太湖周边地下水中高硝酸盐负荷促进反硝化功能菌群富集

反硝化功能菌群在降解硝态氮污染中发挥着重要作用,目前对其内部种间关系与硝酸盐负荷的联系仍了解有限.太湖周边地区地下水资源是重要的储备水源,但部分区域的地下水硝酸盐负荷超出了范围.本文以太湖周边地区14个不同硝酸盐浓度的地下水样品作为研究对象,运用微生物测序技术探究了地下水细菌群落多样性并识别出反硝化功能菌群,通过共现网络分析探究了反硝化功能菌群内部种间关系对硝酸盐负荷的响应.结果表明:高硝态氮组与低硝态氮组间细菌群落组成存在显著差异;细菌群落α多样性、β多样性受到硝酸盐负荷的显著影响;高硝态氮组地下水反硝化功能菌群内部种间关系较低硝态氮组更为密切.本研究表明地下水硝酸盐负荷对反硝化功能菌群内部种间关系具有显著影响,为太湖周边地区地下水反硝化功能菌群与硝态氮的互作机制研究提供了新的见解.

浏览器/服务器架构场地土-水系统中有机污染物多场耦合模拟与可视化系统

场地土壤—地下水系统(土—水系统)中有机污染驱动机制复杂,污染物时空分布的预测与可视化是科学、规范开展土水污染绿色低碳修复管控的前提。基于WebGIS地理信息系统基础平台,嵌入有机污染“多相流场—温度场—化学场”多场耦合模拟与Cesium可视化技术,自主开发浏览器/服务器(Browser/Server,B/S)架构的场地土—水系统有机污染物时空分布模拟与可视化系统。本系统可应用于场地土—水系统中有机污染调查与监测数据的集成管理、有机污染物时空分布图形化建模和多场耦合污染过程的场景可视化表达,与场地污染物实测数据相比,系统模拟误差小于30%,可为场地进一步开展有机污染风险评估、精准防控和综合管理提供信息化平台。

基于cDC-GAN替代模型的物理-化学非均质矿层CO_(2)+O_(2)地浸采铀过程模拟

基于物理过程的CO_(2)+O_(2)地浸采铀反应性溶质运移模型需要采用高分辨率网格来捕获介质物理-化学参数空间变异性和对流-弥散-化学反应多过程耦合特征,往往面临巨大的模型计算挑战.传统的替代模型处理高维数据空间分布预测时面临精度和维数诅咒问题,基于条件深度卷积生成对抗网络(conditional Deep Convolutional Generative Adversarial Network,cDC-GAN),本文提出了一种多重输入图像到输出图像回归的cDC-GAN替代建模组件,建立了高维物理-化学非均质场(渗透率场和铀矿物品位场)和铀浸出浓度分布场之间的映射关系,训练集和测试集样品中结构相似性指数的中值达0.98以上,可以作为砂岩型铀矿CO_(2)+O_(2)溶浸过程数值模型的替代方案.cDC-GAN替代建模不受底层物理模型的限制,进而可为复杂反应性溶质运移模型的参数识别、不确定性分析、全局敏感性分析和模拟优化方案设计等提供通用框架.

基于PINNs算法的一维潜水流方程的渗流参数反演

在地下水领域中,渗流参数反演有助于了解地下水流动的性质,帮助确定地下水资源的分布、移动和质量,这对于地下水资源管理、水文模型开发和地下水补给的可持续性非常重要.近年来,神经网络方法快速发展,然而其针对潜水流渗流参数反演的研究较少.基于此,首次将物理信息神经网络(Physics-Informed Neural Networks,PINNs)方法结合软硬约束设置来解决潜水含水层渗透系数反演问题,以一维稳态非均质潜水流以及非稳态均质潜水流(含溶质运移)的渗透系数反演为例,对比了不同问题中PINNs软约束方法(PINNs-S)和硬约束方法(PINNs-H)反演渗透系数的表现.PINNs算例结果表明,PINNs算法反演渗透系数具有较高的计算精度.此外,PINNs硬约束算法和软约束算法各有优劣,在实际应用中应根据具体问题和实验效果来合理选择.

