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一種流域重金屬行為的動態定量模擬方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510288935.9

申請日:

2015.05.29

公開號:

CN105046043A

公開日:

2015.11.11

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 19/00申請日:20150529|||公開
IPC分類號: G06F19/00(2011.01)I 主分類號: G06F19/00
申請人: 北京師范大學
發明人: 孟耀斌; 周凌峰; 何壽亮; 逯超; 籍裴希
地址: 100875北京市海淀區新街口外大街19號
優先權:
專利代理機構: 北京集佳知識產權代理有限公司11227 代理人: 王寶筠
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510288935.9

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.11.10|||2015.12.09|||2015.11.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本申請公開了一種流域重金屬行為的動態定量模擬方法,在重金屬土壤多元轉化動力學模型和重金屬快速平衡假設理論的基礎上通過計算得到液相中的重金屬隨地表徑流、壤中流、滲透流進行遷移的過程中淋濾出土壤中的重金屬量、固相重金屬在遷移過程中吸附在土壤顆粒上后,隨地表徑流中的懸浮泥沙遷移到河道的重金屬量、河道中重金屬通過沉降作用從水體中去除的重金屬量、再懸浮從沉積相進入水體的重金屬量、溶解相重金屬通過擴散作用從高濃度區域向低濃度區域運移的重金屬量、掩埋作用從沉積相中去除的重金屬量,并通過對所得各重金屬量進行計算機模擬得到研究流域的重金屬濃度。

