基于耦合概率密度方法的河渠突发水污染溯源

以水动力计算为基础,依据正向浓度概率密度与逆向位置概率密度的耦合关系,构建了以污染源位置和释放时间为参数的相关性优化模型,并利用微分进化算法实现了模型的求解。在此基础上,根据污染物正向浓度概率密度函数构建优化模型确定了污染物强度。耦合概率密度方法将突发水污染溯源问题转换为两个最小值优化问题,原理简单,求解方便,实现了污染源参数的解耦。在求解优化模型时,将梯度概念引入到微分进化算法中,提高了搜索效率。将所提出的溯源方法运用于仿真实验案例以及南水北调中线应急示范工程实例,结果表明,模型溯源效果好、模拟精度高,溯源结果对于河渠突发水污染事件应急处置具有一定指导意义。     

基于微分进化算法的污染物源项识别反问题研究

利用微分进化算法研究了污染物源项识别反问题,包括单点固定源和多点固定源的位置和强度的反演.该方法把源项识别反问题转化为非线性优化问题,通过第i个个体和三个随机选取的父代共同产生子个体,新产生的一个子个体只有当它比种群中的个体优良时才替换种群中的个体.多个算例的计算结果表明,采用该算法对含点源的二维环境水力学反问题能够给出精度较高的反演结果.     

基于数据驱动模型的入海污染源排污削减优化方法研究

陆源污染物排放是影响近岸海域水环境生态质量最重要的因素。建立了数据驱动模型人工神经网络算法和海域水质模型相耦合的入海污染源排污削减优化方法:基于水质模型污染源项设计工况的数值计算,获得海域内部观测点污染物浓度;以数据驱动模型人工神经网络算法建立状态变量(海域内部观测点污染物浓度)同控制变量(污染源项)之间的非线性关系;以海域内部观测点环境目标数据为输入,模拟推算出目标前提下的各污染源项入海允许排放量;最终结合实际排污量,核算获得削减量。以连云港徐圩海域4个入海污染源无机氮的排污削减研究验证方法的有效性,结果表明:数据驱动人工神经网络方法具有非线性、简洁、灵活的优点,可以为近岸海域水污染控制工作提供基础数据支撑;同时研究中采用分区排污削减的方式更能体现兼顾公平的基本原则,优化入海污染源排污削减工作。     

大涡模拟水环境中污染物团的运动规律

本文采用大涡模拟方法封闭引入浮力特性并经空间平均后的Navier-Stokes紊流方程，对水环境中污染物的运动规律进行研究。在用有限差分法对控制方程进行求解时，用破开算子法将控制方程分为对流、扩散和源项三部分，其中对流项用QUICKET程式求解，扩散项用中心差分求解，源项用Gauss-Seidel迭代法求解。数值计算结合物理模型结果表明，污染物团在水环境中运动除有时均定量关系之外，还有三大定性规律：第一，污染物团在时间和空间上具有不规则性；第二，污染物团后部是空的；第三，在同一条件下进行多次试验（数学和物理），污染物团的运动是不一样的。计算表明大涡模拟要优于通常的 κ-ε 紊流模型，它不但能够象 κ-ε 紊流模型那样计算出污染物在水环境中的时均运动规律，而且能够计算出其在空间上的不对称发展过程，能够准确地再现其在物理模型中的不对称运动特性。计算结果无论从定性还是从定量关系上都与试验结果吻合一致。     

计算动态水质模型流场的结点-通道法

一、水力学计算模型与计算方法 随着我国沿海城市的开放与发展,河口地区污染的预估和治理问题日趋迫切。由于河口段受潮汐作用,水流流场和污染物浓度场随时间和地点变化,成为动态水质问题。为能迅速地进行水质预报,要求流场和浓度场的计算紧密相连,两者采用相同的计算格式。这种格式既能反映河道的输移与扩散特性,又能反映水体的混合特性,以及水面与大气之间的有关交换特性。结点-通道计算网格就是一种具有这种功能的格式。     