模拟介质交界面处达西流速的跳跃多尺度有限元法

提出一种用于模拟介质交界面处达西流速的跳跃多尺度有限元法(MSFEM-J),可解决有限元等惯用方法模拟含交界面地下水问题时的两个缺点:一是现有方法需要精细剖分刻画介质非均质性来保证解的精度,会消耗巨大的运算资源;二是现有数值方法无法保证介质交界面处的达西流速满足折射定律,即无法保证法向流速连续、切向流速按渗透系数呈比例。MSFEM-J可通过多尺度有限元(MSFEM)的基函数显著提升地下水水头和达西流速两个过程的计算效率;然后基于折射定律构造JUMP向量,迭代修正交界面弱侧节点的右端项并直至收敛,从而令交界面处达西流速满足折射定律。数值试验表明,本文提出的MSFEM-J所模拟的达西流速在介质交界面处符合折射定律,在研究区其他位置具有连续性。同时,该方法的计算精度高于精细剖分的惯用方法,且计算消耗仅为同效方法的2%左右。

多孔介质中多环芳烃与细菌共运移数值模拟

地下水中微生物等胶体对多环芳烃的运移具有促进作用,为进行多环芳烃污染的精准、高效修复,需要建立准确、可靠的多环芳烃与细菌胶体共运移数值模拟模型。研究基于室内砂柱荧蒽运移系列实验,采用Hydrus中Colloid-Facilitated Solute Transport(C-Ride)模块构建荧蒽与细菌FA1共运移数值模型,并采用马尔科夫链蒙特卡洛方法(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)进行模型参数不确定性分析,定量刻画荧蒽在水动力和微生物胶体作用下的运移过程。结果表明:基于Hydrus C-Ride模块和MCMC参数不确定性分析,能够准确地刻画荧蒽和细菌FA1的共运移过程;细菌FA1促进了荧蒽在多孔介质中的迁移速度,且导致荧蒽在多孔介质中运移回收率的增加,即由55.06%提升至76.16%,其中吸附至可移动胶体迁移和随水流迁移贡献的回收率分别为41.46%、34.69%。研究成果对于指导地下水污染微生物修复方案的优化设计具有重要的理论和现实意义。

地形演化模型的参数敏感性分析:以库玛拉克河流域为例

地形演化模型是进行地形演化定量研究的基础,其涉及过程复杂、模型参数众多,为缓解参数识别困难和提高模型参数设置的可靠性,识别地形演化模型的关键驱动机制和参数成为当前研究的重点。该研究选择新疆塔里木河流域的库玛拉克河流域为研究区,基于LE-PIHM(Landscape Evolution-Penn State Integrated Hydrologic Model)建立了研究区地形演化模型,通过全局敏感性分析方法—Sobol方法,识别了LE-PIHM模型的参数敏感性。以研究区内三个典型地貌类型的地表高程为敏感性分析的目标函数,结果表明,研究区山区地形演化的关键模型参数为裸露基岩的风化速率(P0)、基岩风化方程拟合系数(α)和构造抬升速率(U),这些参数主要涉及基岩风化作用和构造抬升作用。同时,在研究区的平原区,除含水层孔隙度(ng)以外,模型参数均具有较高的敏感性,平原区高程变化主要由各参数之间的相互作用控制。在研究区的河道地区,模型参数敏感性与在平原区类似,但土壤孔隙度(ns)和含水层水平渗透系数(KHg)有显著更强的敏感性,其分别涉及地表水—地下水交互作用和含水层透水性能。

