冲积河流重金属污染物迁移转化数值模拟控制方程及其物理意义

基于以前重金属污染物在冲积河流中迁移转化的研究,本文运用环境化学、水力学、泥沙运动力学的基本原理并考虑到有关研究的最新进展,推导建立重金属污染物在冲积河流中迁移转化的数学模型,并以平面二维模型为例给出详细的推导过程和三个简化的计算实例.该数学模型由水流控制方程、泥沙运动控制方程、重金属迁移转化控制方程和悬移质泥沙颗粒相、推移质泥沙颗粒相和床沙颗粒相重金属污染物吸附解吸型对流扩散方程组成.重金属污染物迁移转化方程是一个质量平衡方程,它表明冲积河流中泥沙运动是如何影响重金属污染物迁移转化的.作为以前工作的一个重要进展,悬移质颗粒相、推移质颗粒相和床沙颗粒相重金属污染物吸附解吸反应动力学（或反应动力学简化为＂型＂）对流扩散方程是室内静态实验结果的延伸,它综合考虑物理输移,即对流、扩散和化学反应,这里主要是吸附解吸作用.应用本模型对三个简化的实例进行计算,即模拟计算重金属污染物在恒定、均匀挟沙水流中的迁移转化.所得计算结果合理,进一步阐明泥沙运动在重金属污染物迁移转化中的作用.理论分析和实例计算表明,重金属污染物在冲积河流挟沙水流中的迁移转化不仅具有一般污染物对流扩散的共性,而且具有因泥沙运动而带来的特性.     

持久性有机污染物及修复技术

持久性有机污染物（POPs）具有致癌、致畸和致突变作用,对人类健康造成严重危害：本文介绍了持久性有机污染源的控制技术,以及土壤在受到污染后,所采用的生态修复方法,并详细介绍了物理修复、化学修复和生物修复技术及发展趋势。     

机动车排放对城市光化学烟雾形成的影响

在系统分析机动车排放特征污染物及其对城市大气环境污染贡献的基础上,采用光化学烟雾形成反应动力学模型,模拟了我国典型大气污染型城市兰州、广州的光化学烟雾污染状况及其发展趋势,分析了机动车排放变化对城市光化学烟雾特征污染物形成的影响。模拟结果显示,广州市光化学烟雾污染较兰州市严重,但随着兰州市机动车保有量的增加,其光化学烟雾污染特征污染物臭氧和过氧乙酰硝酸酯浓度将会显著增加。研究表明,在我国城市大气非甲烷碳氢化合物背景浓度较高的条件下,可通过低碳城市计划等节能减排措施实现城市区域碳排放控制,进而大幅度降低城市大气中非甲烷碳氢化合物浓度含量,但对机动车排放的氮氧化物做不到有效控制,城市光化学烟雾污染还是会明显加重。     

多环芳烃的毒理学特征与生物标记物研究

多环芳烃主要来自于碳氢化合物不充分燃烧,在大气、水体和土壤中广泛地存在,由于多环芳烃具有疏水性、致癌性、致畸性、致突变性和生物难降解性,因此多环芳烃被看作是持久性有机污染物的主要代表。目前,多环芳烃的毒理学研究是环境科学领域的热点问题之一,研究主要集中在多环芳烃及其在环境中的降解和转化产物在体内的吸收、分布、排泄和代谢转化,以及阐明多环芳烃对人体毒作用的发生、发展和消除的各种条件和机理。生物标记物是有机污染物风险评价的核心内容,可以探索多环芳烃对人体健康损害的早期观察指标,即用最灵敏的探测手段,找出环境污染物作用于机体后最初出现的生物学变化,以便及早发现并设法排除。本文阐述了环境中多环芳烃的来源、性质和分布,评述了多环芳烃的毒理学研究进展,并对今后多环芳烃的毒理学的发展方向进行了论述。     

基于欧拉模型的淹没射流冲刷数值模拟

采用Eulerian双流体模型对二维淹没射流作用下的无粘性沙床冲刷进行数值模拟,水沙两相间以及沙粒之间的相互作用通过动量交换和相间作用力体现.分别针对Aderibigbe等人的轴对称实验和本文设计的平面二维实验进行计算,动态平衡状态下冲坑剖面形态的计算结果与实验结果吻合较好.分析结果表明：不同冲刷强度下射流水体速度场具有不同的特征;沙粒受水体作用力、重力和沙粒间的摩擦力的综合作用,在沙粒的密度、直径、孔隙度等参数均相同的条件下,水体作用力决定沙粒的运动方式,从而影响冲坑的最终形态;孔隙度是影响冲坑形态的重要因素,在本文的研究范围内,随着孔隙度的增加,孔隙水的流速增大,冲坑深度增加.     

