土壤重金屬復(fù)合污染整體模型研究

李瑩等

摘 要 在重金屬遷移建模研究成果的基礎(chǔ)上，考慮土壤對重金屬的吸附特性，推導(dǎo)出土壤重金屬復(fù)合污染物遷移轉(zhuǎn)化整體模型.為求解該模型，分別引進(jìn)Langmuir等溫競爭吸附模型與土壤水分遷移模型.最后，以重金屬Zn和Cd為例，數(shù)值模擬其在土壤中的垂向遷移過程，并利用MATLAB畫出相關(guān)圖形.

關(guān)鍵詞 土壤；重金屬；復(fù)合污染

中圖分類號 O213.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

Study on the Heavy Metal

Combined Pollution Model in Soil

LI Ying1，WANG Zhizhong1，XIAO Guoguang2

（1.College of Mathematics and Statistics， Central South University， Changsha，Hunan 410083，China；

2. Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy， Changsha，Hunan 410012， China）

Abstract Based on the previous achievements and considering the soils adsorption characteristics of heavy metal， this paper proposed an overall migration model of heavy metal compound contaminants in soil. In order to solve the problem， the Langmuir isotherm competitive adsorption model and water migration model in soil were applied. Finally， an numerical simulation example of Zn and Cd was shown as heavy metals vertical migration in soil and displayed by MATLAB.

Key words soil； heavy metal； combined pollution

1 引 言

土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一，也是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1].近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是采礦與冶煉的迅速發(fā)展，使得重金屬對土壤的污染越來越嚴(yán)重[2-4].土壤重金屬污染是指人為因素有意或無意的將對人類本身和其他生命有害的物質(zhì)施加到土壤中，使其某種成分的含量明顯高于原有含量，并引起土壤環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象[5].因其能沿食物鏈富集、放大，較低濃度的重金屬便可能損害自然生態(tài)系統(tǒng)和人體健康，所以如何有效地減少和修復(fù)重金屬污染，緩解其對人體、生物和生態(tài)環(huán)境的危害，是當(dāng)今環(huán)境領(lǐng)域所面臨的難題之一[6，7].現(xiàn)實環(huán)境中的重金屬污染多為多元素共存所造成的復(fù)合污染， 而且各種污染元素之間還存在著某種形式的聯(lián)合作用.因此， 研究如何較好的表征重金屬的復(fù)合污染的綜合效應(yīng)， 實現(xiàn)對重金屬復(fù)合污染的預(yù)測、評價和防治，具有重大的現(xiàn)實意義[8].由于土壤及地下水重金屬污染具有隱蔽性以及地下重金屬運移具有很多的不確定性，并且人們對重金屬在地下水中的彌散機(jī)理和各種化學(xué)反應(yīng)過程都了解不夠，目前對重金屬在土壤中遷移轉(zhuǎn)化的整體模擬不多，大多數(shù)是對這一系統(tǒng)的分散的零碎的研究，并沒有將這些過程聯(lián)系起來綜合研究，而且其多考慮單一重金屬污染，對重金屬復(fù)合污染數(shù)學(xué)模型的研究很少.

本文綜合前人所建立的模型， 將重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化作為一個整體進(jìn)行研究，并加入復(fù)合污染因素，推導(dǎo)出土壤重金屬復(fù)合污染整體模型.對模型進(jìn)行數(shù)值模擬時，為了模型準(zhǔn)確性 ，對Langmuir模型和土壤水分遷移模型進(jìn)行改進(jìn)，用以說明土壤重金屬復(fù)合污染整體模型中參數(shù)之間的關(guān)系，而不是簡單的以常數(shù)代替參數(shù).最后以重金屬Zn和Cd為例，顯示模型的應(yīng)用步驟.

2 重金屬復(fù)合污染遷移轉(zhuǎn)化模型

土壤由泥沙顆粒、孔隙水和孔隙氣組成，即重金屬在土壤中由固相、液相和氣相組成.地表表層土體是非飽和土，地表深層土體是含地下水的土，為飽和土.從地表向下，土壤一般分為兩個帶，上面是非飽和帶，下面是飽和帶.

與重金屬在水體中的遷移轉(zhuǎn)化模型類似[9，10]，目前更適合建立重金屬復(fù)合污染遷移轉(zhuǎn)化的整體模型，而不是分相模型（分別就固相，液相，氣相顆粒建立模型）.基于這一結(jié)論和土壤中遷移建模的成果，簡化的結(jié)果和概念在本文中將推廣和延伸，應(yīng)用于推導(dǎo)重金屬在土壤中遷移轉(zhuǎn)化三維方程中[11].

在土壤中取一個控制體dx，dy，dz，假定它由泥沙顆粒空間、孔隙水空間和空隙氣體空間三部分組成.土壤中的重力水通過孔隙向下流失，假定其空隙大小沒有改變，即孔隙度水空間是常數(shù).忽略生物化學(xué)作用傳質(zhì)，不考慮生物體對重金屬的富集，忽略孔隙中的泥沙運動.對于泥沙顆粒濃度的變化，吸附解吸是生化反應(yīng)的主要機(jī)理.

為了推導(dǎo)方便，首先定義下列參數(shù)：

6 結(jié) 論

本文首先推導(dǎo)了土壤中重金屬復(fù)合污染整體模型，為了對該模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分別引進(jìn)Langmuir等溫競爭吸附模型與土壤水分遷移模型，得出固相濃度Si與液相濃度Ci的關(guān)系以及液相滲流速度q與含水率θ的數(shù)值表達(dá)式，并利用Matlab畫出含水率隨時間和垂向距離變化圖.最后運用所得模型對重金屬Zn，Cd進(jìn)行數(shù)值模擬，利用Matlab分別畫出Zn和Cd的液相濃度隨垂向距離和時間t的變化圖.從圖看出：深度增加，含水率減少，土壤中Zn，Cd濃度減少；Zn，Cd共存時吸附量明顯小于單一離子存在時的吸附量；土壤的吸附使重金屬的遷移明顯滯后；土壤中Zn的競爭吸附能力大于Cd的.endprint

參考文獻(xiàn)

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