一種流域重金屬行為的動(dòng)態(tài)定量模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和環(huán)境管理領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種流域重金屬行 為的動(dòng)態(tài)定量模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于人類對(duì)重金屬的開采、冶煉、加工等活動(dòng)日益增多，導(dǎo)致重金屬大量進(jìn)入環(huán)境 中。其中，礦區(qū)的重金屬污染尤為嚴(yán)重，隨意堆放的廢礦堆、設(shè)施不全的尾礦庫以及廠區(qū)的 排污口都是潛在的污染源。重金屬以點(diǎn)源（廠區(qū)排污口）、面源（廢礦、廢渣、尾礦庫等）形 式的排放會(huì)對(duì)流域的水環(huán)境、土壤環(huán)境造成危害，影響居民健康和社會(huì)發(fā)展。
[0003] 由于環(huán)境中重金屬的空間異質(zhì)性以及重金屬本身的復(fù)雜性等，重金屬的迀移轉(zhuǎn)化 模擬較為復(fù)雜。目前國內(nèi)外的迀移轉(zhuǎn)化模型不多，主要分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、整體模型和分相模 型，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎媒?jīng)驗(yàn)關(guān)系式來描述重金屬迀移轉(zhuǎn)化與泥沙運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，使用簡單但 適用性較差。整體模型是指將河流作為一個(gè)整體，用質(zhì)量平衡方法來描述重金屬行為，原理 過于簡單且未考慮重金屬迀移轉(zhuǎn)化的復(fù)雜物理化學(xué)機(jī)制。分相模型則是把污染物在河流中 的運(yùn)動(dòng)分成水相、懸移質(zhì)相和沉積相分別建立模型，但大多數(shù)未考慮重金屬在不同相中仍 存在不同形態(tài)，如水相中包括離子態(tài)和配合態(tài)等，不同形態(tài)重金屬迀移轉(zhuǎn)化規(guī)律存在較大 差別。
[0004] 流域中重金屬的迀移主要分為兩種：垂向迀移和水平迀移。垂向迀移主要指重金 屬向下迀移污染深層土壤、地下水的過程以及毛細(xì)作用下的向上運(yùn)移，水平迀移主要指重 金屬伴隨著土壤流失，地表徑流，壤中流和地下徑流的水平迀移過程。目前對(duì)于重金屬垂向 迀移的研究較多，模型較成熟。關(guān)于重金屬的水平迀移研究較少，主要關(guān)注重金屬在河流中 的迀移轉(zhuǎn)化，而對(duì)于重金屬的入河前，即流域內(nèi)淋洗、溶出、吸附等過程并未涉及，從而不能 反映整個(gè)流域重金屬釋放和迀移轉(zhuǎn)化的綜合過程。
[0005] SWAT模型對(duì)水文過程的模擬相當(dāng)出色，同時(shí)可用于模擬具有多種土壤、土地利用 方式和管理?xiàng)l件的復(fù)雜流域內(nèi)污染物的變化。SWAT模型在非點(diǎn)源污染如氮、磷、化肥、殺蟲 劑應(yīng)用較多并取得了很好的效果，這也展示出了 SWAT模型在流域重金屬模擬的潛力。但目 前SWAT只能演算以點(diǎn)源形式輸入河網(wǎng)的重金屬迀移過程，且僅僅是通過質(zhì)量守恒方程來 確定重金屬的運(yùn)動(dòng)并不涉及重金屬各種形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。
[0006] 綜上所述，如何實(shí)現(xiàn)重金屬行為的全流域模擬成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技 術(shù)問題之一。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于SWAT模型的流域重金屬行為的動(dòng)態(tài)定量模擬方 法，用于動(dòng)態(tài)定量模擬流域中的重金屬行為。
[0008] -種流域重金屬行為的動(dòng)態(tài)定量模擬方法，應(yīng)用于水文模型SWAT模型中，包括：