顺直河流沙纹动力演变过程的非线性理论

自然界顺直型河流中经常可以观察到各种各样的沙纹床面形态.针对这一典型床面形态,著名河流动力学家Yalin认为是由于局部扰动造成了底部层流失稳进而诱发沙纹的形成,即：局部扰动→层流失稳→沙纹形成,但Yalin对此未能给出理论解释.基于这种观点,本文构建了＂扰动共振三波与床面泥沙作用的非线性理论模型＂,采用摄动方法,分析顺直河流沙纹动力过程及演变规律,解释了非对称沙纹床面形态的形成和发展.这一理论模型为进一步研究床面形态和湍流相互作用机理提供了理论基础,也为研究风成沙纹形成过程提供了一种流体力学理论.     

三峡水库支流河口淤积及拦门沙形成风险研究

三峡水库库区分布有大小66条支流,水库蓄水后部分支流河口泥沙大幅度沉积,其形成拦门沙坎的可能性亟待揭示.本文以多期次水下地形为基础,辅以原型固定断面观测成果,基于DEM数字高程模型,计算和分析了三峡水库蓄水后库区支流河口段泥沙淤积量及其沿程、平面的分布特征,研究了三峡库区主要支流河口泥沙堆积形态及成因.结果表明,三峡水库蓄水后2003年3月～2011年11月间库区支流累计淤积泥沙1.8亿m3.水库蓄水使得支流河口段水动力条件减弱是泥沙淤积的根本原因,支流来沙、倒灌泥沙及交汇段干支流河势影响泥沙淤积幅度和范围.三峡水库支流河口段淤积的泥沙以干流倒灌为主,支流来沙堆积的现象也存在,随着干支流来沙量趋于减少,支流河口淤积形成拦门沙坎的风险较小.     

空间流动影响因子——室内空气污染控制新概念及其应用

提出了空间流动影响因子概念. 藉此概念, 提出了室内优化有机挥发物(VOC)源和人员活动区域布置的方法, 具体为: (ⅰ) 在室内流动情况确定后, 对给定的污染源, 利用空间流动影响因子可方便确定使房间或特定区域污染物浓度最小的污染源的最优布置方式; (ⅱ) 在给定污染源位置的情况下, 利用空间流动影响因子可方便确定使室内特定区域污染物浓度最小的气流组织形式(空调送风形式); (ⅲ) 空间流动影响因子本身, 提供了流场污染危险性或免疫性的评价指标. 通过算例, 介绍了此方法在室内空气污染控制中的应用.     

三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.     

生物膜滴滤床降解低浓度有机废气的理论模型

将生物膜滴滤塔内的多孔填料简化为由多个管内覆盖有生物膜的竖直毛细管并行排列构成的填料, 建立了一个净化低浓度有机废气的毛细管模型. 运用两相流理论获得了毛细管内液膜厚度分布, 然后考虑气液界面、液膜和生物膜内的传质阻力以及氧对微生物生化反应的限制, 并结合生化反应动力学理论, 建立了气相、液相的传质方程以及生物膜内的传质与生化反应动力学方程. 对离散后的方程进行了迭代求解. 模型的理论预测值与净化低浓度甲苯废气的实验值基本吻合. 计算结果表明: 在一定的进口污染物浓度条件下, 滴滤塔的净化效率随气体流量和液体流量的增加而下降. 降解有机废气的速率主要受液膜传质阻力控制, 越接近滴滤塔废气, 进口的污染物降解率越高.     

北运河(通州段)浮游植物群落与水体营养状况分析

随着北运河流域内用水量和排污量的不断增加,河流污染严重.为改善这种现状,在2010年对北运河(通州段)的浮游植物与理化因素的检测与分析,以期为北运河干流的综合治理以及生态修复提供依据.监测结果显示:北运河五项理化指标的TSIM值平均92.6,Chla达到135.49 μg/L,水体为富营养.主要污染物是CODcr、BO...     