“大思政”与新工科背景下水文地质类课程改革与实践——以“地下水动力学”课程为例

立足“大思政”时代背景,面对新工科建设的机遇与挑战,水文地质类课程应该如何顺应时代发展需要进行教学改革成为亟须研究的课题。以“地下水动力学”课程为例,介绍“大思政”与新工科背景下水文地质类课程改革与实践。首先,基于文献调研,结合时代背景、学校定位和专业特色确定“面向应用+立德树人”的教学目标,有机融合课程思政案例和典型工程案例,形成了“工程教育+课程思政”的“双目标”驱动下“地下水动力学”课程一体化教学框架与知识体系;其次,改革教学方法,综合采用启发式教学、互动式教学等多种方法进行课堂和实践教学,以激发学生的兴趣、启发学生的思考、提升学生的实践能力;最后,优化课程考核评价方式,利用网络资源、线上平台、线下教学,在主题讨论、随堂练习和课后作业方面实现全过程追踪,对综合考勤、课堂表现、课堂制图、课后作业和期末考试进行全方位课程考核。

不同胶结度的多孔介质中溶质横向弥散的孔隙尺度模拟研究

深入理解、精确刻画溶质孔隙尺度横向弥散行为是揭示溶质运移现象内在机制、提高溶质运移模拟精度的关键。基于孔隙尺度模拟方法研究了不同胶结度的多孔介质中溶质横向弥散特征。结果表明:当胶结度增大时,溶质横向弥散程度有所增强,但与纵向弥散相比增强幅度较小,且在模拟的胶结度范围内横向弥散未展现显著的尺度效应。研究还发现多孔介质中横向弥散系数D_(T)与纵向弥散系数D_(L)间的差异程度不是固定不变的,而是随着溶质运移距离逐渐增大最终达到稳态的过程,并且D_(L)/D_(T)的渐进值及达到渐进值所需时间均受胶结度的影响。因此,将D_(T)视为比D_(L)小一个数量级的值与溶质实际弥散行为存在较大偏差。同时,通过对比不同介质中流体流速横向、纵向分量概率密度及溶质对流速率概率密度的差异,揭示了以上溶质横向弥散特征变化及其与纵向弥散特征变化不同的内在机制。

不同胶结度的饱和土壤孔隙尺度结构对地下水渗流特性的影响

饱和土壤中地下水渗流过程的研究在诸多领域具有重要意义,土壤孔隙尺度结构差异对地下水渗流特性有显著影响。土壤颗粒胶结度是土壤的基本属性之一,但是目前针对不同胶结度的土壤孔隙尺度结构差异对地下水渗流影响的研究尚少。采用整体重排算法构建不同胶结度的土壤介质孔隙尺度结构,基于此运用有限元软件模拟介质中地下水渗流过程开展相关研究。结果表明:土壤颗粒胶结度对饱和土壤中地下水渗流具有显著影响。随着胶结土壤颗粒百分数Pc从0增至60.20%,流场的变异函数增大了70.15%(从1.233到2.098),即随着胶结度增大,流速空间非均质性显著增强。此外,沿地下水主要流动方向和垂直于主要流动方向上的流速概率密度分布函数均越来越发散。流速接近平均流速的区域减少,不流动区、优势流区同时显著增大。当Pc从0增至60.20%时,地下水中不流动区比例增大了23倍(从2.06%到48.31%),而优势流区比例增大了将近9倍(从0.27%到2.41%)。当平均流速不同时,渗流特征的以上变化趋势保持不变。此外,本研究发现不同胶结度介质间的孔隙尺度结构差异正是引起地下水渗流特性发生上述变化的内在原因。

