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基于地下水安全的六价铬土壤环境基准值推导案例

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水文地质工程地质 2024年第1期51卷 179-189页

作者：顾熙陈扣平吴吉春南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023

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... 详细信息

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。

关键词：环境基准六价铬土壤筛选值模型地下水安全分配系数

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脱卤杆菌介导的厌氧微生物富集菌群对1,2,4-三氯苯的降解特性

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地学前缘 2024年第2期31卷 472-480页

作者：吕良华乔文静张晗叶淑君吴吉春王水蒋建东江苏省环境科学研究院江苏省环境工程重点实验室江苏南京210036 江苏省土壤与地下水污染防控工程研究中心江苏南京210036 南京农业大学生命科学学院农业农村部农业环境微生物重点实验室江苏南京210095 南京大学地球科学与工程学院表生地球化学教育部重点实验室江苏南京210023

1,2,4-三氯苯是我国工业污染场地土壤和地下水中典型的有机污染物,具有持久性、生物蓄积性和高毒性特点,对生态环境和人体健康危害巨大。1,2,4-三氯苯密度比水大,容易迁移至深部厌氧区域,因此,开展1,2,4-三氯苯厌氧微生物降解与修复研... 详细信息

1,2,4-三氯苯是我国工业污染场地土壤和地下水中典型的有机污染物,具有持久性、生物蓄积性和高毒性特点,对生态环境和人体健康危害巨大。1,2,4-三氯苯密度比水大,容易迁移至深部厌氧区域,因此,开展1,2,4-三氯苯厌氧微生物降解与修复研究具有重要实际应用价值。本文通过长期富集培养,获得一份可以稳定地将1,2,4-三氯苯还原脱氯至1,4-二氯苯,再进一步还原脱氯至氯苯的厌氧菌液。通过16S rRNA基因扩增子测序及引物特异性的定量PCR实验,证明厚壁菌门的脱卤杆菌属细菌(Dehalobacter species)是1,2,4-三氯苯和1,4-二氯苯厌氧还原脱卤的功能菌株,其生长率为(1.68±0.8)×10^(6)copies·μmol^(-1)(释放的氯离子)。通过PCR扩增,获得Dehalobacter菌株的16S rRNA基因序列,构建了系统发育树。本研究可为1,2,4-三氯苯污染场地开展原位厌氧微生物修复提供菌株资源和理论指导。

关键词： 1,2,4-三氯苯地下水污染生物修复脱卤杆菌属还原脱卤

固废填埋场地土壤-地下水的砷污染反应运移模拟与源强识别

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环境科学学报 2024年第2期44卷 237-247页

作者：储建民邱文杰吴剑锋吴吉春南京大学地球科学与工程学院表生地球化学教育部重点实验室南京210023

污染场地土壤-地下水系统中污染组分源强的精准识别是实现地下水污染高效治理与有效防控的根本前提.针对某固废填埋场地1号、3号地块地下水As(Ⅲ)浓度出现高值异常,采用统计相关分析方法分析了地下水中As(Ⅲ)与其他检出特征组分的相关关... 详细信息

污染场地土壤-地下水系统中污染组分源强的精准识别是实现地下水污染高效治理与有效防控的根本前提.针对某固废填埋场地1号、3号地块地下水As(Ⅲ)浓度出现高值异常,采用统计相关分析方法分析了地下水中As(Ⅲ)与其他检出特征组分的相关关系,确定了As(Ⅲ)与PO_(4)^(3-)之间的竞争吸附反应是地下水中As(Ⅲ)污染的主要原因;随后采用表面络合模型(SCM)模拟竞争吸附反应,并建立了基于TOUGHREACT的场地土壤-地下水系统As(Ⅲ)污染组分反应运移模型;最后利用粒子群优化(PSO)算法构建了污染地块As(Ⅲ)污染的源强识别的模拟优化模型.结果显示:(1)固废中存在的磷酸盐能解释污染地块土壤不同深度As(Ⅲ)含量较背景值偏高的现象;(2)构建的土壤-地下水系统As(Ⅲ)运移模型可较好地模拟As(Ⅲ)与PO_(4)^(3-)竞争吸附反应;(3)优化识别出1号和3号地块的As(Ⅲ)污染源强分别为187.25μg·L^(-1)和192.49μg·L^(-1).研究表明,基于PSO算法的模拟优化模型具有识别精度高、计算速度快、稳定性好的特点,可用于解决此类土壤-地下水系统污染源强识别问题.