污染物通过有缺陷膜复合衬垫的一维运移解析解

为了研究污染物通过有缺陷膜复合衬垫的运移特性及为复合衬垫的性能评价提供一个简便方法,建立了污染物通过复合衬垫中的一维渗漏扩散模型.在假设污染物通过土工膜为稳态运移的基础上,结合拉氏变换得到了模型的解析解.和数值方法的比较验证了该解析解的合理性和正确性.分析结果表明,对于重金属离子,土工膜的施工质量和渗滤液水头对复合衬垫的防污性能具有很大的影响,水头从0.3m增大到10m时,击穿时间从50a减少到19a;对于挥发性有机污染物,高水头及土工膜施工质量较差情形下,污染物通过土工膜缺陷的渗漏量亦不容忽视.仅考虑重金属离子通过土工膜缺陷的渗漏会导致不保守的结果.即使在低水头作用下,GCL复合衬垫对挥发性有机污染物的防污性能亦较差.该解相对简单,能用于复合衬垫的初步设计、拟合试验数据及验证较复杂数值模型等.     

三峡水库172.5m蓄水过程对香溪河库湾水体富营养化的影响

2008年9月至11月,三峡水库分两阶段蓄水至172.5m水位,通过分析蓄水过程中水库干流及支流库湾的水流、水温、浊度、营养盐等的跟踪监测数据,研究了2008年三峡水库汛末蓄水过程对支流库湾水体富营养化的影响.研究表明:三峡水库水位最大日升幅可为2.38m;三峡水库干支流主要通过异重流形式进行水体交换,支流水流呈显著的异向分层流态;三峡水库蓄水过程可以缩小水库干支流之间的水温、浊度、营养盐、pH值等因子差异;蓄水过程中,干流水体稳定系数始终较小,支流水体稳定系数明显降低;导致香溪河库湾叶绿素a浓度在蓄水期间降低的主要原因是蓄水过程增强了水库干支流间的水体交换程度、降低了支流水体分层程度并增加了支流悬沙的含量;蓄水前三峡水库干、支流水体均呈中富营养化状态,蓄水后干、支流水体均呈中营养状态;三峡水库蓄水过程对支流库湾的营养盐具有补给作用,增大了支流库湾蓄水后产生水体富营养化的风险.     

弯曲河流水流动力稳定性特征研究

弯曲型河流是自然界最为常见的河流形态,其水流特性以及河床泥沙的作用特性,对河流蠕动发展具有重要的影响,是河流动力学中研究的重要课题.弯曲河道中水流流态的转化涉及河床形态和河势单元的发展模式,包括：弯曲河道三维拟序涡与二次环流产生的条件;不同水流条件下拟序涡尺度分级情况;大尺度紊流结构与河湾自适应、互选择性,等等.本文以弯曲河流明渠为背景,首先对其层流转捩到紊流的特性进行研究,与顺直河道相比,其稳定中性曲线前移,失稳临界雷诺数降低,流动失稳过程中,对扰动波数的响应范围加大,层流更容易失稳.这些研究结果是传统流动稳定性理论中所没有的,本文的研究结果也弥补了这方面的不足和空白.     

泥石流与主河汇流堆积的数值模拟

汶川大地震使震区周围的山体出现大量崩塌、滑坡,为泥石流灾害发育提供了丰富的固体物源.一旦降雨条件适宜,很容易形成山洪泥石流.山洪泥石流来流量大,结构较强,与主河汇流时,难以被主河水流及时冲刷,在汇流区大量堆积,从而引发一系列的灾害.本文在前人的研究成果和相关资料的基础上,对交汇区泥石流与主河水流间的相互作用关系进行了合理简化,采用处理对流项有较好计算稳定性的有限元特征分裂算法,建立了与主河汇流的泥石流堆积数学模型.运用本文模型,再现了文家沟特大山洪泥石流在绵远河的堆积过程,分析了泥石流堆积对主河流路、水深、流速分布等的影响.采用实测堆积地形对计算成果进行了验证,结果表明,本文模型计算泥石流堆积范围,堆积厚度分布,在规律上与实测地形基本一致最后,文章对模型未来改进方向进行了探讨.     

