項目名稱：    不同水動力條件下污染物輸移過程及系統耦合模型研究

推薦單位：    教育部

項目簡介：    不同水動力條件下污染物輸移過程及系統耦合模型研究是水力學、河流水動力學、地下水動力學及海岸動力學等領域的重要組成部分，適用于陸域水系水資源保護和海洋環境保護科學理論研究，應用于水利、環保、海洋行業。課題組早在80年代后期就開始了相關研究。針對地表水、地下水及近海水環境質量不斷下降的實際情況，從宏觀規律和微觀機理方面進行了系統研究。主要研究內容和科學價值包括：

（1）研究污染物在地表水域不同水動力條件下輸移過程和環境行為，探討不同時空尺度條件下江河湖庫水域中污染物輸移規律，建立符合不同水域特征的系統耦合模型，提出了兩相湍浮力分層流雙流體模型和考慮速度與溫度垂向分布不均勻引起流散效應的全場模型，在輸移規律認識、基本原理闡明和模擬方法建立上有創新性的科學價值。

（2）研究污染物質在地下水系統不同水動力條件下遷移轉化規律，探討地表水體和污染物入滲的內部機理和環境行為，在地表水和地下水系統中污染物質互相轉換機理、耦合模擬和計算方程離散格式等方面有新的進展。

（3）研究陸地-海洋界面通量交換的機理和過程，探討陸源污染物地下入海路徑和通量，提出了"地下河口"的理論框架，揭示海灘邊界水動力條件對近海地下水運動和傳質的影響，探討地下水與海水交換量和污染物遷移內在規律，提出了一種輻射應力計算新方法和波浪增減水的實用模擬模型。

（4）研究不同水動力條件下有機污染物在水生生物中富集與釋放規律及生物降解速率常數和降解半衰期，揭示化合物的毒性作用和生物降解機理，得到生物富集因子和化合物在魚體內的代謝規律，為污染物對生物影響分析和生態評估奠定理論基礎。

成果已在國內外期刊上發表論文282篇，其中SCI收錄116篇，EI收錄144篇。論文被他人引用932篇次，其中被SCI他人引用497篇次。成果已應用于地表水和地下水資源保護工作、科學研究和人才培養之中，取得了系列創新性成果，揭示了基本規律，推動了學科發展。

主要發現點：  （1）發現了太湖河網區河流不同水文和時空尺度對典型污染物（氮、磷、化學需氧量）輸移轉化有不同的影響規律，其中大尺度順直河流凈污能力弱于中小尺度自然河流，提出了河網區不同尺度河流污染物輸移特性的變換原理和變換方法，建立不同水文和時空尺度條件下水域納污能力一維、二維和三維模型，以及河網區河流～湖泊～河口耦合聯解模型。（水力學，論文[1]、[8]）

（2）發現了河流濱水帶和沉水植物不僅對河流水動力條件和行洪能力產生重要影響，而且對水體中泥沙和污染物輸移、擴散、沉降、再懸浮、轉化等也具有重要作用的自然現象，建立考慮水生植物影響作用下水體、泥沙和污染物輸移轉化模型，提出水生植物對水流影響的拖曳阻力和對污染物輸移轉化的附加作用項，為河流和湖泊水動力特性和污染物輸移過程模擬提供了新方法。（水力學，論文[3]、[10]）

（3）提出了兩相湍浮力分層流雙流體模型和考慮速度與溫度垂向分布不均勻引起流散效應的應力代數全場模型，在銜接邊界處理、水動力三角聯解、污染源控制反問題等方面有創新性成果。提出將BI-CGSTAB方法推廣應用于橢圓型緩坡方程的求解的新方法，并首次在微機群集并行系統上進行了實現，計算效率提高了數十倍以上。（水力學，論文[5]、[6]）

（4）提出全新的"地下河口"理論框架，闡明了陸地～海洋交界帶內在相互作用的機理，發現了海灘邊界水動力條件對近海地下水運動和物質輸移的影響規律，探明了地下水與海水、內陸與海域污染物相互交換量的特性，提出了輻射應力計算新方法和波浪增減水的實用模擬模型，建立了地下水波動和污染物遷移模型，揭示了地下水超短以及超長周期波動的原理，推動了沿海地下水和物質輸移的科學理論和研究方法的發展。（水力學，論文[7]、[9]）