基于地下水安全的六价铬土壤环境基准值推导案例

重金属污染物六价铬[Cr(Ⅵ)]毒性较大,迁移性强,对地下水安全带来很大威胁,现行相关土壤标准多忽视了地下水安全,亟需制定基于地下水安全的Cr(Ⅵ)土壤环境基准值为污染场地监管提供支撑。调研借鉴国外制定基于地下水安全的污染物环境基准值的方法,以浙江黏壤土、江苏壤质砂土和吉林壤质黏土为研究对象,进行室内静态吸附试验,获得3种土壤的Cr(Ⅵ)分配系数。土壤参数及含水层相关参数通过查阅调研国内文献获得,采用美国环境保护署在土壤筛选指南中提出的土壤筛选值(soil screening level,SSL)方法,基于《地下水质量标准》(GBT 14848-2017)反推得到基于地下水安全的土壤环境基准值。研究结果表明:基于地下水安全的Cr(Ⅵ)土壤环境基准值分别为0.944,0.690,0.514 mg/kg,研究结果与国外以保护地下水安全为目的的基准值较为接近,但各研究地区土壤性质的差异使得基准值有所差别。因此各地监管机构在完善土壤环境质量评价体系时应当构建各地土壤及含水层参数数据库,为本地区土壤污染治理提供参考。研究结果可为我国各地区推导基于地下水安全的重金属土壤环境基准值提供科学依据。

山西柳林泉局部区域溶质运移二维数值模拟

本文建立了用于描述柳林泉域地下水中氯离子运移行为的局部区域二维可混溶溶质运移模型 .模型考虑了地下水中溶解盐分浓度变化引起的地下水密度的改变 ,及其导致的地下水水头的变化 .该模型计算值与观测资料基本一致 ,说明所建模型可以用于实际 .据此用所建模型预报了柳林电厂水源地投入使用后对区域地下水位和水质的影响 .

气候变暖背景下青藏高原多年冻土层中地下冰作为水“源”的可能性探讨

多年冻土中含有大量地下冰,全球气候变暖势必导致多年冻土退化,地下冰融化,部分水分被释放并参与到区域水循环之中,改变了区域水文状况.冻土退化-释水的过程在监测上面临较大困难,无法提供直接证据,但其长期累计的效果在宏观水文过程中表现显著.为此,利用近年来青藏高原部分湖泊水位变化监测以及地区水文情势变化研究成果,探讨了在气候变暖背景下,多年冻土层中的地下冰作为一种潜在水"源"的可能性.结果表明:多年冻土退化较强烈地区,补给源头在多年冻土区的封闭湖泊水位上涨、地下水位上升,排除其它补给量增加的可能性后,多年冻土地下冰很可能是补给水量增加的原因之一.

山西柳林泉域地下水流数值模拟

柳林泉为裂隙 岩溶泉 ,整个泉域面积约 2 72 7km2 ,且在柳林泉西部及西北部含水岩层组中赋存有大面积的咸水、微咸水。本文建立了平面二维区域地下水渗流模型 ,用于描述柳林泉域的地下水渗流 ,模拟效果良好。模型拟合阶段和检验阶段水头的计算值与观测值误差绝对值的平均值分别为 0 46m、0 5 1m。所有结果显示两者基本一致 ,说明所建模型可以用于实际。据此模型预报了柳林电厂水源地投入使用后对区域地下水流场的影响 。

祁连山中东部的冻土特征(Ⅰ):多年冻土分布

祁连山地区地势高耸,气候严寒,冰缘现象广布,各类冰缘现象受地形与水分条件的控制,分布具有明显的规律性.祁连山多年冻土属青藏冻土区,阿尔金山-祁连山亚区,分布在海拔3 400 m以上的高山、谷地、盆地中.多年冻土分布具有明显的高度地带性,随高度增加,冻土分布呈现出季节冻土-岛状冻土-连续冻土更替,同时,多年冻土下界高程与经度明显相关,自西向东表现出下降趋势,下降率约为每经度150 m,这一变化与降水在东西方向的变化有关.山区微气候因素复杂多变,也造成了冻土分布的复杂性,局地因素对冻土分布影响显著,对比分析了坡向,植被与水分、岩性,季节性积雪等诸因素对多年冻土分布的影响.

