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新加坡和胡志明城区降水离子组成及来源分析

地球与环境 2024年第3期52卷 309-320页

作者：张琨宋韦陈志立刘学炎天津大学地球系统科学学院天津300072

近年来工农业发展导致东南亚城市大气污染日趋严重,然而其大气沉降离子组成观测仍稀少,导致关键污染组分的通量特征和来源并不十分清楚。本研究于2019年5月至2020年4月观测新加坡和胡志明城区降水离子(SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)、NO_(2)^... 详细信息

近年来工农业发展导致东南亚城市大气污染日趋严重,然而其大气沉降离子组成观测仍稀少,导致关键污染组分的通量特征和来源并不十分清楚。本研究于2019年5月至2020年4月观测新加坡和胡志明城区降水离子(SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)、NO_(2)^(-)、F^(-)、Cl^(-)、NH_(4)^(+)、K^(+)、Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+))浓度,基于正矩阵分解模型(PMF)进行来源分析,并重点讨论了占比较高的SO_(4)^(2-)的沉降通量及其变化特征。结果表明,偏北的胡志明市降水年均pH为6.9±0.5,但新加坡降水年均pH为4.5±0.4,呈重酸雨特征,其降水SO_(4)^(2-)在总离子中的占比(34%)和沉降通量(28.8 kg S/(ha·a))也显著高于胡志明市(分别为15%和19.3 kg S/(ha·a)),二者硫沉降也高于东南亚和中国大部分地区当前的沉降水平。PMF模型解析结果表明,农业源对新加坡和胡志明市降水NH4+的贡献分别为62%和47%,生物质燃烧源对降水K^(+)的贡献均达到73%,海洋源对新加坡和胡志明市降水Na+的贡献分别达到50%和92%,对降水Cl^(-)的贡献分别达到54%和45%。本研究提供了疫情前夕研究城市降水化学的重要数据,为评估后期疫情人为活动变化对空气污染的影响提供了参考依据,同时丰富了东南亚地区的降水化学组成和来源认识,为该地区城市空气质量管理及其生态环境效应评估提供了关键科学证据。

关键词：大气沉降雨水化学来源解析东南亚地区

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人类世生物地球化学循环及其科学

地学前缘 2024年第1期31卷 455-466页

作者：刘丛强李思亮刘学炎王宝利郎赟超丁虎郝丽萍张琼予天津大学地球系统科学学院、表层地球系统科学研究院天津300072 天津环渤海滨海地球关键带国家野外科学观测研究站天津300072 物质绿色创造与制造海河实验室天津300192

地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带... 详细信息

地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带来诸多威胁。本文基于地球系统科学研究的新进展,综述了人类世全球变化特征、生物地球化学循环在地球系统各圈层演化中的作用及其变化规律。特别关注了自然资源开发利用、生产和消费模式改变等人类活动对生物地球化学循环的影响,以及由此产生的气候、生态和环境效应。研究表明,应对人类世全球变化需要系统理解人类活动作为主要驱动力的多要素和多尺度生物地球化学循环过程及其生态和环境效应,基于地球系统科学的理论与方法开展针对人类世社会-生态系统的自然科学和社会科学的交叉融合研究。在文末提出了人类世生物地球化学研究的优先领域和方向,并强调解决受人类活动和气候变化高度影响下人类世生物地球化学循环的各种复杂科学问题的迫切性和重要性。

关键词：人类世生物地球化学循环全球变化地球系统科学

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北京东灵山大气氮沉降水平及变化特征

生态学杂志 2023年第12期42卷 2987-2997页

作者：刘美娜陈志立宋韦刘学炎天津大学地球系统科学学院天津300072

城市人为成因的气态活性氮排放影响空气质量,导致周边的陆地生态系统大气氮输入量持续增加。然而,陆地生态系统大气活性氮特别是溶解态无机氮(DIN)和溶解态有机氮(DON)的同步观测仍然较为缺乏,影响氮沉降生态效应的全面、准确评估。本... 详细信息

