请输入关键字:



 

 


土壤污染物溶质运移模型研究进展--高川博

(2006-11-20 8:14:25)


  基金项目:国家自然科学基金项目(20276048)。
  作者简介:高川博(1979-),男,河北保定人,硕士研究生。
  土壤污染物溶质运移模型研究进展
  Research Development of Polluted Solute Transport Model in Soil
  高川博姜斌黄国强王琦
  (天津大学化工学院精馏中心天津300072) 
  摘要:土壤中污染物溶质的运移已经成为了近年来研究的热点。本文回顾了关于土壤中溶质运移模型的研究成果,讨论了各个模型的优势及其不足之处,介绍了应用最为广泛的传统微分方程模型。对应用于非均匀介质中的随机运移模型进行了描述,并将其和传统微分方程模型进行了比较。介绍了可动-不可动水体模型并讨论了其相关参数的影响因素。列举了几种和其他学科或研究方向结合的溶质运移模型。最后提出了今后模型开发的发展方向。
  关键词:污染物溶质运移土壤模型
Abstract The transportation of polluted solute has become the focus
 of research these years. This paper reviews the research result of
 modeling solute transport in soil and discusses the advantage and 
disadvantage of these models. The traditional differential equation model ,
which is most extensively used, is introduced. The stochastic transport model 
that used in heterogeneous media
 is described and compared with the traditional differential equation model.
 And several solute transport models that combined with other subjects or fields 
are enumerated. In the end, the developmental direction of model developed is 
indicated for the future.
Key wordsContaminationSolute TransportSoilModel
近年来,随着化肥、农药使用量的加大、工农业废水的大量排放、污染物处理不当等原因所引起的农药、重金属对土壤和地下水的污染问题已变得日益突出[1]。因此,土壤中污染物溶质运移模型的研究成为一个很活跃的领域。本文就污染物溶质在土壤中的迁移模型的研究进展及其发展趋势作了简要的评述,为土壤污染治理、污染控制和风险评估的研究提供可靠的理论依据[2]。
1传统微分方程模型(TDE,Traditional differential equation model)
TDE主要是基于Richard 流动方程和对流-扩散方程(CDE)等一些经典理论方程建立起来的一种模型[2]。这种模型具有确定性,即给出方程的边界条件,选择合适的求解方法,就可以得到模型解,从而确定污染物在实验介质中的分布。溶质运移方程是由一个描述污染物在土柱中的质量守恒方程式构成的,其中应用最多的是对流-扩散溶质迁移微分方程,在空隙质中又增加了一个吸附、降解和一个汇源项,即:θ-土壤含水量,C-溶质浓度, k-扩散系数,v-土壤水分的达西速率,ρ-土壤密度,s-吸附土壤颗粒上的污染物浓度,P-土壤中污染物汇源项的总和,z-深度。
TDE模型属于确定性模型,关于CDE方程的求解,无论是用解析法还是数值方法都会遇到困难。对此,国内外学者做了大量的探索性研究,如Berry[4]用时间独立变量来表达水动力弥散系数,空隙水流速度,从而成功求解了CDE方程。
〖2可动-不可动水体模型
本模型也属于确定性模型的一种。对于不动水体,Bear[5]、杨金忠[6~7]、Bresler[8]等认为,在多孔介质中有一些充水孔隙是死孔隙,其中所含的水分并不参与水流运动,但其中的溶质则通过与可动水体中的溶质进行交换而导致其运动。后来Van Genuchten和Wierenga[9]研究了不动水体对稳定和非稳定流的影响。他们给出的方程为:分别为可动水体和不动水体的含量;Cm和Cim为可动水体不动水体中的溶质浓度;α为质量交换系数(1/d);Vm为可动水体的平均孔隙流速(cm/d)。