[0009] 獲取模擬研究區(qū)域重金屬點(diǎn)源、面源污染的空間信息和采樣數(shù)據(jù)；
[0010] 依據(jù)所述采樣數(shù)據(jù)確定模擬研究區(qū)域以點(diǎn)源排放進(jìn)入河道的重金屬量Xp;
[0011] 依據(jù)所述采樣數(shù)據(jù)確定模擬研究區(qū)域土壤中的活潑態(tài)金屬含量Ms、不活潑態(tài)金屬 含量M n;
[0012] 利用重金屬土壤多元轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型確定土壤中不同形態(tài)的重金屬以及各形態(tài) 間轉(zhuǎn)化關(guān)系：
[0013] 計(jì)算得到隨地表徑流、壤中流、滲透流進(jìn)行迀移的過程中從土壤中淋濾出的溶解 相重金屬量X flciw;
[0014] 依據(jù)公式Xs sed= Ms ^sed · ε計(jì)算得到吸附在土壤顆粒上隨地表徑流中的懸浮泥 沙迀移到河道的活潑態(tài)重金屬量Xs_d;
[0015] 依據(jù)公式Xn sed= Mn ^ed · ε計(jì)算得到吸附在土壤顆粒上隨地表徑流中的懸浮泥 沙迀移到河道的不活潑態(tài)重金屬量Xn_d;
[0016] 根據(jù)重金屬快速平衡假設(shè)理論保持研究區(qū)域的各態(tài)重金屬處于平衡狀態(tài)；
[0017] 依據(jù)公式
計(jì)算得到河道中通過沉降作用從懸移質(zhì)相中去 除進(jìn)入沉積相的活潑態(tài)重金屬量xs_stl;
[0018] 依據(jù)公式、
計(jì)算得到河道中通過沉降作用從懸移質(zhì)相中去 除進(jìn)入沉積相的不活潑態(tài)重金屬量xn_stl;
[0019] 依據(jù)公式
計(jì)算得到通過再懸浮從沉積相去除進(jìn)入懸移質(zhì) 相的活潑態(tài)重金屬量xs_"p;
[0020] 依據(jù)公式
計(jì)算得到通過再懸浮從沉積相去除進(jìn)入懸移質(zhì) 相的不活潑態(tài)重金屬量χη_"ρ;
[0021] 依據(jù)公式
計(jì)算得到通過擴(kuò)散作用從高濃度區(qū)域 向低濃度區(qū)域運(yùn)移的溶解相重金屬量Xdlf;
[0022] 依據(jù)公式
計(jì)算得到通過掩埋作用從沉積相中去除的活潑態(tài)重 金屬量Xs>;
[0023] 依據(jù)公式計(jì)算得到通過掩埋作用從沉積相中去除的不活潑態(tài) 重金屬量χη>;
[0024] 根據(jù)重金屬快速平衡假設(shè)理論保持研究區(qū)域的各態(tài)重金屬處于平衡狀態(tài)；
[0025] 依據(jù)所述重金屬量Xp、Xflmv、Xs sed、Xn sed、Xflciw中離子態(tài)重金屬含量X。3_和X flmv中 配合態(tài)重金屬含量Xllgand計(jì)算得到研究區(qū)域從點(diǎn)、面污染源進(jìn)入河道的各相態(tài)重金屬量；
[0026] 依據(jù)所述重金屬量 Xs stl、Xn stl、Xs rsp、Xn rsp、Xdlf、Xs bur、Xn bui^及公式 X ^x2 = X3 = l:KjL]Y:[Sed]Kd計(jì)算得到進(jìn)入河道的重金屬經(jīng)過沉降作用、再懸浮作用、擴(kuò)散作用、掩埋 作用以及平衡分配后流出河道的各相態(tài)重金屬含量；
[0027] 綜合各重金屬量計(jì)算得最終河道重金屬量；
[0028] 其中，[L]為土壤液相中溶解態(tài)有機(jī)物濃度，γ為配合反應(yīng)配位數(shù)取值范圍為0. 5 至1，Kd為是固-液分配系數(shù)，sed為產(chǎn)沙量，ε為重金屬富集系數(shù)，V s為重金屬沉降速度， depth為河道水深，Xs rch為河道中懸移質(zhì)相活潑態(tài)重金屬含量，Xn rch為河道中懸移質(zhì)相不 活潑態(tài)重金屬含量，T為河道中水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間，V1^為重金屬再懸浮速度，X S Sf；d為河道中底泥 相活潑態(tài)重金屬含量，Xn sf3d為河道中底泥相不活潑態(tài)重金屬含量，Vd為重金屬在河道邊界 層中的擴(kuò)散速度，[X] rch為河道中水相溶解態(tài)重金屬含量，[X] 為河道中沉積相溶解態(tài)重 金屬含量，Vb為重金屬掩埋速度，D srai為沉積層厚度，其中所述X i: x2: X3表示離子態(tài)、配合態(tài)、 活潑態(tài)重金屬快速平衡后之間的比例。