莱茵河警报模型的开发与应用

受第8次莱茵河沿岸国家部长级会议的委托,保护莱茵河国际委员会和莱茵河流域水文国际委员会于1990年共同开发了莱茵河警报模型。1998~1999年荷兰代尔夫特水力学研究所对模型进行了改进,开发了可以计算河流横断面上污染物浓度分布的二维模块。利用目前最新版本的莱茵河警报模型,能够可靠地预报污染物的扩散进程。     

淮河干流水质断面污染物年通量估算

由于用不同估算方法得出的淮河干流水质断面污染物年通量值相差悬殊,因此,应结合淮河流域水环境的具体情况,根据各方法的适用性,选取较合理的方法对淮河干流水质断面污染物年通量值作出较合理的估算。用水质参数法衡量近几年淮河污染的情况,污染物质量浓度虽呈下降的趋势,但淮河干流的水质类别未见变化;用污染物年通量值衡量近几年淮河污染情况,未出现逐年递减的趋势。这是因为淮河干流经过这些年来的治理,点源污染虽然得到了有效的控制,而面源污染问题却越来越突出。淮河干流几个代表性水质断面的污染物通量是沿程递增的。在进行CODMn、NH3 N的年通量估算时,也计算了BOD5、COD年通量,各参数年通量存在很好的一元线性相关关系,而各参数质量浓度之间并没有良好的一元线性相关关系。     

基于逆向概率密度函数的一维污染源排放重构

应用逆向概率密度函数进行一维对流扩散方程污染释放过程重构,给出了采用逆向概率与传统优化过程的流程图和主要区别。采用逆向概率密度函数进行污染源重构,其微分方程求解次数等于观测数据量,有效地降低了数值计算量。应用逆向概率密度函数结合优化算法针对一维对流扩散方程中正态波式和矩形波式的污染源排放过程重构的仿真结果显示:对于1～2个污染物正态函数波释放过程,采用一到两个监测点即可准确得辨识出主要参数;3个正态函数波释放过程,采用3个监测点,辨识结果仍有一定误差,可能与模型的非线性特征或释放过程波的相互干扰有关。矩形波释放过程,采用三个监测能准确辨识出所有参数。     

植被过滤带的污染物去除效率研究进展

探讨植被过滤带(vegetative filter strips,VFS)污染物去除效率与VFS特征参数(长度、坡度、植被类型)、污染物特性之间的关系,归纳了计算VFS污染物去除效率的经验模型和物理模型。结果表明,VFS长度与污染物去除效率呈一定的相关关系,坡度改变对污染物去除效率无明显影响,农药的有机碳吸附系数对污染物去除效率有较大的影响;VFS去除效率经验模型可以依据VFS的长度来估算污染物质的去除效率,同时可以计算不同粒径泥沙的去除效率,针对氮、磷、农药也能估算不同去除方式(如下渗、吸附等过程)的贡献率;耦合了水文模型与污染物去除机制的物理模型也在逐步完善中,VFSMOD就是代表。未来需要加强VFS对其他面源污染物如胶体、纳米颗粒物去除效率的研究,关注VFS在流域尺度上的污染物去除效率。     

对流-扩散方程源项识别反问题的MCMC方法

给出了利用马尔科夫链蒙特卡罗(MCMC)方法求解对流-扩散方程源项识别反问题的一种新方法。该方法把源项识别反问题视为贝叶斯估计问题,然后用MCMC法求解。首先利用贝叶斯公式,导出了多点源中源强和位置等未知参数分布规律的后验概率密度函数;接着以后验概率分布为目标分布采用自适应Metropolis算法构造Markov链;然后截取收敛的链序列,利用后验均值方法估计出源项中的未知参数。数值试验结果表明,该方法具有精度高,收敛速度快且易于计算机实现等优点。     

事故污染源目标分布函数中初始概率的确定方法

为解决流域事故性污染源搜索中"初始信息"主观性的难题,基于流域事故性污染源搜索的特点建立了非持久性污染物水质模型,以长江宜宾段为研究对象,采用现场采样室内试验的方式确定了该河段COD综合衰减系数,从而模拟了该河段各排污口在正常排污条件下的扩散浓度,通过与实际监测值的拟合,验证了模型的有效性。在此基础上,运用误差序列建立了获得事故污染源的初始概率的方法以及利用搜索行动对初始概率进行修正的方案,并实现了初始概率向后验概率转化,为流域事故性污染源搜索模型的目标分布函数的确定提供一种客观的科学方法。     

