核事故下源项排放率对放射性物质大气扩散及沉降的影响

在研究核事故下放射性物质大气扩散模拟的过程中,源项排放率对放射性物质大气扩散及沉降的影响是一个关键问题。使用不同类型的假设源项模拟核事故下放射性物质的排放,并探究可以造成较高核污染水平的源项类型。结果表明,模拟得到的放射性物质地表沉降值受到源项排放类型和排放起始时间很大影响。在所有的模拟中,无论排放起始时间如何设置,一次性排放导致的污染面积均大约为连续排放的3倍。结论表明,在下风向且高降水量区域,一次性排放比连续排放更容易造成较大的污染面积,此外,排放源越接近一次性排放,风场和降水的瞬时影响越关键,那么对源项排放率的估计以及风场和降水的模拟精确度的要求越高。     

城市街谷大气环境研究进展

机动车尾气排放不断增加以及城市通风能力降低,常导致城市街谷内的空气污染。城市街谷大气环境主要研究方法包括外场观测、实验室物理模拟和数值计算。外场观测和物理模拟可以考察街谷内污染物的传输扩散规律并对数值模式进行检验,另外,复杂的数值模式则可对城市冠层内大气扩散问题进行详细模拟,数值模拟和外场观测及物理模拟相配合,可用于环境质量评价、污染控制决策及交通规划。重点介绍了近十年内城市街谷大气环境研究的主要成果。     

基于Gauss烟团模型的大气扩散数据同化方法

发生核事故后,可以通过模型迅速预测泄漏的放射性物质的大气扩散情况,但释放源项、气象等参数的不确定性导致大气扩散模型计算的准确性受到影响。通常可以采用数据同化来改善模型预测结果。该文提出一种基于Gauss烟团模型的大气扩散数据同化方法,可以结合观测数据改善模型的预测结果。该方法在迭代搜索中对烟团参数进行线性变换以简化Gauss烟团模型,利用粒子群优化算法对泄漏速率、释放高度、风向、平均风速这4个模型参数进行校正。该方法适用于平坦地形和均匀稳定气象条件下的中尺度扩散。采用稳态条件下双生子实验进行验证,观测点位的模拟值与真实观测值的相关系数达到0.99。在非稳态条件下对源项估计结果进行了测试,结果略优于集合Kalman滤波方法,相关系数达到0.68。该同化方法计算速度快,能有效提升模型的预测,可用于大气扩散数据同化。     

城市地表能量平衡方案研究的新进展

系统介绍了城市地表能量平衡的物理过程及其参数化方案的研究进展.由于城市化等因素的影响,城市地表能量平衡方案中的各个物理量发生变化,进而影响不同尺度的大气环境和城市气候,尤其是微尺度气候.另外,分析和比较了几种城市冠层模型的特点,及其与中尺度大气模式的耦合,提出目前存在的一些问题和未来的发展方向.结论认为,从中尺度大气模式的研究和发展来看,城市冠层模型和中尺度大气模式的耦合可以有效地提高中尺度大气模式的模拟水平,这也有助于中尺度大气模式的精细化模拟研究,从而更好地理解城市地表能量平衡中各个物理量的变化对大气环境和气候变化的影响.     

利用GRAPES-UCM模式对广州典型污染天气过程的数值模拟研究

利用城市冠层加强观测资料对GRAPES-UCM模式进行了多个例的模拟分析与效果检验,表明:城市冠层效应使城市平均气温升高1.2℃,感热通量增加163%,热岛效应增强近1.3℃;城区风速减小16%,而风速的脉动增大;GRAPES-UCM模式对城市地表温度、风速、向下短波辐射、向上长波辐射、感热通量等的模拟结果与实际观测更为接近.近地面静小风、稳定的近地面层结(逆温)及风向的辐合导致污染物的局地堆积,容易造成高PM2.5浓度与低能见度的灰霾天气;与台风外围下沉气流相联系的高温有利于高臭氧事件的发生.城市冠层模式的引入对GRAPES模式在城市下垫面的模拟效果有显著的提升作用,能更好模拟出不利于污染物扩散的气象条件.     

