地下水污染健康风险模拟预测评估中参数的敏感度分析

随着地下水污染健康风险评估逐渐被重视,其风险的影响程度和发展趋势也越来越被关注,因此解析解模拟预测评估地下水污染健康风险也逐渐被应用。本文旨在研究解析解模型对污染物健康风险模拟的敏感度,为该方法更广泛的应用提供依据。选取解析解模型中的渗透系数(K)、纵向弥散度(αx)、污染物有机碳分配系数(Koc)和半衰期(t1/2)4个参数,在其他参数不变的情况下,依次改变各参数的值并进行解析解计算,记录对应的参数值与模拟结果,绘出模拟预测值与各个分析参数的变化曲线,分析解析解对各个参数的响应程度,从而为处理不确定因素提供依据。     

某垃圾填埋场氯化物运移的不确定性分析

实际污染物的运移浓度和污染范围受水文地质参数的数值不确定性和空间分布随机性的影响,常规数值模型不能有效地模拟污染物运移。分别将水文地质参数的数值不确定性和空间分布随机性考虑到常规数值模型中,以某垃圾填埋场氯化物渗滤液运移为例,计算了该垃圾填埋场1940-2000年60 a氯化物的运移浓度和运移范围变化情况。以第43年计算结果为例,结果表明:考虑了不确定性因素的随机模型多次模拟结果平均值与实际值吻合更好,说明随机模拟法较常规数值模拟更具有优势;当自变量变化范围为20%时,考虑数值不确定性的随机模型计算结果比同等条件下考虑空间随机性模型计算结果的平均偏差值和平均方差值大25.04%和26.95%; 60 a内氯化物浓度和污染范围的计算结果不确定性大小存在变化,两种不确定性模型计算得到的结果大小变化趋势一致,即呈现出先增大后减少的趋势。通过不确定性分析可以掌握该地区氯化物浓度的变化范围,在划分不同浓度置信区间的基础上进行风险分析,为地下水的污染防治提供数据参考。     

参数随机模拟在地下水溶质运移数值模拟中的应用

从水文地质参数的随机性出发,以我国南方某大型铀尾矿库为例,采用GMS软件(地下水模拟系统)建立了参数随机模拟的数值模型,分析了渗透系数的空间变异性对地下水溶质运移的影响.结果表明:渗透系数的空间变异性对地下水溶质运移结果有较大的影响.在其它条件都相同的情况下,随着渗透系数标准差的增大,污染物运移的范围扩大,污染物浓度标准差等值线图变得越来越不规则,污染物质心位置偏离面源中心.     

地下水内排对南水北调中线干渠水质的影响

基于MIKE 11模型的水动力模块、对流扩散模块建立南水北调中线输水干渠水质模型,充分考虑了干渠两侧地下水内排段的影响,以京石段为干渠水质模拟示范段,针对内排段水质对干渠水质的风险特征,选取氨氮作为典型污染组分,结合实际工程设计,计算在最不利工况下的内排量,并依此设定情景模拟内排段水质对干渠水质的影响。模拟结果表明,在假定的内排段污染风险达到极大的情况下(水质处于劣Ⅴ类),排入干渠的地下水对干渠水质基本不构成影响。     

缺资料地区水体突发重金属污染的快速预警

针对缺资料地区水体突发性重金属污染事件,开展快速预警研究,可以快速预测重金属到达下游水域敏感点的时间和影响程度及范围,以降低突发事件带来的危害。通过地形概化、水力学特征参数快速设置、特征污染物参数选取、模型参数自动校正,建立了缺资料地区水体突发重金属污染事件的快速预警方法,并应用于甘肃突发锑污染事件。将预测值与实测值进行相关性分析,R~2在95%以上,表明该方法可对甘肃锑污染事件发生后污染物到达下游敏感点的时间、浓度变化过程与影响范围进行很好的预测,为事故的风险预警及应急决策提供了依据。     

河北某电镀污染场地Cr6+污染调查

为查明河北某电镀污染场地Cr~(6+)的污染程度和空间分布,并对其可能影响的污染范围及风险进行预测,采用取样化验、三维数值模拟等方法对污染场地进行调查和评价。结果表明:污染场地在未进行人工干预治理时,污染物受到地下水流向和含水层介质的影响,在电镀废水停止泄露后的180 d内,调查区西南部大片区域的地下水有被污染的风险。     