城市人为成因的气态活性氮排放影响空气质量,导致周边的陆地生态系统大气氮输入量持续增加。然而,陆地生态系统大气活性氮特别是溶解态无机氮(DIN)和溶解态有机氮(DON)的同步观测仍然较为缺乏,影响氮沉降生态效应的全面、准确评估。本研究观测了北京东灵山森林生态系统定位研究站2019年6月至2020年1月每周的混合沉降中铵态氮(NH_(4)^(+)-N)、硝态氮(NO_(3)^(-)-N)和总溶解态氮(TDN)浓度,计算了DON浓度和各形态氮的沉降通量,分析了它们的月际和干湿季差异及其变化机制。结果表明:该站点大气沉降中NH_(4)^(+)-N、NO_(3)^(-)-N、DON和TDN体积加权平均浓度分别为1.45±0.04、0.70±0.01、1.81±0.66和3.96±0.65 mg N·L^(-1),TDN年沉降通量为25.00 kg N·hm^(-2)·a^(-1),NH_(4)^(+)-N、NO_(3)^(-)-N、DON年沉降通量和占TDN的比例分别为8.76(35%)、4.38(18%)、11.86(47%),表明该森林站点的大气氮污染程度较高。大气沉降中DIN/DON和NH_(4)^(+)-N/NO_(3)^(-)-N平均值分别为1.1和2.0,表明DON是该森林大气氮输入的重要形态,NH_(4)^(+)-N在DIN输入中占主导。NO_(3)^(-)-N浓度和占比随降水增加而减少,表明NO_(3)^(-)-N的湿清除效率较高,出现稀释效应,而NH_(4)^(+)-N和DON浓度和占比与降水量无显著相关性。各形态氮混合沉降量均随降水量增加而增加,故各形态氮在湿季(6—8月)的平均浓度和沉降通量总体均高于干季(9—1月),表明未来降水增多会使得森林地表的大气氮输入量增加,对于促进森林植物生长有重要意义。本研究全面报道了京津冀地区典型森林大气NH_(4)^(+)-N、NO_(3)^(-)-N、DON和TDN混合沉降通量,明确了其形态结构和干湿季差异,揭示了高氮沉降地区降水量对大气氮混合沉降通量的影响,研究结果丰富了我国典型高人为氮排放地区的森林大气氮输入数据,为评估人为氮污染的生态环境效应提供信息。

关键词：森林生态系统铵态氮硝态氮溶解态有机氮沉降通量

工业电石渣在新疆地区的资源化应用现状及前景

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环境工程 2023年第S1期41卷 420-424页

作者：胡迪飞毛明春刘学炎张丽浙江天蓝环保技术股份有限公司杭州311202 新疆天业集团有限公司新疆石河子832000

新疆是我国主要的聚氯乙烯产地之一。电石渣是聚氯乙烯生产过程中的副产物,其产量巨大,导致每年占据了大量空置土地,如何合理将电石渣资源化利用已成为新疆企业亟须解决的问题。本文介绍了电石渣的主要性质、成分和分布情况,以及新疆地... 详细信息

新疆是我国主要的聚氯乙烯产地之一。电石渣是聚氯乙烯生产过程中的副产物,其产量巨大,导致每年占据了大量空置土地,如何合理将电石渣资源化利用已成为新疆企业亟须解决的问题。本文介绍了电石渣的主要性质、成分和分布情况,以及新疆地区在建筑、电力和农耕等方面对电石渣资源化利用现状,具体的阐述了电石渣二次开发在湿法脱硫中对脱硫塔内部件造成磨损、堵塞、腐蚀的问题和高纯脱硫石膏制取上的困难。根据已有的困难,系统论述了新疆地区的企业因地制宜,将电石渣代替石灰石减少工业的碳排放、制备高品质的脱硫石膏改善新疆地区的盐碱地情况,使得电石渣资源利用率达到最大化。

关键词：电石渣资源化利用烟气脱硫脱硫石膏盐碱地改良

典型污染城市9d连续大气降水化学特征:以贵阳市为例

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环境科学 2010年第4期31卷 865-870页

作者：肖红伟肖化云王燕丽唐从国刘学炎中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室贵阳550002 中国科学院研究生院北京100049

对贵阳地区2008年10月30日～11月7日的一场连续降水进行研究.通过对降水样品的pH值和主要阴阳离子组成的测定,分析了贵阳地区酸雨的主要离子来源以及离子浓度随降水过程的变化规律等.结果表明,此次降水的pH值范围为3.65～7.20,平均值为4... 详细信息

对贵阳地区2008年10月30日～11月7日的一场连续降水进行研究.通过对降水样品的pH值和主要阴阳离子组成的测定,分析了贵阳地区酸雨的主要离子来源以及离子浓度随降水过程的变化规律等.结果表明,此次降水的pH值范围为3.65～7.20,平均值为4.24;SO42-是主要的阴离子,浓度加权平均值为119.06μeq.L-1,占阴离子总量的80.63%;NH4+(38.38μeq.L-1)和Ca2+(48.87μeq.L-1)是主要的阳离子,分别占阳离子总量的37.82%和48.16%.Mg2+、Ca2+、NH4+与SO42-的相关系数分别为0.96、0.91、0.91,说明贵阳地区降水中可能存在以MgSO4、CaSO4、(NH4)2SO4为主的化学物质.大气中不同离子在降水过程被去除的方式和速率有较大的差别,在降水初始阶段,主要富存在粗颗粒中的Mg2+等离子,因粗颗粒迅速被冲刷而较快从大气中去除;而主要富存在细颗粒中的NH4+、SO42-等离子,因细颗粒冲刷速率较慢,而能够在大气中保存较长的时间.