Risk Probability Assessment of Sudden Water Pollution in the Plain River Network Based on Random Discharge from Multiple Risk Sources

Starting from the time variance and uncertainty of accidental discharge, this paper describes the probability of the occurrence of the “normal-accident” alternate state for a risk source using the Markov state transfer model, simulates the behaviour of pollutants in rivers using the hydrodynamic and water quality models for non-conservative substances, and tracks the transport path of pollutants in rivers using the water quality model for conservative substances. The above models are coupled with the Sequential Monte Carlo algorithm, and the risk probability analysis model for sudden water pollution in the plain river network is established and applied to the Yixing river network. The results show that (a) the risk probability of exceeding ammonia nitrogen standard (PES of ammonia nitrogen) is lower in the upper reaches and higher in the middle and lower reaches; (b) dynamic changes in pollutant concentration lead to different changes in the PES of ammonia nitrogen in each reach; (c) the differences in the simulated PES values between the sudden scheme and the stable scheme (NPES of ammonia nitrogen) in the upper and middle reaches show a patchy distribution of high and low values, which are related to the risk source location, the water movement direction and the concentration change in the reach after accepting pollutant loads from the risk sources; (d) the NPES of ammonia nitrogen in the lower reaches results from the coupling effect caused by accidental discharges from multiple risk sources; and (e) the different effects of the lower boundary hydrological conditions on the upstream water inflow lead to the different coupling effect on the water quality probability of sections in the downstream area.

     

韩江流域面源污染及与景观格局的关系

为了定量研究韩江流域的面源污染情况以及景观格局对污染的影响,建立了流域水文水质模型,并采用多元线性回归、冗余分析方法,探索景观指标与污染物质量浓度变化量的关系。结果表明:西部宁江流域地区的总氮质量浓度较高,最大值为3.91 mg/L;东部汀江流域地区总磷质量浓度较高,最大值为2.15 mg/L;流域总体水质呈恶化趋势;景观指标能解释81.7%的面源污染变化,且景观的面积越大,其组成格局可能比空间格局对水质的影响更大;林地的面积百分比与面源污染负相关,农田、城镇、草地景观则相反;城镇或农田等人类景观的斑块密度、形状指数等空间格局指标与污染物质量浓度负相关;旱地相比水田对面源污染的贡献更大;在研究区采用退草还林、农业结构调整等管理措施分别能够削减1.82%和4.63%的总氮负荷以及1.16%和7.31%的总磷负荷。     

基于粒子群与知识图谱的突发水污染事件溯源方法

水污染溯源是一种应对突发水污染事件的有效方法。针对传统水污染溯源方法存在工作量大、计算复杂、耗时长的问题,提出基于粒子群与知识图谱的突发水污染事件溯源方法,通过预案库构建、水污染扩散模型在线率定、污染物溯源正向模拟、知识图谱关系分析,完成水污染快速溯源,确定偷排企业;同时,岸边瞬时排放污染物的溯源实验表明了该方法具有很好的适用性与准确性。     

对河口水库水质安全评价及污染防治措施研究

对河口水库是德清县重要的城乡饮用水水源地,保障其水质安全意义重大。在对库区水质和污染源调查的基础上,分析了2005-2008年水质变化、主要污染物来源、安全隐患和入库污染负荷。以湖库水质模型为技术手段,计算了对河口水库恢复至目标水质所要削减的污染负荷值,提出了针对性的污染防治措施,并对防治措施的实施效果进行了预测。     

北江飞来峡库区典型流域非点源污染特征分析及模拟

为分析飞来峡库区典型流域非点源污染状况,开展社岗流域场次降雨径流水量水质监测试验,采用平均浓度法估算非点源污染负荷量,分析各场次降雨径流污染物特征并计算非点源污染贡献率,应用SWAT模型进行径流及非点源污染模拟。结果表明,径流量对SS、BOD_5等浓度和负荷量均有较强的主导作用,TN、NH_3-N等初期冲刷效应较为明显,污染物负荷量与径流量的相关性好于污染物浓度与径流量的相关性,各污染物的非点源污染贡献率均达到80%以上。SWAT模型径流模拟的率定期和验证期效率系数分别为0.85和0.73,表明所构建的SWAT模型精度良好。在污染物率定期,雨强较大的典型日污染物模拟效果最佳,污染物相对误差基本在10%以内,而在雨强较小时,TN、TP等均出现较大程度的低估现象;在污染物验证期,由于该时期正处于春耕施肥期,TN、TP模拟结果相对误差较大,且均为低估。总体而言,SWAT模型模拟精度良好,基本能反映该流域非点源污染状况,可为飞来峡库区流域的非点源污染模拟与控制提供参考。     