權利要求書

1.一種流域重金屬行為的動態定量模擬方法,其特征在于,應用于水文
模型SWAT模型中,包括:
獲取模擬研究區域重金屬點源、面源污染的空間信息和采樣數據;
依據所述采樣數據確定模擬研究區域以點源排放進入河道的重金屬量
Xp;
依據所述采樣數據確定模擬研究區域土壤中的活潑態金屬含量MS、不活
潑態金屬含量Mn;
利用重金屬土壤多元轉化動力學模型確定土壤中不同形態的重金屬以及
各形態間轉化關系;
計算得到隨地表徑流、壤中流、滲透流進行遷移的過程中從土壤中淋濾
出的溶解相重金屬量Xflow;
依據公式Xs_sed=Ms·sed·ε計算得到吸附在土壤顆粒上隨地表徑流中的懸
浮泥沙遷移到河道的活潑態重金屬量Xs_sed;
依據公式Xn_sed=Mn·sed·ε計算得到吸附在土壤顆粒上隨地表徑流中的懸
浮泥沙遷移到河道的不活潑態重金屬量Xn_sed;
根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域的各態重金屬處于平衡狀
態;
依據公式計算得到河道中通過沉降作用從懸移質相
中去除進入沉積相的活潑態重金屬量Xs_stl;
依據公式計算得到河道中通過沉降作用從懸移質相
中去除進入沉積相的不活潑態重金屬量Xn_stl;
依據公式計算得到通過再懸浮從沉積相去除進入懸
移質相的活潑態重金屬量Xs_rsp;
依據公式計算得到通過再懸浮從沉積相去除進入懸
移質相的不活潑態重金屬量Xn_rsp;
依據公式計算得到通過擴散作用從高濃度區
域向低濃度區域運移的溶解相重金屬量Xdif;
依據公式計算得到通過掩埋作用從沉積相中去除的活潑
態重金屬量Xs_bur;
依據公式計算得到通過掩埋作用從沉積相中去除的不活
潑態重金屬量Xn_bur;
根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域的各態重金屬處于平衡狀
態;
依據所述重金屬量Xp、Xflow、Xs_sed、Xn_sed、Xflow中離子態重金屬含量Xcation
和Xflow中配合態重金屬含量Xligand計算得到研究區域從點、面污染源進入河道
的各相態重金屬量;
依據所述重金屬量Xs_stl、Xn_stl、Xs_rsp、Xn_rsp、Xdif、Xs_bur、Xn_bur以及
公式x1:x2:x3=1:KL[L]γ:[sed]Kd計算得到進入河道的重金屬經過沉降作用、再懸
浮作用、擴散作用、掩埋作用以及平衡分配后流出河道的各相態重金屬含量;
綜合各重金屬量計算得最終河道重金屬量;
其中,[L]為土壤液相中溶解態有機物濃度,γ為配合反應配位數取值范
圍為0.5至1,Kd為是固-液分配系數,sed為產沙量,ε為重金屬富集系數,vs
為重金屬沉降速度,depth為河道水深,Xs_rch為河道中懸移質相活潑態重金屬
含量,Xn_rch為河道中懸移質相不活潑態重金屬含量,T為河道中水流運動時
間,vr為重金屬再懸浮速度,Xs_sed為河道中底泥相活潑態重金屬含量,Xn_sed
為河道中底泥相不活潑態重金屬含量,vd為重金屬在河道邊界層中的擴散速
度,[X]rch為河道中水相溶解態重金屬含量,[X]sed為河道中沉積相溶解態重
金屬含量,vb為重金屬掩埋速度,Dsed為沉積層厚度,其中所述x1:x2:x3表示離
子態、配合態、活潑態重金屬快速平衡后之間的比例。
2.根據權利要求1所述的流域重金屬行為的動態定量模擬方法,其特征
在于,獲取模擬研究區域重金屬點源、面源污染的空間信息和采樣數據,包
括:
通過在點源處分時段多次采集得到采樣數據并測定其中溶解態重金屬含
量,采用GPS定位并記錄點源的經緯度;
通過實地調查和遙感影像的解譯獲得所述面源的坐標位置和面積信息,
在所述面源的位置內隨機布點采集廢礦渣、土壤樣品作為采樣數據,測定其
中的活潑態、不活潑態重金屬含量。
3.根據權利要求1所述的流域重金屬行為的動態定量模擬方法,其特征
在于,在依據所述采樣數據確定模擬研究區域土壤中的活潑態金屬含量MS、
不活潑態金屬含量Mn之后,還包括:
依據重金屬土壤多元轉化動力學模型中的公式計算得到
Ms=Kd·[M];
依據重金屬土壤多元轉化動力學模型中的公式計算得
到[ML]=KL[M][L]γ;
其中,所述[M]為土壤液相中的溶解態重金屬濃度,[MLγ]為土壤液相中
配合態重金屬濃度,[ML]為土壤液相中的配合物濃度。
4.根據權利要求3所述的流域重金屬行為的動態定量模擬方法,其特征
在于,所述根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域的各態重金屬處于平
衡狀態,包括:
判斷土壤中的有機物[L]含量,當所述有機物[L]含量大于預設值時,根據
重金屬快速平衡假設理論保持研究區域活潑態重金屬Mn、離子態重金屬
[M]、配合物結合態重金屬[MLγ]處于平衡狀態,當所述有機物[L]含量小于
預設值時,根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域活潑態重金屬Mn、離
子態重金屬[M]處于平衡狀態。
5.根據權利要求4所述的流域重金屬行為的動態定量模擬方法,其特征
在于,所述根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域活潑態重金屬Mn、離
子態重金屬[M]、配合物結合態重金屬[MLγ]處于平衡狀態,包括:
依據重金屬快速平衡假設理論和三種形態重金屬比例關系保持研究區域
活潑態重金屬Mn、離子態重金屬[M]、配合物結合態重金屬[MLγ]保持“三
態”平衡狀態:
其中所述三種形態重金屬比例關系為:[M]:Ms:[MLγ]=1:Kd:KL·[L]γ;
土壤中重金屬總量為:X=Xcation+Xligand+Xs=[SAT(1+[L]γ)+ρdKd][M]
其中,X為研究區域土層中的重金屬總量,Xcation為土層中離子態重金屬
總量、Xligand為土層中配合態重金屬總量、Xs土層中活潑態重金屬總量,SAT為
被土層中的飽和含水量,ρ為土壤容重,d為土層厚度。
6.根據權利要求1所述的流域重金屬行為的動態定量模擬方法,其特征
在于,所述計算得到隨地表徑流、壤中流、滲透流進行遷移的過程中從土壤
中淋濾出的溶解相重金屬量Xflow的具體過程,包括:
判斷土壤中的有機物[L]含量是否大于預設值,如果是,采用公式
X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρdK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ]]>計算得到隨地表徑流、壤
中流、滲透流進行遷移的過程中從土壤中淋濾出的溶解相重金屬量Xflow;否則
采用公式計算得到隨地表徑流、壤中流、滲透流進
行遷移的過程中從土壤中淋濾出的溶解相重金屬量Xflow;
其中,為初始時刻研究區域土層中的重金屬總量,wmobile為當天流量,SAT為
被土層中的飽和含水量,ρ為土壤容重,d為土層厚度。
7.根據權利要求6所述的流域重金屬行為的動態定量模擬方法,其特征
在于,所述公式 X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρdK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ]]>的具體推
導過程,包括:
將公式X=[SAT(1+[L]γ)+ρdKd][M]代入公式得到公式:
dX dt = w mobile 1 + K L [ L ] γ SAT ( 1 + K L [ L ] γ ) + ρdK d X ; ]]>
依據時間t對公式進行積分得到淋濾出土壤的溶解態重金
屬量Xflow: X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρdK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ; ]]>
其中[M]為土壤液相中的溶解態重金屬濃度,[MLγ]為土壤液相中配合態重
金屬濃度。
8.根據權利要求6所述的流域重金屬行為的動態定量模擬方法,其特征在
于,所述公式的具體推導過程,包括:
將公式X=[SAT+ρdKd][M]代入公式得到公式:
依據時間t對公式進行積分得到淋濾出土壤的溶解態重金
屬量Xflow: X flow = X 0 ( 1 - exp ( w mobile SAT + K d ρd t ) ) ; ]]>
其中[M]為土壤液相中的溶解態重金屬濃度。
9.根據權利要求6所述的流域重金屬行為的動態定量模擬方法,其特征在
于,依據公式 X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρdK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ]]>計算得到隨
地表徑流、壤中流、滲透流進行遷移的過程中從土壤中淋濾出的溶解相重金
屬量Xflow后,還包括:
依據公式[M]:Ms:[MLγ]=1:Kd:KL·[L]γ、和
計算得到淋濾出土壤的溶解態重金屬Xflow中離子態重
金屬含量Xcation和配合態重金屬含量Xligand。

說明書

一種流域重金屬行為的動態定量模擬方法

技術領域

本發明涉及環境風險評估和環境管理領域,更具體地說,涉及一種流域
重金屬行為的動態定量模擬方法。

背景技術

由于人類對重金屬的開采、冶煉、加工等活動日益增多,導致重金屬大量
進入環境中。其中,礦區的重金屬污染尤為嚴重,隨意堆放的廢礦堆、設施
不全的尾礦庫以及廠區的排污口都是潛在的污染源。重金屬以點源(廠區排
污口)、面源(廢礦、廢渣、尾礦庫等)形式的排放會對流域的水環境、土
壤環境造成危害,影響居民健康和社會發展。