关键词：贵阳连续降水 pH值化学组成冲刷速率来源

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溃坝水流数值模拟

溃坝水流数值模拟

作者：刘学炎武汉理工大学

学位级别：硕士

溃坝作为一种突发性强和破坏性大的灾难,对人民生命财产构成了极大的威胁。因而探讨溃坝问题对于制定地区应急预案,加强区域防洪减灾是十分必要的。溃坝问题计算是进行工程设计、预报预测和管理维护的基础,溃坝计算的主要内容是算出溃... 详细信息

溃坝作为一种突发性强和破坏性大的灾难,对人民生命财产构成了极大的威胁。因而探讨溃坝问题对于制定地区应急预案,加强区域防洪减灾是十分必要的。溃坝问题计算是进行工程设计、预报预测和管理维护的基础,溃坝计算的主要内容是算出溃坝坝址的流量和水位过程线,以及下游洪水演进过程中沿程各处的流量、水位、流速、波前和洪峰到达的时间等。国内外学者对这类问题做了大量研究,主要有理论研究、试验研究和数值研究,而由于问题的复杂性,数值研究成为该类问题的主要研究手段。近些年来,国内对溃坝问题做了大量数值研究取得丰富的成果。溃坝水流一维数值模拟主要基于明渠水流运动的圣维南方程。由于它具有物理概念明确、计算简单、计算结果相对可靠等优点,目前仍在实际工程中广泛应用,尤其对于长河段、大尺度的模拟,但是其精度不足。二维数值模拟的研究发展迅速,二维模型主要基于二维浅水方程,数值计算方法包括差分法、有限体积法和有限元法等,二维模型以及一、二维相结合的统一数学模型也逐渐被应用到工程实践中。由于浅水方程做了一定简化和假设,其应用也受到限制。与一、二维数学模型相比,对溃坝水流三维数值模拟的研究相对较少,研究成果也远未达到实际应用的要求,主要是由于三维模型存在模型复杂、计算量大和计算速度慢等缺点。由于商业软件的出现,解决了相当一部分困难,为三维溃坝的研究提供了便利。本文基于商业软件FLUENT分别对二维和三维溃坝水流进行数值研究,目的在于在考察应用N-S方程数值模拟溃坝水流的可靠性的同时,探讨用物理实验和理论分析不易获知的一些溃坝水流基本现象和规律。主要内容如下:①采用有试验数据的二维模型模拟在层流和不同湍流模式下二维全溃坝洪水下泄过程,并将得到的各个时段的流场状况与试验结果相比较分析,找出与试验数据吻合较好的湍流模式。②采用与实验数据吻合较好的湍流模式模拟二维部分溃坝洪水下泄过程,并分析得到的各个时段的流场状况。③采用有试验数据的三维模型模拟在选定的湍流模式下三维溃坝洪水下泄过程,并将得到的各个时段的流场状况与试验结果进行比较分析。通过上述数值模拟和分析,得到以下结论:①在对试验模型的二维全溃坝水流在不同的湍流模式下进行数值模拟中,在选取五种湍流模型和层流中k-ε模型得到的结果最好,洪水前峰随时间到达的距离和试验结果吻合,自由液面的演化过程也比较好的吻合。②在采用k-ε模型对3个尺寸相同、溃坝程度不同即全溃坝,顶部三分之二溃溃坝和顶部三分之一溃溃坝的二维溃坝水流进行数值模拟中,得到了结论:不同溃坝方式在所讨论的时间内都存在一段平稳状态;与全溃坝相比,部分溃坝液面变化复杂,并且上游形成的波形也不同;在相同的时间内溃口的大小对推进的距离有影响,特别是在溃坝初期溃口的大小对推进距离影响较大,但到了后期三分之二溃坝水流前锋与全溃坝水流前锋推进距离相差甚少,这说明在剩余坝体低于一定的程度后,在后期对水流前锋的推进距离没有影响或者影响很小。③在采用k-ε模型对三维溃坝水流进行数值模拟中,在定性上k-ε模型能够比较好的模拟溃坝水流结构以及溃坝水流的传播过程,在定量上还是和试验结果有所出入,原因有两方面:首先模拟的对象属于非定常、非线性的复杂水波,甚至含有碎波现象,对很多因素的影响敏感;其次从试验数据可见自由表面是急剧涨落不稳定的,如何在数值计算中平均化处理本身就是个问题。绕障碍物的三维水流的数值计算结果充分再现了复杂的水面波形演化现象,如壅起、回水,反射、干扰等,同时表明障碍物对溃坝水流的传播和水流的内部结构具有显著的影响。