研究表明:第一,可动区含水量与总含水量之比α是模型中最敏感的参数,大多数研究者认为α值随含水量的减少而降低。De Smedt和Wierenga[10]则认为α值为一定值(0853)。第二,两区间物质迁移交换系数α。α是表征溶质运移过程中不动区和可动区间溶质扩散程度的参数。Gaudet[11]认为α随含水量的变化波动不大。此外Bajracharya[12]和魏新平等人[13]认为α还与扩散速率、溶质延迟因子、土柱长度等因素有关。第三,弥散系数D。弥散受分子运动、地下水流速和介质特性的影响[14,15]。Gaudet[11]认为D在很大程度上取决于穿透曲线上升部分的斜率,且随含水量的降低而减小。Padilla和Yeh等人[16]的实验结果表明,D与分子扩散关系不大,可忽略,但与平均含水量存在相关关系,当含水量降低时D值增大。
3随机运移模型
随机运移模型主要是传输函数模型,该模型将溶质运移的穿透时间看作随机变量,一定程度上克服了田间试验中的区域水动力弥散和空间变异性所导致的预测偏差,可以比较容易的处理复杂的边界条件,充分考虑到各种物性和复杂的模型几何参数,是近年来发展较为迅速的一类模型。
在国外随机运移理论已经相对成熟,近年来应用较多并且已经大量应用于田间实验研究。Nicolai[17]应用随机微分方程研究了传统数值方法中的求解问题,比较容易的解决了复杂的边界条件问题;Yeh[18]将随机模型应用于研究不饱和区的污染物的运移,得到了比较可靠的预测数据;Hater等人[15]应用随机模型于现场试验,证明它可以较好的适用于自然土壤中存在的空间变异效应。取得了较传统数值模型精确的模拟结果。国内关于随机运移模型的研究还处于起步阶段,杨金忠等[19]用随机方法研究了三维各项异性非饱和土体中吸附性溶质运动规律;蔡树英等[20]应用随机模型对土壤渗透参数空间变异性进行了试验研究。
4其他运移模型
近几年,除了关于传统的模型的研究外,还出现了一些结合其他学科或研究方向的模型,其中有代表性的有结合地理信息系统(GIS)的土壤溶质运移模型,土壤溶质运移的色谱塔板理论模型 。
4.1与GIS结合的土壤溶质运移模型
corwin[21]把GIS技术(地理信息系统)应用于水盐地下水运移模型。GIS可以综合考虑地形,土壤,气候等外界因素,将溶质运移模型与GIS技术结合,可以定量研究空间尺度的溶质运移。从而对溶质运移的规律及其对环境的影响,作出更深入和准确的描述[22]。其优势在于:①能够精确快速的处理空间和非空间数据;②其描述空间分布的过程的空间处理和分析函数,建立在数学基础上,具有分析复杂空间过程的潜力;③环境和界面友好,可方便直观的显示模型的运行过程和结果。
4.2土壤溶质运移的色谱塔板理论模型
由于一维土壤溶质运移在基本机制和形式上与化学色谱分析有着相似性,石辉[23]等把色谱塔板理论运用到溶质运移模型中,得到土壤溶质运移的色谱塔板理论模型。土柱实验表明,色谱模型的模拟结果与实验结果基本一致,说明色谱塔板理论可用于土壤溶质运移研究,是土壤运移研究的一种新的模型方法。
5溶质运移模型发展趋势
综合以上对现有成果和状况的分析,笔者认为在以后溶质运移模型的开发中应注意以下问题:
(1)通过室内、室外精密的实验研究、检验传统的对流弥散方程、动水-不动水体模型及随机传输函数模型等描述溶质运移的模型,进一步研究溶质运移的机制,以对各种模型做出科学的评价。并对它们的准确性、灵活性、通用性和可操作性做出科学的评价。
(2)多组分迁移模型同时考虑溶质运移的物理过程及化学反应过程,溶质运移模型的开发必须向多组分及其有相互作用的迁移模型发展。
(3)结合其他学科或研究方向的研究成果,使溶质运移模型的理论得到进一步完善,模型更加实用。
(4)紧密结合区域特点,气候条件,土壤类型,人类活动现状等,进一步研究溶质运移理论问题,使溶质运移理论得到更广泛的应用。
6结语
总结了国内外关于土壤溶质运移理论的研究成果,描述了传统的微分方程模型和随机运移模型。并列出了相关的模型所依据的具体理论方程。说明了相关参数的物理意义。同时提出了一些模型中存在的特点及不足之处。如传统的微分模型很好的揭示出均匀多孔介质中的运移机理,及时间和空间对运移的影响。但由于模型中参数的空间变异性等问题,在野外大田的实验中,出现了实测结果和理论结果相差较大的现象。而随机运移模型则从宏观上考虑模型参数的变异性,一定程度上解决了确定性模型存在的问题。还描述了几个和其他学科或研究方向结合的溶质运移模型,提出了他们的优势和适用范围。最后分析了土壤运移模型的发展趋势,为后续研究提供方向。
参考文献
1.王超,阮晓红,朱亮.污染物在非饱和土壤中迁移规律的试验研究[J].河海大学学报,1996,24(2):7~13.
2.李广辉,魏世强.土壤溶质运移特性研究进展[J].土壤通报,2003,34(6):85~89.
3.李韵珠,李保国,等.土壤溶质运移[M].北京:科学出版社,1998.
4.李勇,徐瑞薇.有机污染物在土壤和地下水中迁移建模[J].农村生态环境,1994,10(3):64~68 .
5.Bear J著.多孔介质流体动力学[M].北京:中国建筑工业出版社,1983.
6.杨金忠.一维饱和与非饱和水动力弥散系数的实验研究[J].水利学报,1986(3):10~21.