由于環境中重金屬的空間異質性以及重金屬本身的復雜性等,重金屬的遷
移轉化模擬較為復雜。目前國內外的遷移轉化模型不多,主要分為經驗模型、
整體模型和分相模型,經驗模型采用經驗關系式來描述重金屬遷移轉化與泥
沙運動之間的關系,使用簡單但適用性較差。整體模型是指將河流作為一個
整體,用質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遷
移轉化的復雜物理化學機制。分相模型則是把污染物在河流中的運動分成水
相、懸移質相和沉積相分別建立模型,但大多數未考慮重金屬在不同相中仍
存在不同形態,如水相中包括離子態和配合態等,不同形態重金屬遷移轉化
規律存在較大差別。

流域中重金屬的遷移主要分為兩種:垂向遷移和水平遷移。垂向遷移主要
指重金屬向下遷移污染深層土壤、地下水的過程以及毛細作用下的向上運移,
水平遷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
平遷移過程。目前對于重金屬垂向遷移的研究較多,模型較成熟。關于重金
屬的水平遷移研究較少,主要關注重金屬在河流中的遷移轉化,而對于重金
屬的入河前,即流域內淋洗、溶出、吸附等過程并未涉及,從而不能反映整
個流域重金屬釋放和遷移轉化的綜合過程。

SWAT模型對水文過程的模擬相當出色,同時可用于模擬具有多種土壤、
土地利用方式和管理條件的復雜流域內污染物的變化。SWAT模型在非點源
污染如氮、磷、化肥、殺蟲劑應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只能演算以點源形式輸
入河網的重金屬遷移過程,且僅僅是通過質量守恒方程來確定重金屬的運動
并不涉及重金屬各種形態之間的轉化。

綜上所述,如何實現重金屬行為的全流域模擬成為本領域技術人員亟待
解決的技術問題之一。

發明內容

本發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態定
量模擬方法,用于動態定量模擬流域中的重金屬行為。

一種流域重金屬行為的動態定量模擬方法,應用于水文模型SWAT模型
中,包括:

獲取模擬研究區域重金屬點源、面源污染的空間信息和采樣數據;

依據所述采樣數據確定模擬研究區域以點源排放進入河道的重金屬量
Xp;

依據所述采樣數據確定模擬研究區域土壤中的活潑態金屬含量MS、不活
潑態金屬含量Mn;

利用重金屬土壤多元轉化動力學模型確定土壤中不同形態的重金屬以及
各形態間轉化關系:

計算得到隨地表徑流、壤中流、滲透流進行遷移的過程中從土壤中淋濾
出的溶解相重金屬量Xflow;

依據公式Xs_sed=Ms·sed·ε計算得到吸附在土壤顆粒上隨地表徑流中的懸
浮泥沙遷移到河道的活潑態重金屬量Xs_sed;

依據公式Xn_sed=Mn·sed·ε計算得到吸附在土壤顆粒上隨地表徑流中的懸
浮泥沙遷移到河道的不活潑態重金屬量Xn_sed;

根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域的各態重金屬處于平衡狀
態;

依據公式計算得到河道中通過沉降作用從懸移質相
中去除進入沉積相的活潑態重金屬量Xs_stl;

依據公式計算得到河道中通過沉降作用從懸移質相
中去除進入沉積相的不活潑態重金屬量Xn_stl;

依據公式計算得到通過再懸浮從沉積相去除進入懸
移質相的活潑態重金屬量Xs_rsp;

依據公式計算得到通過再懸浮從沉積相去除進入懸
移質相的不活潑態重金屬量Xn_rsp;

依據公式計算得到通過擴散作用從高濃度區
域向低濃度區域運移的溶解相重金屬量Xdif;

依據公式計算得到通過掩埋作用從沉積相中去除的活潑
態重金屬量Xs_bur;

依據公式計算得到通過掩埋作用從沉積相中去除的不活
潑態重金屬量Xn_bur;

根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域的各態重金屬處于平衡狀
態;

依據所述重金屬量Xp、Xflow、Xs_sed、Xn_sed、Xflow中離子態重金屬含量Xcation
和Xflow中配合態重金屬含量Xligand計算得到研究區域從點、面污染源進入河道
的各相態重金屬量;

依據所述重金屬量Xs_stl、Xn_stl、Xs_rsp、Xn_rsp、Xdif、Xs_bur、Xn_bur以及
公式x1:x2:x3=1:KL[L]γ:[sed]Kd計算得到進入河道的重金屬經過沉降作用、再懸
浮作用、擴散作用、掩埋作用以及平衡分配后流出河道的各相態重金屬含量;

綜合各重金屬量計算得最終河道重金屬量;

其中,[L]為土壤液相中溶解態有機物濃度,γ為配合反應配位數取值范
圍為0.5至1,Kd為是固-液分配系數,sed為產沙量,ε為重金屬富集系數,vs
為重金屬沉降速度,depth為河道水深,Xs_rch為河道中懸移質相活潑態重金屬
含量,Xn_rch為河道中懸移質相不活潑態重金屬含量,T為河道中水流運動時
間,vr為重金屬再懸浮速度,Xs_sed為河道中底泥相活潑態重金屬含量,Xn_sed
為河道中底泥相不活潑態重金屬含量,vd為重金屬在河道邊界層中的擴散速
度,[X]rch為河道中水相溶解態重金屬含量,[X]sed為河道中沉積相溶解態重
金屬含量,vb為重金屬掩埋速度,Dsed為沉積層厚度,其中所述x1:x2:x3表示離
子態、配合態、活潑態重金屬快速平衡后之間的比例。

優選的,上述流域重金屬行為的動態定量模擬方法中,所述獲取模擬研
究區域重金屬點源、面源污染的空間信息和采樣數據,包括:

通過在點源處分時段多次采集得到采樣數據并測定其中溶解態重金屬含
量,采用GPS定位并記錄點源的經緯度;