关键词：溃坝湍流模式两相流数值模拟

石生苔藓氮含量和氮同位素指示贵阳地区大气氮沉降的空间变化和来源

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环境科学 2008年第7期29卷 1785-1790页

作者：刘学炎肖化云刘丛强李友谊李琳中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室河北师范大学生命科学学院石家庄050016

对贵阳市区到农村地区4个方向的石生苔藓氮含量和氮同位素组成进行了对比分析.苔藓氮含量变化范围为0.85%~2.97%,并从市区(2.24%±0.32%)往外明显降低(1.27%±0.13%),表明贵阳市区氮沉降最高、往外逐渐降低,但在较远的农村地区(>25 km)... 详细信息

对贵阳市区到农村地区4个方向的石生苔藓氮含量和氮同位素组成进行了对比分析.苔藓氮含量变化范围为0.85%~2.97%,并从市区(2.24%±0.32%)往外明显降低(1.27%±0.13%),表明贵阳市区氮沉降最高、往外逐渐降低,但在较远的农村地区(>25 km)苔藓氮含量出现回升(平均1.33%~1.75%),反映了农村地区大气氮输入有所增加.苔藓氮同位素均为负值(-12.50‰^-1.39‰),并从市区到农村地区明显升高.市区苔藓较负的氮同位素比值(平均-8.87‰^-8.59‰)主要指示了城市排泄物和污水所释放的氨源贡献,而郊区和农村地区苔藓较高的氮同位素信号(平均-3.83‰^-2.48‰)主要反映了农业氨源的影响,苔藓氮含量回升可能与农业活动增强有关.此外,贵阳地区苔藓氮同位素的分布特征与受氧化态氮源控制的地区苔藓氮同位素变化相反,因而,贵阳地区大气氮沉降以铵(NHx)沉降为主,该结论有助于更加准确地认识城市地区大气氮沉降的来源和变化.

关键词：大气氮沉降苔藓氮同位素氨来源

城市河流水生植物氮含量和氮同位素记录及其对水体氮污染的响应

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地球与环境 2021年第3期49卷 260-269页

作者：吴云刘学炎胡朝臣天津大学表层地球系统科学研究院天津300072 中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室贵阳550081

城市生产和生活活动排放大量含氮污染物到城市河流中,造成水质下降、水体富营养化。河流水生植物已被广泛用于水体氮污染的评价和去除,但目前水生植物氮利用的过程机制并不十分清楚,这阻碍了利用水生植物的氮素地球化学指标去评价河流... 详细信息

城市生产和生活活动排放大量含氮污染物到城市河流中,造成水质下降、水体富营养化。河流水生植物已被广泛用于水体氮污染的评价和去除,但目前水生植物氮利用的过程机制并不十分清楚,这阻碍了利用水生植物的氮素地球化学指标去评价河流水体氮污染状态。本研究采集西南地区流经贵阳市区的南明河河水和水生植物样本,通过分析氮浓度和同位素组成,探讨在不同水体氮浓度条件下水生植物的氮利用机制。在受城市污染的河段,水体铵根(NH4^(+))、硝酸根(NO3^(-))、溶解有机氮(DON)浓度均显著升高(n=13,p<0.05),其水生植物的总氮含量随河水无机氮含量升高而升高。但是,受城市污染河段的水生植物总氮的δ^(15)N值却无显著变化,说明除了水体氮源的δ^(15)N特征,水生植物的氮利用策略是影响其δ^(15)N记录的重要因素。在河流低氮浓度下植物主要利用水中的NO3^(-),在下游高氮浓度下植物氮利用机制较复杂,过程中会发生分馏,但具体的利用形态还无法确定。本研究揭示了水生植物氮利用策略对河流氮污染状态的响应机制和对塑造其地球化学记录的重要性,为城市河流废水氮污染评价及其植物修复措施提供基础科学依据。

关键词：水生植物氮同位素河流城市废水氮偏好

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一种脱硫废水循环利用方法

环境工程 2014年第S1期32卷 188-191页

作者：陈美秀莫建松刘学炎张荣浙江天蓝环保技术股份有限公司杭州311202

提出了一种将脱硫废水经脱水处理后直接喷入除尘器前烟道蒸发的方法,从脱硫废水水质、喷嘴特性、雾滴蒸发时间、对除尘器及脱硫系统的影响各方面对其进行研究,并以300 MW脱硫工程为例,分析了该方法经济效益及工程应用情况。这种脱硫废... 详细信息

提出了一种将脱硫废水经脱水处理后直接喷入除尘器前烟道蒸发的方法,从脱硫废水水质、喷嘴特性、雾滴蒸发时间、对除尘器及脱硫系统的影响各方面对其进行研究,并以300 MW脱硫工程为例,分析了该方法经济效益及工程应用情况。这种脱硫废水综合利用方法可行性高,不仅可以节能降耗,同时还实现了脱硫废水零排放的目标。

关键词：脱硫废水喷嘴雾滴节能