关键词： As(Ⅲ)污染污染源识别竞争吸附粒子群优化算法

利用机器学习从切片的孔隙结构特征预测多孔介质渗透率

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高校地质学报 2024年第1期30卷 1-11页

作者：孟胤全蒋建国吴吉春南京大学地球科学与工程学院表生地球化学教育部重点实验室南京210023

利用机器学习模型预测多孔介质的渗透率是当前孔隙尺度模型的关键研究方向之一。由于三维多孔介质数据无法直接应用于经典机器学习模型,对孔隙空间结构进行特征提取是有必要的。深度学习模型作为经典机器学习模型的进阶,在多孔介质三维... 详细信息

利用机器学习模型预测多孔介质的渗透率是当前孔隙尺度模型的关键研究方向之一。由于三维多孔介质数据无法直接应用于经典机器学习模型,对孔隙空间结构进行特征提取是有必要的。深度学习模型作为经典机器学习模型的进阶,在多孔介质三维数字图像预测渗透率方面取得许多成功,但模型的计算成本相当高。该研究提取多孔介质切片的孔隙结构特征,将数字图像转化为多维向量并作为机器学习模型的输入,在减少数据输入量、大幅度提高训练效率的同时,模型保持了出色的预测能力,其中长短期记忆神经网络(LSTM)的预测结果最佳。

关键词：机器学习长短期记忆神经网络多孔介质渗透率预测孔隙结构特征

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

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中国环境科学 2024年

作者：王卓群陈扣平吴吉春王保战柳旭南京大学地球科学与工程学院南京农业大学生命科学学院

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.本研究以太湖周边地区14个不同硝酸盐浓度的... 详细信息

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.本研究以太湖周边地区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:(1)高硝态氮组与低硝态氮组间细菌群落组成存在显著差异;(2)细菌群落α多样性、β多样性受到硝酸盐负荷的显著影响;(3)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.

关键词：太湖地下水微生物多样性硝态氮共现网络

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多孔介质中多环芳烃与细菌共运移数值模拟

南水北调与水利科技（中英文） 2024年第1期22卷 122-130页

作者：王瑾彤曾献奎吴吉春南京大学地球科学与工程学院南京210023

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 Tra... 详细信息

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。

关键词：细菌胶体荧蒽共运移数值模拟马尔科夫链蒙特卡洛方法

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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

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土壤学报 2024年

作者：杨蕴杨浩徐斌左劲松熊贵耀赵良王锦国吴吉春河海大学地球科学与工程学院南京大学地球科学与工程学院浙江省环境科技有限公司

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C... 详细信息

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。

关键词：土壤-地下水有机污染多场耦合模拟时空分布模拟可视化系统

基于土壤侵蚀模型的汞矿区污染风险评价及影响因子研究

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环境科学学报 2024年第4期44卷 306-315页

作者：郑贤武陈华丽陈扣平李平王挺吴吉春浙江工商大学环境科学与工程学院杭州310012 南京大学地球科学与工程科学院南京210032 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

为了研究汞矿区的非点源污染(NSP)问题,本研究基于土壤侵蚀模型(RUSLE)和地理信息系统(GIS)提出了一种新型的汞矿区NSP风险评价模型(MPRAM),并应用于贵州铜仁翁曼河流域的汞矿区.土壤的检测结果表明,研究区的土壤汞含量为0.13~2365.79 m... 详细信息

为了研究汞矿区的非点源污染(NSP)问题,本研究基于土壤侵蚀模型(RUSLE)和地理信息系统(GIS)提出了一种新型的汞矿区NSP风险评价模型(MPRAM),并应用于贵州铜仁翁曼河流域的汞矿区.土壤的检测结果表明,研究区的土壤汞含量为0.13~2365.79 mg·kg^(-1),高于0.07mg·kg^(-1)的区域背景值,超过50%的区域汞含量高于33 mg·kg^(-1),高于建筑用地的管制标准;土壤可侵蚀性平均值为0.042 t·h·MJ^(-1)·mm^(-1),表明研究区的土壤具有较强的侵蚀风险,容易发生侵蚀现象.MPRAM的结果表明,NSP污染的低风险地区的占比最高(50.24%),低风险区主要集中在下游地区;中度及以上风险区域主要集中在中上游地区,靠近尾矿库及汞矿废弃厂地,面临的汞污染风险更大;流域内大部分人类活动位于中高风险区域,而在人类活动中,水稻种植是主要的日常活动,一定程度影响了NSP污染的发展.模型的评价结果可为决策者对流域内的人类活动和尾矿问题决策提供基础数据,并为汞矿区的非点源污染治理提供支撑.

关键词：非点源污染汞矿区风险评估土壤侵蚀

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基于PINNs算法的一维潜水流方程的渗流参数反演

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南京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 317-327页

作者：舒伟孟胤全邓芳蒋建国吴吉春南京大学地球科学与工程学院南京210023

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... 详细信息

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.

关键词：物理信息神经网络潜水硬约束软约束渗流参数反演