通過實地調查和遙感影像的解譯獲得所述面源的坐標位置和面積信息,
在所述面源的位置內隨機布點采集廢礦渣、土壤樣品作為采樣數據,測定其
中的活潑態、不活潑態重金屬含量。

優選的,上述流域重金屬行為的動態定量模擬方法中,所述依據所述采
樣數據確定模擬研究區域土壤中的活潑態金屬含量MS、不活潑態金屬含量Mn
之后,還包括:

依據重金屬土壤多元轉化動力學模型中的公式計算得到
Ms=Kd·[M];

依據重金屬土壤多元轉化動力學模型中的公式計算得
到[ML]=KL[M][L]γ;

其中,所述[M]為土壤液相中的溶解態重金屬濃度,[MLγ]為土壤液相中
配合態重金屬濃度,[ML]為土壤液相中的配合物濃度。

優選的,上述流域重金屬行為的動態定量模擬方法中,所述根據重金屬
快速平衡假設理論保持研究區域的各態重金屬處于平衡狀態,包括:

判斷土壤中的有機物[L]含量,當所述有機物[L]含量大于預設值時,根據
重金屬快速平衡假設理論保持研究區域活潑態重金屬Mn、離子態重金屬
[M]、配合物結合態重金屬[MLγ]處于平衡狀態,當所述有機物[L]含量小于
預設值時,根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域活潑態重金屬Mn、離
子態重金屬[M]處于平衡狀態。

優選的,上述流域重金屬行為的動態定量模擬方法中,所述根據重金屬
快速平衡假設理論保持研究區域活潑態重金屬Mn、離子態重金屬[M]、配合
物結合態重金屬[MLγ]處于平衡狀態,包括:

依據重金屬快速平衡假設理論和三種形態重金屬比例關系保持研究區域
活潑態重金屬Mn、離子態重金屬[M]、配合物結合態重金屬[MLγ]保持“三
態”平衡狀態:

其中所述三種形態重金屬比例關系為:[M]:Ms:[MLγ]=1:Kd:KL·[L]γ;

土壤中重金屬總量為:X=Xcation+Xligand+Xs=[SAT(1+[L]γ)+ρdKd][M]

其中,X為研究區域土層中的重金屬總量,Xcation為土層中離子態重金屬
總量、Xligand為土層中配合態重金屬總量、Xs土層中活潑態重金屬總量,SAT為
被土層中的飽和含水量,ρ為土壤容重,d為土層厚度。

優選的,上述流域重金屬行為的動態定量模擬方法中,所述計算得到隨
地表徑流、壤中流、滲透流進行遷移的過程中從土壤中淋濾出的溶解相重金
屬量Xflow的具體過程,包括:

判斷土壤中的的有機物[L]含量是否大于預設值,如果是,采用公式
X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρ dK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ]]>計算得到隨地表徑流、壤
中流、滲透流進行遷移的過程中從土壤中淋濾出的溶解相重金屬量Xflow;否則
采用公式計算得到隨地表徑流、壤中流、滲透流進
行遷移的過程中從土壤中淋濾出的溶解相重金屬量Xflow;

其中,為初始時刻研究區域土層中的重金屬總量,wmobile為當天流量,SAT為
被土層中的飽和含水量,ρ為土壤容重,d為土層厚度,。

優選的,上述流域重金屬行為的動態定量模擬方法中,所述公式
X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρ dK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ]]>的具體推到過程,包括:

將公式X=[SAT(1+[L]γ)+ρdKd][M]代入公式得到公式:

dX dt = w mobile 1 + K L [ L ] γ SAT ( 1 + K L [ L ] γ ) + ρdK d X ; ]]>

依據時間t對公式進行積分得到淋濾出土壤的溶解態重金
屬量Xflow: X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρ dK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ; ]]>

其中[M]為土壤液相中的溶解態重金屬濃度,[MLγ]為土壤液相中配合態重
金屬濃度。

8、根據權利要求6所述的流域重金屬行為的動態定量模擬方法,其特征在
于,所述公式的具體推導過程,包括:

將公式X=[SAT+ρdKd][M]代入公式得到公式:

依據時間t對公式進行積分得到淋濾出土壤的溶解態重金
屬量Xflow: X flow = X 0 ( 1 - exp ( w mobile SAT + K d ρd t ) ) ; ]]>

其中[M]為土壤液相中的溶解態重金屬濃度。

優選的,上述流域重金屬行為的動態定量模擬方法中,所述依據公式
X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρ dK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ]]>計算得到隨地表徑流、壤
中流、滲透流進行遷移的過程中從土壤中淋濾出的溶解相重金屬量Xflow后,還
包括:

依據公式[M]:Ms:[MLγ]=1:Kd:KL·[L]γ、和
計算得到淋濾出土壤的溶解態重金屬Xflow中離子態重
金屬含量Xcation和配合態重金屬含量Xligand。

本申請公開的流域重金屬行為的動態動態模擬方法,在重金屬土壤多元
轉化動力學模型和重金屬快速平衡假設理論的基礎上通過計算得到液相中的
重金屬隨地表徑流、壤中流、滲透流進行遷移的過程中淋濾出土壤中的重金
屬量、固相重金屬在遷移過程中吸附在土壤顆粒上后,隨地表徑流中的懸浮
泥沙遷移到河道的重金屬量、河道中重金屬通過沉降作用從水體中去除的重
金屬量、再懸浮從沉積相進入水體的重金屬量、溶解相重金屬通過擴散作用
從高濃度區域向低濃度區域運移的重金屬量、掩埋作用從沉積相中去除的重
金屬量,并通過對所得各重金屬量進行計算即模擬得到研究流域的重金屬濃
度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案,下面將對實
施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面
描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例,對于本領域普通技術人員來講,
在不付出創造性勞動的前提下,還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為土壤中重金屬的物質平衡圖;

