的实际情况.聚焦于可渗透反应墙中的PCE（四氯乙烯）链式降解过程,基于可渗透反应墙-含水层的多域多组分污染物的体系建立了一维条件下的对流弥散方程,通过借鉴相关文献提出的转换算法得出方程解析解,并由此推导出适合多组分污染物体系的反应墙厚度公式,利用软件COMSOL建立了数值模型验证了其正确性.对比已有的Rabideau模型发现:计算反应墙厚度时不能完全忽略含水层的自然衰减反应,尤其当达标面远离反应墙出口处时;对于多种组分皆来源于同一种母源反应物的污染物,计算反应墙厚度时边界条件十分关键.本文模型的解析解可以为可渗透反应墙的设计和安装提供建设性的意见,还可以快速分析多组分污染物的分布和预测,为地下水的修复工程、风险评估、后期监测控制提供了计算的支撑.      

复合衬层中变系数有机污染物迁移规律分析

土工膜和下伏压实黏土组成的复合衬层已被广泛用作填埋场的防渗屏障系统。有机污染物在复合衬层中迁移时,其主要运移机制是扩散作用。假设有机污染物在土工膜中稳态扩散,并假设在下伏衬层中扩散系数为迁移距离的线性函数,且考虑降解作用的影响,建立了有机污染物在复合衬层中的一维扩散模型,针对零浓度下边界条件,获得了模型解析解。基于该解析解,分析讨论了相关参数的敏感性。结果表明,相关参数对计算结果影响很大,降解半衰期对污染物运移同样存在较大影响。该解析模型仅适用于有机污染物在两层复合衬垫中的迁移问题,可为填埋场的初步设计提供参考     

LNAPL在二维含水介质中运移规律的研究

为研究LNAPL(轻质非水相液体)污染物在均匀含水介质中的运移规律,本文建立微元模型推导出LNAPL在均匀含水介质中的对流--弥散方程。针对不同的介质模型,对二维对流--弥散方程运用差分法进行数值模拟,求其数值解。分析LNAPL污染物的运移特征,得出在均匀介质和非均匀层状介质中运移规律:LNAPL污染物在含水介质中的运移规律遵循对流--弥散方程,介质的弥散系数是影响LNAPL污染物运移的主要因素。     

改进S-P模型在营口地区河道降解及纳污能力分析中的应用

采用改进的S-P模型对营口地区主要水功能区河流的降级及纳污能力进行分析。结果表明:相比于传统S-P模型,改进模型在营口地区河流降解及纳污能力具有较好的适用性。主要污染物降解系数计算误差降低14. 1%和14. 8%。通过分析,营口地区远景年份污染物的削减率可达分布达到39. 9%和48. 4%。     

河流污染混合区的解析计算方法

以顺直宽矩形明渠中垂向线源等强度排放物质浓度分布的解析解为基础,探讨了污染混合区的计算方法,推导了污染混合区最大长度、最大宽度与相应纵坐标、面积以及最大允许污染负荷的理论计算公式,进行了污染混合区的算例分析。其结果可以作为河流污染混合区允许范围和最大允许污染负荷的计算依据,解析计算方法比采用二维水质模型进行污染混合区的计算更加快捷灵活、方便实用。给出了非保守物质污染混合区最大长度的理论计算公式和忽略反应降解作用按保守物质处理的条件:降解数De≤0.027。     

资料缺失河道水质风险分析

资料缺失是进行水质风险分析的薄弱环节。结合水质指标浓度分布的先验信息及已有水质资料,在分析水质指标相关关系基础上建立其随时间变化的浓度分布模型,应用Bayes理论及Gibbs抽样方法对模型涉及的大量参数和超参数的统计特征进行了同步估计。在假定缺失数据为随机变量的基础上,应用该方法得到的大量样本较好实现了对缺失数据的估计,并结合风险分析理论进一步量化了水质超标风险。通过实例验证了模型的合理性,为资料缺失地区的水质风险分析提供了新的思路和方法。     

淮河中游水量水质联合调度模型研究

针对淮河中游的特点,建立了一个能适应水系密布、河网交错、水库闸坝众多、相互制约等复杂水流条件和防污调度要求的一、二维水量水质耦合的非恒定流模型。采用1999年和2004年淮河中游的联防调度实测资料对模型进行率定和检验的结果表明,所建模型能够准确客观地描述淮河中游洪水、污染物的运动规律,预测和评价各种调度方案的改善水质效果。     