城市化对昆明一次强降水过程影响的数值模拟研究

为了探究昆明地区城市化对降水的影响,利用中尺度气象模式WRF(the weather research and forecasting model)耦合单层城市冠层模块,对2012年5月24日夜间发生在昆明城区西部的一次强降水过程进行数值模拟研究。通过与卫星观测得到的降水空间分布进行对比,发现WRF模式能较好地再现此次降水过程。城市的存在会较显著地改变城市地区的潜热和低层垂直运动,使得位于城区的降水中心降水强度略有减小,而城区下风向的降水有所增加,降水增加的区域与750 hPa高度上的水汽通量辐合加强的区域相对应。城区降水中心降水量减少可能是由于城市下垫面抑制了低层大气的水汽供给。城区下风向降水增加的可能原因是该区域相对较强的垂直运动使得更多的水汽被输送到高层大气中,有利于降水的增强。在目前的城市化水平上,若昆明地区的城市进一步扩张,城区下风向地区的垂直对流运动和大气不稳定度均会增强,但城市下垫面对低层水汽供给的抑制作用也会增强,这两种作用的同时存在会使得城市下风向地区降水的变化存在不确定性。     

流固耦合下隔水帷幕对深基坑的变形特性研究

本文以某软土区止水帷幕深基坑监测为背景，使用COMSOL Multiphysics对基坑分层建模并建立二维渗流-固结耦合模型，研究流固耦合模型在软土地区基坑数值模拟的可行性，基坑渗流模型的建模方法，并分析不同隔水帷幕建模方法对基坑水平位移及坑外地表沉降的影响.研究表明：COMSOL Multiphysics模拟基坑变形数值与实际监测数值较吻合，降水渗流作用对基坑变形具有很大影响.止水帷幕对于减少坑外水位下降和控制地表沉降有显著作用.设置隔水帷幕后，地面沉降量减小，而缺点是导致围护结构变形增大.最后模拟了不同深度隔水帷幕对坑外地表沉降的影响，认为隔水帷幕对坑外沉降改变量有先增大后减小的规律，深度过小或者过大对沉降量的控制效果不好.弱透水层交界处有沉降改变量的极大值，弱透水层处沉降量改变量有明显骤减.     

考虑群井效应下的预降水引发地表沉降计算与分析

潜水层基坑开挖前预降水处理会引起地表沉降,提前预测地表沉降数值对于实际工程具有重要意义。对于预降水处理引起的地表沉降值,采用理论计算和数值模拟的方法分别进行求解。理论计算考虑群井效应,提出预测水位降深曲线,以原地下水位和预测水位降深曲线为分界,分区计算沉降量,叠加后得最终沉降量;数值模拟采用PLAXIS 3D建模,用井单元模拟降水井,流固耦合对预降水期间周围地表沉降求解,并揭示群井效应下抽水流量和孔压变化规律。为验证理论计算方法可行性,用规范法计算结果和工程实测数据加以验证分析,结果表明,所用理论计算和数值模拟值方法能较好地接近实测值,具有一定的工程实用价值。     

不同城市冠层模式对城市地表能量平衡模拟能力的检验

城市地表能量平衡过程是城市大气边界层数值模式的关键过程之一,但对目前不同参数化的适用性和模拟性能评估工作较少.利用2013年南京市中心市区的湍流热通量的观测数据与单层冠层模式(Single Layer Urban Canopy Model,SLUCM)、局地气象参数化方案(Local-scale Urban Meteorological Parameterization Scheme,LUMPS)、城市能量和水平衡方案(Surface Urban Energy and Water Balance Scheme,SUEWS)以及公用陆面模式城市参数化方案(the Community Land Model Urban,CLMU)这四个模式的模拟结果进行对比分析.分析表明:(1)在能量平衡各项中,各模式对于净辐射的模拟颇好,其均方根误差普遍低于感热项的50%,潜热和储热项模拟较差.(2)各模式对净辐射均有低估,其中SLUCM模式模拟最佳,全年平均偏差约7.7%,其均方根误差10~20Wm-2左右;对于感热通量,SUEWS模式模拟较好,日间偏差低于7%;对于潜热通量,则是CLMU模式更佳,特别是夏秋冬三季,平均偏差约12.5%;对于储热项,SLUCM模拟较优,偏差低于10%,各季均方根误差也普遍低于其他模式的50%.(3)各模式普遍表现为:秋冬两季模拟优于春夏两季,夜间模拟比日间更佳.比较结果为数值模拟中城市冠层模式的选取与改进提供了参考依据.     