圖2為本申請實施例公開的一種流域重金屬行為模擬方法的流程圖;

圖3為水體中重金屬的物質平衡圖;

圖4為研究區:瀏陽河上游流域;

圖5為寶山河沿河控制點重金屬Zn監測和模擬濃度;

圖6為物種生物敏感性分布擬合曲線及其PH5。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖,對本發明實施例中的技術方案進行
清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅是本發明一部分實施例,而不
是全部的實施例。基于本發明中的實施例,本領域普通技術人員在沒有做出
創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發明保護的范圍。

本發明在經典水文模型SWAT的基礎上添加了重金屬模塊,以使改進后
模型能夠實現對流域重金屬遷移轉化的模擬。該方法共分為5個步驟:

1、研究區調查和采樣

首先詳細調查研究區工礦企業,確定點源、面源地理坐標和排污情況。
點源以實地調查為主,在生產廢水、生活污水排污口分時段多次采集水樣,
采樣點用GPS定位并記錄其經緯度,采集水樣送回實驗室采用電感耦合等離
子體質譜儀(ICP-MS)測定其中重金屬含量。重金屬面源位置和面積通過實
地調查和遙感影像的解譯獲得(主要為礦區和廢礦、尾礦等裸露重金屬源)。
面源位置和面積確定后隨機采集面源上廢礦渣、土壤樣品,送回實驗室測定
其中重金屬含量。為驗證重金屬遷移轉化模型的模擬效果,在污染源下游河
流斷面設置控制點分時段多次采集河流水樣。

2、點、面污染源輸入

在模型設計方面,點源污染直接排入河道,而面源污染通過降水淋溶后
隨水沙排入河道。點源、面污染源調查結果整理成表,輸入文件形式具體見
表1-4。

表1點源輸入文件


表2面源輸入文件


表3與點源輸入文件有關變量

DATE
日期
FLODAY
某天點源的排放量(m3)
SEDDAY
某天點源泥沙的排放量(ton)
CMTL1DAY
某天進入河道的1號重金屬量(kg)
CMTL2DAY
某天進入河道的2號重金屬量(kg)
CMTL3DAY
某天進入河道的3號重金屬量(kg)

表4與面源輸入文件有關變量

Metal
重金屬序號
HML Area Fraction
Hru中重金屬面源面積占比
HML Source Strength after weathering(kg/ha)
風化后重金屬源強
HML in Rock(kg/ha)
巖石中重金屬含量
HML Exchangeable(mg/kg)
土壤中活潑態重金屬含量
HML Non-labile(mg/kg
土壤中惰性態重金屬含量
HML enrichment
重金屬富集系數

3、重金屬模塊構建

主要的技術基礎包括:重金屬土壤多元轉化動力學模型;重金屬快速“三
態”平衡假設;重金屬遷移轉化與水沙過程的耦合。在SWAT源代碼的基礎
上將上述過程公式化后編成代碼以實現計算。

3.1重金屬土壤多元轉化動力學模型

重金屬在土壤固相中存在活潑態、不活潑態,液相中有離子態和配合態。
綜合重金屬不同形態之間的相互轉化情況,可得到干濕條件下的重金屬遷移
轉化多元動力學模型如圖1所示。

上述模型中存在三個反應關系式,如式1-3所示:




其中,Mn表示不活潑重金屬的濃度,單位為mg/kg;MS表示活潑重金屬
的濃度,單位為mg/kg;[M]表示溶液中金屬離子的濃度,單位為mg/L,[L]
表示溶液中配合物配體L的濃度,單位為mg/L,[MLγ]表示溶液中配合物ML的
濃度,單位為mg/L。γ表示配合反應配位數,k-1、k1表示重金屬不活潑態與
活潑態之間的轉化速率,kdes、kads表示重金屬不活潑態與離子態之間的轉化速
率,ka、kd表示重金屬離子態與配合物態之間的轉化速率。

3.2重金屬快速“三態”平衡假設

本方法運用重金屬快速平衡理論,用以論證指出固相活潑態、液相水溶
態、液相配合物結合態三個形態之間在水文過程的時間尺度上能快速達到平
衡狀態。(DegryseandSmoldersetal,2009)總結了大量的實驗,得到方程(4),
若該式成立,則可認為液相離子態重金屬與固相活潑態重金屬吸附解析過程
遠快于水文過程的時間尺度。

v · T c λ < 0.1 - - - ( 4 ) ]]>

上式中,v指土壤中水的流速,單位cm/s;Tc為平衡反應的響應時間單位
為s;λ土壤的彌散度,單位cm。一般在溫帶濕潤地區土壤中水的流速為1m/s,
λ保守設為1cm,在此情況下只要平衡反應的響應時間小于9h,則平衡假設成
立。申請人經過查閱大量相關文獻得到重金屬的平衡反應相應時間都遠遠小
于9h,即32400s(如表5所示)。

表5不同重金屬平衡反應響應時間

重金屬元素
Cd
Cu
Ni
Zn
Tc(s)
700
3000
800
300

本方法依據重金屬固液分配系數的概念(如式5所示),

Kd=MS/[M](5)

其中,Ms是土壤中固相活潑態重金屬元素的含量,單位mg/kg;[M]是
土壤液相中離子態重金屬含量,單位mg/L;Kd為固液分配系數,單位L/kg。

土壤中離子態、配合態和固相活潑態重金屬的平衡推導如下:

Ms=Kd[M](6)

[ML]=KL[M][L]γ(7)

如果不考慮固相不活潑態重金屬,單位面積重金屬總量

X=SAT[M]+SAT[ML]+ρdMs(8)

其中,SAT為土壤飽和水力傳導系數,單位mm,ρ為土壤密度,單位
kg/dm3,d為土壤層厚度,單位mm,KL配合反應平衡常數;

對公式(6)、(7)帶入(8)可得

X=[SAT(1+KL[L]γ)+ρdKd][M](9)

則在此X總量中,

離子態的比例:

x 1 = X cation X = SAT SAT ( 1 + K L [ L ] γ ) + ρdK d = 1 1 + K L [ L ] γ + ρdK d / SAT - - - ( 10 ) ]]>

配合態的比例:

x 2 = X ligand X = K L [ L ] γ 1 + K L [ L ] γ + ρdk d / SAT - - - ( 11 ) ]]>

活潑態的比例:

x 3 = X sorbed X = ρdK d / SAT 1 + K L [ L ] γ + ρdK d / SAT - - - ( 12 ) ]]>

根據所述公式(10)、(11)和(12),可實現對土壤中重金屬三種形
態的平衡分配。

河道(水體)中離子態、配合態和固相活潑態重金屬的平衡推導如下:

Ms=Kd[M](13)

[ML]=KL[M][L]γ(14)

重金屬總量:

X=Wtr[M]+Wtr[ML]+SEDMs(15)

X=Wtr(1+KL[L]γ+Kd[SED])[M](16)

其中,Wtr為水量,單位m3;[SED]表示水中泥沙的含量,kg/m3。

則在此X總量中,

離子態的比例

x 1 = X cation X = 1 1 + K L [ L ] γ + [ SED ] K d - - - ( 17 ) ]]>

配合態的比例

x 2 = X ligand X = K L [ L ] γ 1 + K L [ L ] γ + [ SED ] K d - - - ( 18 ) ]]>

活潑態的比例

x 3 = X sorbed X = [ SED ] K d 1 + K L [ L ] γ + [ SED ] K d - - - ( 19 ) ]]>

同樣,根據公式(17)、(18)、(19)可實現對河道中三種形態重金
屬的平衡分配。

3.3重金屬遷移轉化與水沙過程的耦合。

本方法中依據土壤動力學轉化模型和重金屬快速“三態”平衡假設,將
流域重金屬遷移轉化行為與水沙過程相耦合,構建重金屬遷移轉化模塊。該
模塊主要包括重金屬陸面演算、河道重金屬演算、水體(水庫、池塘等)重
金屬演算。

重金屬遷移轉化與水沙過程的耦合過程具體包括:

3.3.1重金屬陸面演算

(1)液相重金屬的遷移(以只考慮離子態與活潑態為例)

液相中的重金屬可以隨地表徑流,壤中流,滲透流進行遷移。

dX dt = w mobile [ M ] - - - ( 20 ) ]]>

X表示研究區域土層中所有的重金屬的量,單位為kg/ha,wmobile表示研究
區域水流量,單位為mm。

研究區域土壤中重金屬總量X:

X=Xwater+Wsolid=SAT[M]+ρdMs(21)

將公式(2)代入(21)得

X=(SAT+Kdρd)[M](22)

將(22)代入(21)得

dX dt = w mobile ( SAT + K d ρd ) X - - - ( 23 ) ]]>

SAT表示土層中的飽和含水量,單位為mm,ρ為土壤容重,單位kg/m3,
d為土層厚度,單位mm。

將(24)對時間進行t積分得

X = X 0 exp ( w mobile SAT + k d ρd t ) - - - ( 24 ) ]]>

由此可得淋濾出土壤的重金屬量

X flow = X 0 ( 1 - exp ( w mobile SAT + K d ρd t ) ) - - - ( 25 ) ]]>

其中Xflow為液相中的重金屬隨地表徑流、側向流、滲透流進行遷移的過程
中淋濾出土壤中的重金屬量,單位為kg/ha.

(2)固相重金屬的遷移

吸附在土壤顆粒上的重金屬可以通過地表徑流遷移到河道水體中。

Xs_sed=Ms·sed·ε(26)

Xn_sed=Mn·sed·ε(27)

Xs_sed、Xn_sed表示吸附在土壤顆粒上隨地表徑流中的懸浮泥沙遷移到河
道的活潑態、不活潑態重金屬量,單位kg/ha;sed表示某天的產沙量,ε為重金
屬富集系數。

(3)重金屬的風化作用

重金屬風化作用是指重金屬含量較高的巖石礦物經風化作用形成松散堆
積的過程,風化產物進入土壤補充土壤重金屬總量。

(4)不活潑態重金屬的轉化

重金屬的轉化是在土壤中不活潑態重金屬轉化為活潑態重金屬的過程。
3.3.2河道重金屬演算

河道中重金屬演算主要包括沉降作用、再懸浮作用、擴散作用以及掩埋
作用。

(1)沉降作用

通過沉降作用從水體中去除的重金屬量:

X s _ stl = v s depth · X s _ rch · T ( 28 ) ]]>

X n _ stl = v s depth · X n _ rch · T ( 29 ) ]]>

其中Xs_stl、Xs_stl為河道中通過沉降作用從懸移質相中去除進入沉積相的
活潑態、不活潑態重金屬量,單位kg;vs為沉降速度,單位m/d;depth為水
深,單位m;Xs_rch表示河道中活潑態重金屬含量,單位kg,Xn_rch表示河道中
不活潑態重金屬含量,單位為kg,T為水流運動時間。