（5）發現了不同水動力條件下污染物對多種水生生物的急性和聯合毒性、生物富集與釋放、生物代謝，以及在自然條件下的生物降解性過程和完整的化合物毒性作用機理，闡明了化合物的結構與其生物活性之間內在的定量關系，篩選出了水體中需要重點監控的污染物名單，發展了QSBR技術，建立了有機毒物在不同水動力條件下生物降解性預測模型，并成功用于生態風險評價之中。（水力學，論文[2]、[4]）

主要完成人：  1.   王超

王超對推薦書《主要發現點》欄目中的第（1）、（2）和（5）發現點做出了貢獻，代表性論文[1]、[2]、[3]和[10]，投入本項目研究的工作量占本人工作量的80%，發現了河網區河流不同水文和時空尺度對污染物輸移轉化有不同的影響規律，提出了河網區不同尺度河流污染物輸移特性的變換原理和變換方法，建立不同尺度條件下水域納污能力模型及河網區河流～湖泊～河口耦合聯解模型。

2.   沈永明

沈永明對推薦書《主要發現點》欄目中的第（1）和（3）發現點做出了貢獻，代表性論文[5]、[6]和[8]，投入本項目研究的工作量占本人工作量的75%，提出了兩相湍浮力分層流雙流體模型和考慮速度與溫度垂向分布不均勻引起流散效應的應力代數模型，提出將BI-CGSTAB方法應用于橢圓型緩坡方程的求解方法，并首次在微機群集并行系統上進行了實現，計算效率提高了數十倍以上。

3.   李凌

李凌對推薦書《主要發現點》欄目中的第（4）發現點做出了貢獻，代表性論文[7]和[9]，投入本項目研究的工作量占本人工作量的70%，提出全新"地下河口"理論框架，發現了海灘邊界水動力條件對近海地下水運動和物質輸移的影響規律，提出了輻射應力計算和波浪增減水模擬模型及地下水波動和污染物遷移模型，揭示了地下水超短以及超長周期波動的原理。

4.   陸光華

陸光華對推薦書《主要發現點》欄目中的第（2）和（5）發現點做出了貢獻，代表性論文[2]、[3]和[4]，投入本項目研究的工作量占本人工作量的65%，發現了污染物對多種水生生物的急性和聯合毒性、生物富集與代謝，闡明了化合物的結構與生物活性之間內在的定量關系，篩選出了水體中需要重點監控的污染物名單，發展了QSBR技術，建立了有機毒物在水體中生物降解性模型。

5.   王沛芳

王沛芳對推薦書《主要發現點》欄目中的第（2）發現點做出了貢獻，代表性論文[10]，投入本項目研究的工作量占本人工作量的60%，發現了河流濱水帶和沉水植物不僅對河流水動力條件和行洪能力產生重要影響，建立考慮水生植物影響作用下水體、泥沙和污染物輸移轉化模型，提出水生植物對水流影響的拖曳阻力和對污染物輸移轉化的附加作用項。

10篇代表性論文：  1.   Total concentrations and fractions of Cd, Cr, Pb, Cu, Ni and Zn in sewage sludge from municipal and industrial wastewater treatment plants

2.   Quantitative structure-activity relationships for the toxicity of substituted benzenes to Cyprinus carpio

3.   Quantitative structure- biodegradation relationship study for biodegradation rates of substituted benzenes by river bacteria

4.   QSAR study on the toxicity of substuted benzenes to the algae (Scenedesmus obliquus)

5.   Quasi-three-dimensional Refined Modelling of Turbulent Flow and Water Quality in Coastal Waters

6.   3D Numerical modeling of non-isotropic turbulent buoyant helicoidal flow and heat transfer in a curved open channel

7.   Similarity solution of axisymmetric flow in porous media

8.   A Three-dimensional Numerical Model of Hydrodynamics and Water Quality in Hakata Bay

9.   Field trial of a new aeration system for enhancing biodegradation in a biopile

10.  Modeling of the mixture of wastewater discharged from a submerged multiport diffuser in Nantong sea-area