排土场工后沉降及蠕变规律

采用Burgers模型对排土场散粒体蠕变的减速蠕变和等速蠕变两阶段进行描述,利用分层总和法的思想,将垂直填筑的排土场进行分层处理,底层在上覆“自重”变荷载作用下发生沉降变形,分别采用定常和非定常Burgers蠕变模型从理论解析角度推导排土场填筑动态过程中沉降、工后沉降及累计沉降计算公式.以齐大山铁矿排土场监测数据进行实例验算,应用结果表明：非定常Burgers模型和定常Burgers模型拟合的相关系数均较高,非定常Burgers模型沉降最终收敛于5.07 m,定常Burgers模型沉降曲线具有发散性,可见非定常Burgers模型能更好地表述排土场沉降真实工况;将排土场分为十个分层,结合FLAC3D软件的蠕变数值分析计算,得出各单层沉降率的变化规律,即各单层工后沉降量上层沉降值小于下层和中间层,且上层沉降量呈现单调递减变化,越接近排土场顶部单层沉降量越小;中间层沉降量相对下层沉降量要大,其中第5单层的沉降量最大.     

地面沉降多尺度三维可视化技术研究

整合多源数据,即实测数据、矢量数据、数值模型数据、遥感数据,在三个不同空间尺度上,即区域尺度、中尺度和微观尺度,实现地面沉降发生过程的三维可视化表达,其中微观尺度的沉降模拟是写意表达,而区域尺度和中尺度下的沉降模拟则是采用三维体视化表达方式;并针对不同空间尺度,分别给出建立相应尺度地面沉降模拟模型的方法以及数据结构．同时,以地面沉降最为严重的苏州-无锡-常州地区为例,进行多尺度地面沉降动态过程三维可视化表达应用,建立的模型能够使研究者以交互的方式在三维空间上迅速、全面地掌握地面沉降发生过程,进而为地面沉降研究提供一个全新的可视化操作平台．     

重气瞬时扩散数值模拟的实验验证及应用研究

运用计算流体力学方法对重气瞬时扩散现象进行数值模拟,并与重气扩散理论及野外现场实验观测结果进行定性和定量对比分析. 结果表明,数值模拟方法可以再现重气瞬时扩散的物理过程并以较高的可靠性预测浓度场的时空分布特征. 将数值模拟结果应用于实际的风险分析和安全评价中,可以定量地预测特定地点危险浓度的到达时间、持续时间以及特定时间危险浓度的空间分布;得出了在重气毒性阈值较低的情况下,近源区和远源区中毒风险一样高等结论.     

植被对近地面层水热交换影响的参数化模型

提出了一个研究植被对地表面与大气之间水热交换影响的参数化模型。该参数化模型考虑了到达植被冠层的总辐射、大气长波辐射,建立了冠层内的热量收支平衡方程。应用本参数化模型,研究了不同植被类型的覆盖度、土壤湿度、下垫面的土壤温度、叶温、近地面层气温及地表与大气之间热量和水分的交换,并与相应的实际观测资料进行了比较。结果表明,模型模拟的不同植被的温度、湿度状况,辐射特征和能量平衡关系是合理的。因此,该参数化模型可应用于中尺度气象模型、气候模型和环境生态学的研究。     

强热带风暴Bilis的敏感性数值试验

文中采用非静力MM5(3.5)中尺度数值模式对2006年7月14-15日强热带风暴Bilis台风暴雨天气过程进行了数值模拟与诊断分析,结果发现中尺度地形对暴雨的落区和强度有重要影响。主要表现在地形迎风坡作用、特殊地形辐合抬升作用、地形中尺度系统影响。初始湿度场的改变在模拟雨区和雨强时,对于水汽输送弱的地方,形成降水的水汽对初始时大气中的水汽含量依赖很强;对于有强水汽输送的区域,水汽初值并不是强降水的决定因子。     

强热带风暴Bilis的敏感性数值试验

文中采用非静力MM5（3.5）中尺度数值模式对2006年7月14-15日强热带风暴Bilis台风暴雨天气过程进行了数值模拟与诊断分析,结果发现中尺度地形对暴雨的落区和强度有重要影响。主要表现在地形迎风坡作用、特殊地形辐合抬升作用、地形中尺度系统影响。初始湿度场的改变在模拟雨区和雨强时,对于水汽输送弱的地方,形成降水的水汽对初始时大气中的水汽含量依赖很强;对于有强水汽输送的区域,水汽初值并不是强降水的决定因子。     