(2)再懸浮作用

通過再懸浮從沉積相進入水體的重金屬量:

X s _ rsp = v r depth · X s _ sed · T ( 30 ) ]]>

X n _ rsp = v r depth · X n _ sed · T ( 31 ) ]]>

其中Xs_rsp、Xn_rsp為河道中再懸浮從沉積相去除進入懸移質相的活潑態、
不活潑態重金屬量,單位kg;vr為再懸浮速度,單位m/d;depth為河道水深,
單位為m。Xs_sed為河道中沉積相活潑態重金屬含量,單位kg,Xn_sed為河道中
沉積相不活潑態重金屬含量,單位為kg。T為水流運動時間。

(3)擴散作用

溶解相重金屬通過擴散作用從高濃度區域向低濃度區域運移:

X dif = | v d depth · ( [ X ] rch - [ X ] sed ) · T | - - - ( 32 ) ]]>

其中,Xdif為通過擴散作用從高濃度區域向低濃度區域運移溶解態重金屬量,
單位為kg;vd為河道邊界層中重金屬的擴散速度,單位m/d;depth為河道水
深,單位m。[X]rch為河道水相可溶解態重金屬含量,單位kg,[X]sed為河道
沉積相可溶解態重金屬含量,單位kg,T為水流運動時間。

(4)掩埋作用

通過掩埋作用從沉積相中去除的重金屬量:

X s _ bur = v b D sed · X s _ sed ( 33 ) ]]>

X n _ bur = v b D sed · X n _ sed ( 34 ) ]]>

其中Xs_bur、Xn_bur為河道中掩埋作用從沉積相中去除的活潑態、不活潑態
重金屬量,單位kg;vb為再懸浮速度,單位為m/d;Dsed為河道沉積層厚度,
單位m,Xs_sed和Xn_sed分別表示河道沉積相中活潑態和不活潑態重金屬含量,
單位kg。T為水流運動時間。

3流域水文過程模擬和驗證

因為SWAT模型在水沙模擬方面的突出表現,本方法基于SWAT模型開
發重金屬模塊,來模擬流域重金屬的遷移轉化。因此,SWAT模型對流域水
文過程的模擬效果,是本方法首先要保證的內容。SWAT模型需要的數據包
括流域數字高程圖(DEM)、土壤分類和屬性、土地利用圖、氣象站雨量站
數據、水文站水沙數據及水庫湖泊等數據。SWAT模型建模后,需預先結合
歷史水文數據對模型參數進行率定,確保河流流量和輸沙量的模擬值和實測
值的一致性。

5、流域重金屬模型模擬效果驗證

在流域水文過程模擬得到驗證的基礎上,輸入點、面土壤源數據,運行
代碼實現流域重金屬行為的模擬,得到流域中各河段重金屬含量。將河道重
金屬實測值與模型模擬值做比較,驗證模型模擬效果,得到預測精度,如果
預測精度不在預設范圍內,則通過調整重金屬模塊的相關參數對模擬過程進
行調整,已確保對流域重金屬的遷移轉化的準確模擬。

綜上,參見圖2本申請,公開的流域重金屬行為的動態定量模擬方法可
以包括:

步驟S101:獲取模擬研究區域重金屬點源、面源污染的空間信息和采樣
數據;

該步驟具體包括:首先詳細調查研究區域工礦企業,確定點源、面源地
理坐標和排污情況。點源以實地調查為主,在生產廢水、生活污水排污口分
時段多次采集水樣,采樣點用GPS定位并記錄其經緯度,采集水樣送回實驗
室采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定其中各項重金屬含量。重金
屬面源位置通過實地調查和遙感影像的解譯獲得(主要為礦區和廢礦、尾礦
等裸露重金屬源)。面源位置確定后隨機采集面源上廢礦渣、土壤樣品,送
回實驗室測定其中各項重金屬含量。為對比重金屬遷移轉化模型的模擬效果,
在污染源下游河流斷面設置控制點并分時段多次采集河流水樣。

步驟S102:依據所述采樣數據確定模擬研究區域以點源排放進入河道的
重金屬量Xp、確定模擬研究區域土壤中的活潑態金屬含量MS、不活潑態金屬
含量Mn

步驟S103:利用重金屬土壤多元轉化動力學模型確定土壤中不同形態的
重金屬以及各形態間轉化關系;

其中重金屬各形態間轉化關系為:

步驟S104:計算得到隨地表徑流、壤中流、滲透流進行遷移的過程中從
土壤中淋濾出的溶解相重金屬量Xflow;

該步驟具體為:判斷土壤中的有機物[L]含量與預設值的大小,當土壤中
的有機物[L]含量大于預設值時,采用公式
X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρ dK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ]]>計算得到隨地表徑流、壤
中流、滲透流進行遷移的過程中從土壤中淋濾出的溶解相重金屬量Xflow;

當所述土壤中的有機物[L]含量小于預設值時采用公式
計算得到隨地表徑流、壤中流、滲透流進行遷移的
過程中從土壤中淋濾出的溶解相重金屬量Xflow;

其中,所述公式 X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρ dK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ]]>的推
導過程為:將公式X=[SAT(1+[L]γ)+ρdKd][M]代入公式得到公
式: dX dt = w mobile 1 + K L [ L ] γ SAT ( 1 + K L [ L ] γ ) + ρdK d X ; ]]>

依據時間t對公式進行積分得到淋濾出土壤的溶解態重金
屬量Xflow: X flow = X 0 · exp ( w mobile SAT + ρ dK d t ) · ( K L [ L ] 0 γ e w mobile γt + SAT + ρdK d SAT ) 1 γ ρdK d SAT ( SAT + ρdK d ) ; ]]>