浮法玻璃表面渗锡过程的数值模拟

通过分析浮法玻璃渗锡机理,综合考虑玻璃内部氧活度及锡的氧化还原反应,建立了亚锡离子氧化模型计算亚锡离子转化为锡离子的速率,为两种离子浓度分布的独立预测及渗锡机理的数值方法验证提供了条件.在此基础上,建立了扩散过程的耦合数值模拟方法,同步模拟了两种离子的渗透过程.结果表明：高铁含量玻璃在锡槽的还原性气氛中,氧活度剧变处发生了锡离子的积聚,渗锡分布出现卫星峰,而低铁含量玻璃无该现象.与徐冷法相比,锡槽内采用加热重热温度制度,渗锡量、渗锡深度更高,卫星峰向深度方向迁移.为了控制渗锡量,应减少玻璃在高温区停留时间.     

沙纹床面明渠层流稳定性特征的研究

河流床面总是伴随有一定的形态, 如沙纹或沙垄等. 即使原始理想的平整床面, 并保持水流运动的层流状态, 在流动开始后不久, 由于外界的扰动作用, 层流失稳, 床面也会出现沙纹. 而沙纹的出现, 又将进一步改变原始平整床面层流失稳的“轨迹”. 床面沙纹的波状特征, 将诱发明渠层流新的不稳定性, 与平整床面层流失稳相比, 两者存在本质的区别, 其稳定中性曲线前移, 失稳临界Reynolds数降低, 流动失稳过程中, 对扰动波数的响应范围加大, 层流失稳更容易发生. 沙纹移动频率也会对流动失稳产生较大的影响, 动床明流失稳与定床明流失稳有很大差别, 对此也做了研究.     

生物炭对土壤中农药的吸附-解吸行为和生物有效性的影响综述

生物炭是生物质在缺氧条件下热解产生的一种多孔富炭物质,由于其巨大的比表面积和表面理化性质,生物炭对水土环境介质中的有机污染物有较强的吸附能力。本文说明了生物炭的施用对土壤中农药吸附-解吸行为以及生物有效性的影响;由于自身疏松多孔、比表面积和表面能较大等性质,以及高度芳香化结构使其能够强烈的吸附土壤中残留的农药污染物;并且使解吸滞后现象增强,减少农药的解吸量。另外,生物炭的施用减弱了土壤中农药的生物有效性及药效。同时,总结了目前在生物炭对在农药迁移机理的影响与其在农药污染控制中的应用研究中存在的不足之处,提出需要解决的主要科学问题。最后,对生物炭在农药污染控制中的应用前景进行了展望。     

水库泥沙分选及淤积控制研究

泥沙淤积是迄今制约水库长期利用和没有解决的重大问题之一．本文根据水库实测淤积资料、理论分析和数学模型计算等多方面证明了粒径d〉0．1mm粗沙会在水库回水末端特定位置或大江大河径流水库集中分选沉积．同时,从理论上证明了占入库比例很少的粗沙对大型河道型水库淤积三角洲坡面、最终冲淤平衡坡降和淤积程度有很大影响．在此基础上,作者提出在水库特定按固定河段持续挖粗沙以降低平衡淤积坡降、控制淤积和增加长期利用库容．三峡水库模型计算实例表明,年挖砂5000万t／a（三峡设计泥沙系列）或3000万t／a（蓄水前10年系列）可降低水库百年淤积量20％,回水末端淤积大幅度减少,水库平衡坡降减小25％～30％;水库50～100年基本趋于冲淤平衡,可避免长期、持续大量淤积的局面．同时,在黄河小浪底水库回水末端挖粗沙不但可减少水库淤积,而且还可拦截粗沙进入下游而降低黄河下游冲淤平衡坡降．在小浪底水库大量拦沙、冲刷下游河道所营造的相对良好河型基础上,可以期待长远只利用在现有水库拦截粗沙便可缓解或实现黄河下游河道不抬高．     

白腐真菌处理难降解有机物的培养条件及应用研究

白腐真菌能够通过产生胞外氧化酶-木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等酶,直接参与各种难降解有机污染物和毒性物质的降解,它的这种独特的降解能力和降解机制,多年来一直受到世界各国科学界以及工业界的高度重视.本文综述了不同培养条件包括不同基础培养基、添加不同外源(如微量元素等)、不同栽体、不同茵体混合以及非灭菌条件等对白腐真菌生长状况与产酶情况的影响,同时就目前白腐真菌在工业废水(皂素废水、漂白废水、DDNP废水)、生物肥料和生物制浆等领域的应用基础研究进展作一综述,并对其进一步地研究作了展望.