北京市朝阳区沙子营垃圾污染物在潜水含水层中迁移规律的现场模拟实验

选择北京平原区水文地质、环境地质等方面都比较典型的沙子营垃圾堆放场,建立了其水文地质模型。在充分收集资料、分析得出部分计算所需参数后,采用现场弥散实验、勘查取样测试等方法,求得了该含水层的弥散系数等参数;用二维非稳定流溶质运移方程对污染物在此含水层中的迁移扩散规律、速度和污染范围等进行了模拟计算;采用现场钻探、取样测试分析等方法,评价了该含水层的实际污染状况。实验模拟计算和现场调查结果表明:污染物在潜水含水层中的运移规律遵循二维非稳定流场中的溶质运移方程,污染物在潜水含水层中的运移速度约为86.25m/a,迁移扩散主要发生在地下水流向上,侧向扩散宽度极小,是地下水流向上的1/17。     

感潮河网水环境容量影响因素研究

研究了感潮河网的水环境容量。研究表明影响感潮河网水环境容量的主要因素为:潮汐作用、调蓄库容、水利工程的调控运行、污染物的降解系数和边界引水水质。基于感潮河网水质模型,完善了其水环境容量的计算方法。以上海市浦南东片河网为例,分析了感潮河网水环境容量在上述因素影响下的时空变化规律,并提出了相应条件下的污染物日允许排放量     

GMS模型的水文水质模拟应用研究

GMS模型是应用广泛的地下水水文模拟系统。以昆山市某古镇为研究区域,采用GMS模型对其水文水质进行模拟研究。通过用概化方法建立水文地质概念模型和数学模型,用反演迭代方法矫正模型的主要参数等过程,分别用MODFLOW和MT3DMS模块模拟和预测了研究区水文水质状况和污染物迁移趋势。数据对比结果显示,模拟值与检测值基本一致,表明校正后的GMS模型能较好再现地下水流系统特征,并能应用于流域污染物扩散过程的模拟和预测中,对地下水污染物的迁移趋势进行分析,以便及时采取有效措施控制污染源。     

基于含水劣化特性的隧道围岩时效变形数值计算

基于一种可考虑含水劣化特性的岩石黏弹塑性模型,推导得到了该模型的有限差分格式,并采用C++语言进行程序设计获得了FLAC3D二次开发的动态链接库文件。通过简单模拟试验对程序进行有效性检验表明,模型程序可较好地反映岩石的瞬时弹性变形、衰减蠕变、等速蠕变、含水劣化和塑性变形等特性。通过采用黏弹塑性模型程序对实际的隧道地质模型进行数值分析表明：与自然含水状态相比,围岩处于饱和状态时隧道的拱顶沉降、周边收敛和底鼓位移都出现明显增大,饱和状态下隧道底鼓值约为自然含水状态下的2倍,围岩自稳时间较自然含水状态时减小了40 d左右,严重缩短了二次衬砌的合理时间范围。计算结果与隧道现场实际情况较吻合,有效揭示了隧道大变形灾害的产生机制。运用该黏弹塑性模型程序可较好地分析围岩-支护体系的稳定性,并预测隧道二次衬砌的合理施作时机。     

难降解有机污染物在土壤中释放的动力学模型研究

运用多孔介质溶质运移理论及水力学原理,建立了土壤中难降解有机污染物释放的动力学模型,并对其模型进行了解析求解,运用实验数据对模型进行了验证。计算结果表明：所建动力学模型能很好地反映土壤中难降解有机污染物释放的真实过程,准确地描述土壤固相释放时液相难降解有机污染物浓度变化的规律,为准确预测和预报污染物在土壤中的扩散状况以及环境污染的治理、防止二次污染提供了可靠的理论依据。     

长江江苏段区域供水水源地水质可达性研究

采用平面水流、水质有限体积法及黎曼近似解模型,在无结构网格上对偏微分方程进行有限体积法的积分分离散,模型具备有限单元法及有限体积法两者的优点。采用同步遥感、水量、水质实测资料对模型进行了率定验证,在对长江水源地、沿江污染源调查以及岸线稳定段分析结果基础上,进行污染源概化以及确定主要研究江段。在对概化的污染源计算出在设计条件下的污染带分布图,并计算出污染带长、宽随排污量变化曲线;在上述研究基础上,分析出长江各水源地及岸线稳定段的水质变化状况。对长江江苏段各主要排污口的污染带进行了计算,并对长江江苏段区域供水水源地的水质可达性进行了研究。