基于不确定信息的城市水源水环境健康风险评价

运用模糊集理论将风险评价模型的参数定义为三角模糊数,构建了水环境健康风险评价模糊模型。应用该模型不仅能够得到健康风险的各种可能值,也可以得到每一可能值对应的隶属度(或相对可信度)。而由α-截集技术,还可以进一步得到相应于不同可信度水平α的健康风险值区间。将该模糊模型应用于华北地区某城市地下水源的环境健康风险评价研究,结果表明:地下水中三氯乙烯、四氯乙烯的致癌风险均超过美国国家环保局推荐的可接受风险(1.0×10-4),可能的变化范围分别为2.06×10-4～22.03×10-4和3.67×10-4～33.29×10-4,相应的最可能风险值分别是7.22×10-4和11.54×10-4;四氯化碳虽也存在超标的可能,但情况并不严重,在不计其它污染物带来的致癌风险的情况下,受污染水源水环境健康危害总风险的可能变化区间为5.86×10-4～56.67×10-4,最可能风险值为19.21×10-4。实例研究表明,以模糊集理论评价水环境健康风险水平是可行的。     

博兴县南部区域浅层地下水污染风险分析

博兴县南部区域现有许多中小型排污企业,其污染物的排放致使部分地区浅层地下水受到污染,直接威胁着人民正常生产和生活。为了研究该区未来污染物的分布状况,选取Cl-为典型污染离子,借助GMS软件对研究区进行地下水溶质运移模拟和预测。结果表明:2020年地下水污染主要集中在寨郝和兴福的中心区域,面积约为57 km2,Cl-最高浓度达460 mg/L,地下水污染风险很大;地下水污染风险最大的区域位于工业企业密集区,Cl-浓度居高不下且呈持续增高趋势。     

基于BIOCHLOR模型的敏感度分析

BIOCHLOR是一种用于模拟地下水溶解质运移的模型,它被广泛用于一维平流、三维弥散、线性吸附,及还原脱氯的生物转化过程分析。选取该模型7个参数模块中的平流参数模块、扩散参数模块、吸附参数模块、生物降解参数模块（一阶序列降解系数）4个参数,在其他参数不变的情况下,依次改变各个参数的值并运行模型,获取并比较模拟预测值,即污染羽内溶解质浓度。并分别绘出模拟预测值与各个分析参数的变化曲线,分析模型对各个参数的响应程度,从而为处理不确定因素（如误差等）提供依据。     

陈家冲垃圾填埋场地下水环境健康风险评价

垃圾填埋是目前国内处理城市生活垃圾的主要方式,由垃圾渗滤液引发地下水环境污染已成为当前主要的水环境问题之一。选择武汉市陈家冲垃圾填埋场为研究对象,通过对该区周边地下水布孔取样和监测,分析了垃圾填埋场对其周围地下水环境的影响。结果表明:研究区地下水的主要污染因子为Pb、Cd和Fe,且各污染物的浓度与采样深度、井距呈负相关关系。垃圾填埋场产生污染的影响范围主要在距离800m以内、深度小于5.5m的地下水。为进一步了解该区地下水对人体健康危害的风险程度,对研究区地下水进行了水环境健康风险评价,结果显示:研究区各采样井地下水的总风险值在2.71×10~(-4)/a~7.12×10~(-3)/a,均超过国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受值5.0×10~(-5)/a,主要风险因子为基因毒物质Cd和Cr(VI)以及躯体毒物质硝态氮;其中,Cd和硝态氮所致的健康风险值超标率100%,而Cr(VI)的健康风险值超标率为50%,对暴露人群存在健康危害风险。此外,对男性和女性健康风险值的研究显示,研究区地下水环境中污染物的男性健康危害风险值普遍高于女性。     

基于随机有限元法的圆形基础沉降最不利波动尺度分析

波动尺度(SOF)是表征土体空间变异性的重要参数,不同的波动尺度可以模拟土体参数的空间变异程度。基于随机有限元(RFEM)和蒙特卡罗模拟,假设弹性模量服从对数正态分布对土体实现非均质性建模,研究不同波动尺度下圆形基础的沉降变形规律。研究结果表明：中心沉降值符合对数正态分布,差异沉降值符合正态分布;随着波动尺度的增加,中心沉降和差异沉降均值基本不变,中心沉降标准偏差先增大最后趋于平缓,差异沉降标准偏差先增大后减少,在其峰值处平均绝对差异沉降达到最大,此时的波动尺度为最不利波动尺度,在勘察数据相对有限的情况下可以对基础沉降概率进行保守估计。     