[0029] 優(yōu)選的，上述流域重金屬行為的動(dòng)態(tài)定量模擬方法中，所述獲取模擬研究區(qū)域重 金屬點(diǎn)源、面源污染的空間信息和采樣數(shù)據(jù)，包括：
[0030] 通過在點(diǎn)源處分時(shí)段多次采集得到采樣數(shù)據(jù)并測(cè)定其中溶解態(tài)重金屬含量，采用 GPS定位并記錄點(diǎn)源的經(jīng)煒度；
[0031] 通過實(shí)地調(diào)查和遙感影像的解譯獲得所述面源的坐標(biāo)位置和面積信息，在所述面 源的位置內(nèi)隨機(jī)布點(diǎn)采集廢礦渣、土壤樣品作為采樣數(shù)據(jù)，測(cè)定其中的活潑態(tài)、不活潑態(tài)重 金屬含量。
[0032] 優(yōu)選的，上述流域重金屬行為的動(dòng)態(tài)定量模擬方法中，所述依據(jù)所述采樣數(shù)據(jù)確 定模擬研究區(qū)域土壤中的活潑態(tài)金屬含量M s、不活潑態(tài)金屬含量Mn之后，還包括：
[0033] 依據(jù)重金屬土壤多元轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型中的公式
計(jì)算得到Ms = Kd · [M];
[0034] 依據(jù)重金屬土壤多元轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型中的公式，
計(jì)算得到
[ML] = Kl [M] [L]Y；
[0035] 其中，所述[Μ]為土壤液相中的溶解態(tài)重金屬濃度，[MLY]為土壤液相中配合態(tài)重 金屬濃度，[ML]為土壤液相中的配合物濃度。
[0036] 優(yōu)選的，上述流域重金屬行為的動(dòng)態(tài)定量模擬方法中，所述根據(jù)重金屬快速平衡 假設(shè)理論保持研究區(qū)域的各態(tài)重金屬處于平衡狀態(tài)，包括：
[0037] 判斷土壤中的有機(jī)物[L]含量，當(dāng)所述有機(jī)物[L]含量大于預(yù)設(shè)值時(shí)，根據(jù)重金屬 快速平衡假設(shè)理論保持研究區(qū)域活潑態(tài)重金屬M(fèi) n、離子態(tài)重金屬[M]、配合物結(jié)合態(tài)重金屬 [MLY]處于平衡狀態(tài)，當(dāng)所述有機(jī)物[L]含量小于預(yù)設(shè)值時(shí)，根據(jù)重金屬快速平衡假設(shè)理論 保持研究區(qū)域活潑態(tài)重金屬M(fèi) n、離子態(tài)重金屬[M]處于平衡狀態(tài)。
[0038] 優(yōu)選的，上述流域重金屬行為的動(dòng)態(tài)定量模擬方法中，所述根據(jù)重金屬快速平衡 假設(shè)理論保持研究區(qū)域活潑態(tài)重金屬M(fèi) n、離子態(tài)重金屬[M]、配合物結(jié)合態(tài)重金屬[MLY]處 于平衡狀態(tài)，包括：
[0039] 依據(jù)重金屬快速平衡假設(shè)理論和三種形態(tài)重金屬比例關(guān)系保持研究區(qū)域活潑態(tài) 重金屬M(fèi)n、離子態(tài)重金屬[M]、配合物結(jié)合態(tài)重金屬[ML Y]保持"三態(tài)"平衡狀態(tài)：
[0040] 其中所述三種形態(tài)重金屬比例關(guān)系為：[M] :MS: [MLY] = l:Kd:& · [L]Y;
[0041] 土壤中重金屬總量為：x = Xcatlcm+Xllgand+Xs= [SAT(1+[L] γ) + Ρ dKd] [Μ]
[0042] 其中，X為研究區(qū)域土層中的重金屬總量，乂^_為土層中離子態(tài)重金屬總量、 Xllgand為土層中配合態(tài)重金屬總量、Xs土層中活潑態(tài)重金屬總量，SAT為被土層中的飽和含 水量，P為土壤容重，d為土層厚度。
[0043] 優(yōu)選的，上述流域重金屬行為的動(dòng)態(tài)定量模擬方法中，所述計(jì)算得到隨地表徑流