Dynamic Optimal Monitoring Network Design for Transient Transport of Pollutants in Groundwater Aquifers

Optimal groundwater pollution monitoring network design models are developed to prescribe optimal and efficient sampling locations for detecting pollution in groundwater aquifers. The developed methodology incorporates a two dimensional flow and transport simulation model to simulate the pollutant concentrations in the study area. Different realizations of the pollutant plume are randomly generated by incorporating the uncertainty in both source and aquifer parameters. These concentration realizations are incorporated in the optimal monitoring network design models. Two different objectives are considered separately. The first objective function minimizes the summation of unmonitored concentrations at different potential monitoring locations. This objective function in effect minimizes the probability of not monitoring the pollutant concentrations at those locations where the probable concentration value is large. Although this probability is not explicitly incorporated in the model, a surrogate form of this objective is included as the objective function. The second objective function considered is the minimization of estimation variances of pollutant concentrations at various unmonitored locations. This objective results in a design that chooses optimal monitoring locations where the uncertainties in simulated concentrations are large. The developed optimization models are solved using Genetic Algorithm. The variances of estimated concentrations at potential monitoring locations are computed using the geostatistical tool, kriging. The designed monitoring network is dynamic in nature, as it provides time varying network designs for different management periods, to account for the transient pollutant plumes. Such a design can eliminate temporal redundancy and is therefore, economically more efficient. The optimal design incorporates budgetary constraints in the form of limits on the number of monitoring wells installed in any particular management period. The solution results are evaluated for an illustrative study area comprising of a hypothetical aquifer. The performance evaluation results establish the potential applicability of the proposed methodology for optimal design of the dynamic monitoring network for detection and monitoring of pollutant plumes in contaminated aquifers.     

耦合高效高精度水动力模型的多组分污染物输移及衰减反应模型

为更好地模拟水污染事件中多组分污染物输移及衰减反应过程,全面耦合了基于图形处理器(GPU)加速技术的二维水动力模型与多组分污染物输移及衰减反应模型,通过改进模型源代码并在污染物输移控制方程中嵌入衰减项与反应项,建立了一个可应用于大区域复杂地形河道洪水演进全过程及多组分污染物输移和衰减反应的高性能耦合模型,同时引入GPU技术提升计算效率。将耦合模型应用于理想地形静水和两个复杂地形河道入流与溃坝算例的水质模拟,结果表明:多组分污染物输移及衰减反应过程在理想算例中的数值解与解析解基本吻合,在入流与溃坝算例中的模拟结果符合实际物理过程,模型运行速度快且计算效率高,可高效地模拟各类突发水污染事件并进行预警和评估。     

地表水环境污染物受体模型源解析研究与应用进展

当前地表水体污染问题严重,准确掌握污染物的来源并从源头上对污染物实施总量控制是实现污染源有效监管的技术依据,也是我国流域污染防治工作的重要技术支撑。在对国内外已有的水环境污染源解析技术归纳的基础上,着重对地表水污染物源解析受体模型中的成分/比值法、指纹图谱法、化学质量平衡模型和多元统计法等方法的研究和应用进展进行了详细阐述,并对国内外地表水污染物源解析技术存在的问题和应用前景进行了评述和展望,指出当前水环境源解析技术存在的主要问题为:现有源解析技术的局限性和约束条件难于满足,使得分析结果存在较大误差;污染源指纹谱不完整等现状制约了源解析的研究深度;特定区域污染源指纹谱的修订存在较多困难;现有模型仅反映过去时段对受体的贡献;源解析研究的目标污染物相对有限。对现有技术的完善与优化,各模型间的综合分析、耦合应用为当前研究的热点与发展趋势。