Sensitivity analysis for the SimpleTreat model to simulate fate of chemicals in sewage treatment plants

SimpleTreat 3.1 predicts the distribution and elimination of chemicals by sewage treatment. The model is used as the default calculation in EUSES 2.0 to estimate exposure concentration in the receiving water, soil and air. A sensitivity analysis was performed to rank input parameters according to their influence on model predictions. Triclosan was selected for the base case. The sewage flow, degradation rates and parameters describing the raw sewage were shown to be the most sensitive inputs. The pH and dissociation constant are very sensitive parameters when working with ionisable compounds. Variation in certain input parameters was propagated through the model to yield greater variation in output parameters with a maximum ratio of 4.0. SimpleTreat 3.1 is a steady state model describing a highly non-steady system. A large variability in the most sensitive parameters is expected within a single sewage plant and parameters should therefore be selected to cover this variability.     

Predicting the natural flow regime: models for assessing hydrological alteration in streams

Understanding the extent to which natural streamflow characteristics have been altered is an important consideration for ecological assessments of streams. Assessing hydrologic condition requires that we quantify the attributes of the flow regime that would be expected in the absence of anthropogenic modifications. The objective of this study was to evaluate whether selected streamflow characteristics could be predicted at regional and national scales using geospatial data. Long‐term, gaged river basins distributed throughout the contiguous US that had streamflow characteristics representing least disturbed or near pristine conditions were identified. Thirteen metrics of the magnitude, frequency, duration, timing and rate of change of streamflow were calculated using a 20–50 year period of record for each site. We used random forests (RF), a robust statistical modelling approach, to develop models that predicted the value for each streamflow metric using natural watershed characteristics. We compared the performance (i.e. bias and precision) of national‐ and regional‐scale predictive models to that of models based on landscape classifications, including major river basins, ecoregions and hydrologic landscape regions (HLR). For all hydrologic metrics, landscape stratification models produced estimates that were less biased and more precise than a null model that accounted for no natural variability. Predictive models at the national and regional scale performed equally well, and substantially improved predictions of all hydrologic metrics relative to landscape stratification models. Prediction error rates ranged from 15 to 40%, but were ≤25% for most metrics. We selected three gaged, non‐reference sites to illustrate how predictive models could be used to assess hydrologic condition. These examples show how the models accurately estimate pre‐disturbance conditions and are sensitive to changes in streamflow variability associated with long‐term land‐use change. We also demonstrate how the models can be applied to predict expected natural flow characteristics at ungaged sites. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

Spatial Patterns Emphasize the Importance of Coastal Zones as Nursery Areas for Larval Walleye in Western Lake Erie

Lake Erie walleye Sander vitreus exhibits significant interannual variability in year-class strength. Recent research revealed the importance of larval growth and survival rates in determining walleye year-class strength in western Lake Erie, indicating that spatial and temporal overlap of larvae with good habitat conditions (e.g., abundant prey, warm waters) promoted walleye growth and survival. To assess the spatial overlap between walleye larvae and habitat parameters (water depth, temperature, water clarity, prey density) in western Lake Erie, we evaluated the spatial distribution of walleye larvae and these habitat parameters with intensive sampling at 30 to 36 sites during spring 1994–1999. We analyzed spatial relationships among pelagic walleye larvae and various habitat attributes using a geographic information system and principal components analysis. Larval walleye density was consistently highest at nearshore sites during all years and showed a high degree of spatial overlap with high ichthyoplankton density, and warm water temperatures. Larval walleye density was negatively associated with water depth and water clarity. Two principal components represented 79.6% of the total variability in site attributes. Principle components analysis supported our spatial analysis by graphically separating sites into distinct groups based on larval walleye density and habitat attributes. These analyses indicated that similar relationships between larval distribution and habitat attributes occur each year, emphasizing the importance of nearshore coastal zones as nursery areas for walleye.     