疏勒河源区的多年冻土

疏勒河流域地处祁连山西段,气候极端干旱。2008年6月在疏勒河源区海拔3729～3890m的不同地面、地形条件下在5个点上布设了10眼钻孔进行钻探勘察,并布设测温管定期监测地温。根据勘察和测温资料,确定了疏勒河流域内多年冻土下界高程在3750m左右,查明河谷中松散地层以冲积层为主,多为粗颗粒土,多年冻土含冰量普遍较低。局地因素对多年冻土状态影响明显。其中坡度差异可以使地温相差0.5oC,坡向的差异可以使地温相差达1.0oC;地层水分含量对浅层地温的影响甚至超过坡向的影响;地面状态的差异,造成地温、活动层厚度等方面的显著差异。与祁连山中东部地区相比,疏勒河源区多年冻土几乎没有生态过程的影响,多年冻土形成和保存受气候驱动,基本上代表了一类干旱气候条件下的多年冻土特征。

祁连山中东部的冻土特征(Ⅱ):多年冻土特征

祁连山中东部地区多年冻土年平均地温、冻土厚度等基本特征参量与海拔具有明显的相关性,海拔越高,地温越低,厚度亦越厚.年平均地温、厚度与纬度、经度关系不明显,可能与工作范围较小有关.对比分析了地表植被、地层岩性、土层含水(冰)量等局域性(非地带性)因素对冻土年平均地温的影响,发现腐殖层较厚,下伏细粒土层,较高的含水(冰)量对保持多年冻土较低的温度有利.阐述了冻土厚度的变化及其影响因素.与前人工作比较,分析冻土层钻孔测温曲线,发现该地区多年冻土正处于退化之中.

青藏高原发现大型冻胀丘群

在青藏高原黄河源地区多格茸盆地内发现大型冻胀丘群,这些冻胀丘外观多呈穹窿状,有些呈脊状、新月状.盆地内的冻胀丘隆起高度多在3～6 m,最高不超过10 m,水平扩展范围数十米到上百米,最大超过300 m.冻胀丘在盆地内密集分布,众多小型湖塘嵌于其中,分布密度估计5～8个·km-2,局部区域内可达10个·km-2以上.从外观看,多数冻胀丘形态较完整,但有的已经部分塌陷,有的几乎完全塌陷,不同塌陷阶段的冻胀丘在盆地内均有发现.冻胀丘顶部钻孔岩芯揭示高含冰地层从丘顶以下5 m左右一直延续到20多米,局部发育厚层地下纯冰层,厚度可达2 m以上.根据外观形态、地下冰类型判断,这些多年生的冻胀丘属冰土丘（lithalsa）,和常见的冰核丘（pingo）有所区别.初步判断,这些冻胀丘形成于全新世大暖期以后的新冰期时期.多格茸盆地冻胀丘群的发现对现行的工程建设及工程建筑物的运营安全、区域古环境、流域水文等方面的研究都具有重要意义.

太原盆地地下水污染数值模拟

提出了一个越流含水层系统地下水污染的数学模型．模型应用于描述太原盆地地下水污染，Ｃｌ－浓度和水位计算结果与野外观测结果拟合良好．文中还探讨了现行溶质运移模型求解中井点附近容易出现不合理结果的原因，并从理论上给出了正确的表达式．

祁连山首次发现冰楔假形及其意义

2007年11月，在祁连山东段南坡大通河上游河谷右岸的取土坑内（37°51′N，100°08′E；海拔3618m）首次发现楔形构造，成群分布在表层草根腐殖土之下约0．5m深度处。楔体呈袋状或舌状，楔口宽度和楔体高度约在2．0～3．0m，宽高比值接近1。楔体周围地层为冲洪积相碎石土堆积，充填物为土黄色、灰黑色粉质土。楔体两壁附近的卵、碎石长轴具有平行于楔壁的定向性，说明这些碎石曾经受到过挤压，据此初步判断这些楔形构造为冰楔假形。这些冰楔假形发现对于研究该地区冻土演化和古气候具有参考意义。