7.杨金忠.土壤非饱和纵向与横向弥散系数确定方法的研究[J].水利地质工程地质论丛(二),1987.
8.Bresler E et al.Sodine and Sodic Principles-dynamics-modeling.
New York:Springer-Verlay,1980.
9.Van Genuchten M Th, R J Wagenet.Two-site/two-region Models for 
Pesticides Transport and Degradation: Theoretical Development and
 Analytical Solutions[J] . Soil Science Society of America Journal,1989,53(5):1303~1310.
10.De Smedt,Wierenga P J.Solute Transport Through Soil with Nonuniform
 Water Content[J].Soil Science Society of America Journal,1978,42(1):7~10.
11.Gaudet J P,Jegat H,Vachaud G,Wierenga P J.Solute Transfer,with Exchange 
between Mobile and Stagnant Water, Through Unsaturated Sand[J].
Soil Science Society of America Journal,1977,41(4):665~671.
12.Bajracharya K,D A Barry.Nonequilibrium Solute Transport Parameters
 and their Physical Significance: Numerical and Experimental Results [J]
.Journal of Contamination Hydrology,1997,24(1):185~204.
13.魏新平,王文焰,王全九,张建丰.溶质运移理论的研究现状和发展趋势[J].灌溉排水,1998,14(4):58~63.
14.Christiana G A,Kamyar H.Stochastic Modeling of Transient Contaminant 
Transport[J].Journal of Hydrology,2003,276:224~239.
15.Harter T, Yeh,T.Flow in Unsaturated Random Porous Media, Nonlinear 
Numerical Analysis and Comparison toAnalytical Stochastic Models[J].
Advances in Water Resources,1998, 22(3):185~195.
16.Padilla I Y, T C J Yeh, M H Conklin.The Effect of Water Content on 
Solute Transport in Unsaturated Porous Media[J].Water Resources Research,
 1999,35(11):3303~3313.
17.Nicolai B.Modeling and Uncertainty Propagation Analysis of Thermal Food 
Processes.Dissertationes de Agricultura, 1994.
18.Yeh T.Stochastic Modeling of Groundwater Flow and Solute Transport in
 Aquifers[J].Hydrological Processes,1992,6:369~395.
19.杨金忠,蔡树英,等.非饱和土壤统计特性对宏观弥散度影响的分析[J].水动力学研究与进展,1997,12(3).
20.蔡树英,杨金忠,等.土壤渗透参数空间变异性的试验研究[J].中国农村水利水电,2002,11:13~17.
21.唐立松,张佳宝,等.GIS与土壤溶质运移模型结合研究进展[J].干旱区地理,2002,6:176~182.
22.Corwin I L,Carrillo M L K.Evaluation of a GIS-Linked Model of Salt Loading to Groundwater[J].J Environ Qual, 1999,28:471~480.
23.石辉,赵晓光.土壤溶质运移的色谱塔板理论模型[J].西南农业大学学报, 2003,25(3):267~269.

主办单位:
沈阳市环保产业协会 电话:024-24860918  
技术支持:
沈阳市经济信息中心 沈阳市政府网络数据中心 电话:024-88156633