大中尺度大气污染物扩散数值模拟研究进展

应用大气污染物扩散模型模拟大中尺度下大气污染物的扩散和输送特征,为空气质量预报和健康风险评估等工作提供了科学依据。总结了目前广泛应用于模拟大气污染物的模型,以放射性核素为例,详细比较了高斯模式、拉格朗日模式和欧拉模式中应用较广泛的模型对模拟放射性核素的干湿沉降、输送和扩散的性能,展望了未来提高数值模拟精确度的方法和发展趋势,通过人工智能算法提高气象数据的质量以及贝叶斯反演方法提高排放源清单的分辨率,对未来提高模拟精确度具有重要的意义。     

基于Fluent的城镇LPG管道泄漏事故后果及影响因素分析

为分析城镇LPG管道泄漏扩散规律及其影响因素,建立了重气在大气中泄漏扩散的FLUENT数值模拟模型,并与实验结果进行对比,验证了基于FLUENT的重气扩散数值模拟模型的可行性和准确性。以某城市LPG管道为研究对象,利用RNG k-ε模型,分析了环境风速、障碍物以及城镇地形条件对LPG泄漏事故后果的影响。结果表明,风速的增加造成泄漏源处形成的膨胀云层减小,加剧了LPG在下风向的输运,增大了近地面区域LPG泄漏的危险性。障碍物的宽度越大,迎风面对LPG管道泄漏扩散的阻挡效应愈显著,有利于抑制LPG气云向背风侧近地区域的扩散蔓延,但应注意背风面涡流造成火灾爆炸危险性加剧的现象。当LPG管道在低洼地形和城市高楼间泄漏时,LPG管道泄漏事故危险性急剧增加。     

浅埋暗挖法地铁施工对周围建筑物影响规律

为研究地铁区间隧道开挖对地面城市中心地区密集建筑物引起的影响规律,结合工程实际,建立6层框架建筑物和双线隧道的FLAC3D数值模型,模拟分析了区间隧道开挖与支护对建筑物的影响过程.结果表明:数值模拟得到建筑物的沉降规律基本符合工程实际情况;有代表性的建筑物产生的倾斜变形不超过地基规范变形允许值,建筑物安全;沉降值随荷载的增大而增大,且距离隧道轴线越近其值越大.建议沈阳地铁施工沉降规律分析可在数值模拟结果的基础上乘以1.2~1.3的系数,用于指导工程实践.     

实际大气条件下汽车尾气扩散的模拟与观测

根据大气风向频率特征,提出风向频率加权（WDFW）方法,结合求解三维N—S方程、传热传质的对流扩散方程和κ-ε湍流模型来预测实际大气条件下局地大气流动和污染物扩散规律,并与现场采样分析结果进行对比．结果表明：数值模拟结果和观测数据吻合较好;污染物浓度在尾气管后部的1～4m范围内迅速衰减,且其扩散特征主要受尾气排放速率和排气浓度的控制,在更远的区域则主要受环境气象条件的影响;但在排气管轴向近于人的呼吸带高度,即使距离尾气管较远,污染物浓度也是较高的．     

内陆核电厂冷却塔对大气扩散影响的CFD模拟

 风场的时空变化和大气湍流特征是影响局地大气污染物迁移、扩散的重要因子。本文以某内陆核电厂址为背景,针对内陆核电厂址气象及地形条件的复杂性,选用三维计算流体动力学(CFD)模型Fluidyn-PANACHE,模拟气载放射性颗粒¹³⁷Cs、气溶胶¹³¹I和常规气态污染物CO在大气中的三维风场及浓度场分布情况。该方法可合理模拟内陆核电厂大型冷却塔等建筑物周围的湍流和绕流,弥补了标准高斯模型精细化程度不足的缺陷。此外,该方法也突破了常规CFD模型很难在一次计算中进行多风向模拟的局限性。计算获得的正常工况下年均大气扩散因子能反映出该厂址大气扩散的季节性差异,即秋季的平均大气扩散因子最大,因此,可考虑将换料大修等非运行工况安排在秋季进行,以降低污染强度。研究获得的年均大气扩散模拟结果与高斯混合排放模式推荐的厂址扩散参数较为一致,典型固定风向的模拟结果与风洞物理模拟结果符合较好,可为中国内陆核电厂址大气扩散研究和评价提供参考。