重庆市农业用水量与农业经济发展脱钩程度的时空变化

在系统分析重庆市不同水文条件下农业用水量及农业经济发展水平变化特征的基础上,对重庆市及其38个县(区)的农业用水量与农业经济发展之间的脱钩程度、时序演变和空间分布规律进行了定量评价和综合分析。结果表明:重庆市水资源总量时空分布不均且与农业经济发展不匹配;农业用水量受到水文条件变化的影响,特枯年份农业用水量无法得到保障,农业生产产值也随之降低;重庆市农业用水量与农业产值总体上一直处于脱钩状态,且脱钩程度随水文特征的变化而变化,由平水年到枯水年时,脱钩状态不稳定,水资源总量减少时,农业用水量与农业产值之间多数处于不理想的脱钩状态;由枯水年到平水年时,农业用水量与农业产值由较为理想的弱脱钩状态向理想的强脱钩状态转化;2014—2016年,随着水资源由平水—偏枯—平水变化,重庆市约72.9%的县(区)农业用水量与农业产值之间的关系得到改善。     

川中红层灌区地下水硝酸盐污染特征及影响因素

为探明川中红层灌区地下水硝酸盐污染特征及影响因素,选取简阳市内典型农业种植区,利用变异函数模型与Arc GIS地统计模块,分析了区内地下水硝酸盐污染空间变异特征,并通过因子分析识别其主要影响因素。研究表明:球状模型为本次插值分析的最优理论模型,块金值为0.067,基台值为0.736,块金效应0.091,研究区地下水硝酸盐分布的空间自相关性较强;区内大部分地区硝酸盐污染严重,约有91.8%的面积遭受硝酸盐污染,农业生产活动与包气带岩性特征加剧了地下水硝酸盐含量的升高;研究区中部金鸡河两侧地下水水力坡度较大,径流强烈,污染物不易富集,河流两侧硝酸盐含量明显较低;因子分析表明,地下水硝酸盐含量主要受地层岩性、地形地貌、p H值和人类活动等因素影响。     

基于三维随机场的地下洞室围岩变形分析

为充分考虑材料的非均匀性以及各向异性,将岩土参数模拟为三维随机场,分析岩土体参数的空间变异性对围岩变形的影响.采用K-L级数展开方法生成弹性模量的三维随机场,构建了考虑弹性模量空间变异性的有限差分模型,研究了不同横向、纵向、竖向波动范围对开挖区域上覆岩层变形的影响.研究结果表明:在竖向波动范围小于0.4 m时,地下洞室...     

拉萨河流域径流对土地利用和气候变化的响应分析

拉萨河流域处青藏高原中南部,因其独特的地理位置是对气候变化较为敏感的区域之一,同时也是青藏高原人口和耕地较为密集区域。在建立SWAT模型对拉萨河流域水循环过程进行模拟的基础上,通过设置不同气候情景与土地利用状况,分析近30 a来拉萨河流域径流变化的成因,并研究径流对气候因子变化的敏感性。结果表明:①气候变化与土地利用对径流影响占比分别约为82.95%和17.05%,主要原因在于近30 a拉萨河流域土地利用情况变化不大,而气温、降水则呈显著增加趋势;②降水每增加10%,流域径流约增加11.8%,且径流对降水变化敏感性的空间差异性较小;③气温每增加1 ℃,流域总径流约增加2.5%,但径流随气温变化的空间差异性较大,其中,中上游地区径流减小0.7%,下游地区径流约增加3.6%。     

长江中游典型河段底栖动物的物理栖息地模型构建与应用

考虑水生生物生境需求的物理栖息地模型被认为是评估河流流量变化对水生态系统影响的最可信的方法之一。本研究选取长江干流含有河漫滩的监利江段为实例,建立底栖动物各类群的物理栖息地模型,计算变化流量下栖息地适宜面积的时间序列,并据此进行生态流量决策。结果显示长江中游底栖动物最敏感的环境参数是流速,适宜范围为0～0.2 m/s;其次是水深,适宜范围为0～6 m。在考虑敏感环境参数的前提下,得出监利江段底栖动物的最佳生态流量为20 000 m3/s。三峡大坝蓄水后枯水期和平水期底栖动物适宜面积的低值部分减小,丰水期适宜面积增加。为了保护底栖动物栖息地,建议三峡大坝在防洪蓄水的同时能兼顾底栖动物的生态流量需求,调节枯水期和平水期的流量,让监利江段接近4000 m3/s,丰水期接近20 000 m3/s。在枯水年增大枯水期和平水期的流量,平水年增大枯水期的流量,丰水年减少丰水期的流量。本研究方法可以供长江其他河段目标物种的生态流量决策和生态修复方案设计参考。