所述公式 X flow = X 0 ( 1 - exp ( w mobile SAT + K d ρd t ) ) ]]>的推導過程為:

將公式X=[SAT+ρdKd][M]代入公式得到公式:

依據時間t對公式進行積分得到淋濾出土壤的溶解態重金
屬量Xflow: X flow = X 0 ( 1 - exp ( w mobile SAT + K d ρd t ) ) ; ]]>

步驟S105:計算得到吸附在土壤顆粒上隨地表徑流中的懸浮泥沙遷移到
河道的活潑態重金屬量Xs_sed、吸附在土壤顆粒上隨地表徑流中的懸浮泥沙遷
移到河道的不活潑態重金屬量Xn_sed;

其具體過程為:依據公式Xs_sed=Ms·sed·ε計算得到吸附在土壤顆粒上隨地
表徑流中的懸浮泥沙遷移到河道的活潑態重金屬量Xs_sed;依據公式
Xn_sed=Mn·sed·ε計算得到吸附在土壤顆粒上隨地表徑流中的懸浮泥沙遷移到
河道的不活潑態重金屬量Xn_sed;

步驟S106:根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域的各態重金屬處
于平衡狀態;

該步驟具體包括:判斷土壤中的有機物[L]含量,當所述有機物[L]含量大
于預設值時,根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域活潑態重金屬Mn、
離子態重金屬[M]、配合物結合態重金屬[MLγ]處于平衡狀態,當所述有機
物[L]含量小于預設值時,根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域活潑態
重金屬Mn、離子態重金屬[M]處于平衡狀態;

其中,所述根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域活潑態重金屬Mn、
離子態重金屬[M]、配合物結合態重金屬[MLγ]處于平衡狀態,包括:

依據重金屬快速平衡假設理論和三種形態重金屬比例關系保持研究區域
活潑態重金屬Mn、離子態重金屬[M]、配合物結合態重金屬[MLγ]保持“三
態”平衡狀態:

其中所述三種形態重金屬比例關系為:[M]:Ms:[MLγ]=1:Kd:KL·[L]γ;

土壤中重金屬總量為:X=Xcation+Xligand+Xs=[SAT(1+[L]γ)+ρdKd][M]

其中,X為研究區域土層中的重金屬總量,Xcation為土層中離子態重金屬
總量、Xligand為土層中配合態重金屬總量、Xs土層中活潑態重金屬總量。

步驟S107:計算得到河道中通過沉降作用從懸移質相中去除進入沉積相
的活潑態重金屬量Xs_stl、河道中通過沉降作用從懸移質相中去除進入沉積相
的不活潑態重金屬量Xn_stl、通過再懸浮從沉積相去除進入懸移質相的活潑態重
金屬量Xs_rsp、通過再懸浮從沉積相去除進入懸移質相的不活潑態重金屬量
Xn_rsp、通過擴散作用從高濃度區域向低濃度區域運移的溶解相重金屬量Xdif、
通過掩埋作用從沉積相中去除的活潑態重金屬量Xs_bur、掩埋作用從沉積相中
去除的不活潑態重金屬量Xn_bur;

該步驟具體過程為:通過依據水體中重金屬的物質平衡模型(如圖3所
示),對水中重金屬各個重金屬模態之間的轉換進行分析,依據公式
計算得到河道中通過沉降作用從懸移質相中去除進入沉
積相的活潑態重金屬量Xs_stl;依據公式計算得到河道中通
過沉降作用從懸移質相中去除進入沉積相的不活潑態重金屬量Xn_stl;依據公
式計算得到通過再懸浮從沉積相去除進入懸移質相的活
潑態重金屬量Xs_rsp;依據公式計算得到通過再懸浮從沉
積相去除進入懸移質相的不活潑態重金屬量Xn_rsp;依據公式
計算得到通過擴散作用從高濃度區域向低濃度區
域運移的溶解相重金屬量Xdif;依據公式計算得到通過掩埋
作用從沉積相中去除的活潑態重金屬量Xs_bur;依據公式計算
得到通過掩埋作用從沉積相中去除的不活潑態重金屬量Xn_bur;

步驟S108:根據重金屬快速平衡假設理論保持研究區域的各態重金屬處
于平衡狀態;

步驟S109:計算得到研究區域從點、面污染源進入河道的各相態重金屬
量;

具體為依據所述重金屬量Xp、Xflow、Xs_sed、Xn_sed、Xflow中離子態重金屬
含量Xcation和Xflow中配合態重金屬含量Xligand計算得到研究區域從點、面污染源
進入河道的各相態重金屬量;

步驟S1010:計算得到進入河道的重金屬經過沉降作用、再懸浮作用、擴
散作用、掩埋作用以及平衡分配后流出河道的各相態重金屬含量;

具體為:依據所述重金屬量Xs_stl、Xn_stl、Xs_rsp、Xn_rsp、Xdif、Xs_bur、Xn_bur
以及公式x1:x2:x3=1:KL[L]γ:[sed]Kd計算得到進入河道重金屬經過沉降作用、再
懸浮作用、擴散作用、掩埋作用以及平衡分配后流出河道的各相態重金屬含
量;

步驟S1011:綜合各重金屬量計算得最終河道重金屬量;

其中,[M]為土壤液相中的溶解態重金屬濃度,[L]為土壤液相中溶解態
有機物濃度,[MLγ]為土壤液相中配合態重金屬濃度,γ為配合反應配位數取
值范圍為0.5至1,X0為初始時刻研究區域土層中的重金屬總量,wmobile為當天流
量,SAT為被土層中的飽和含水量,Kd為是固-液分配系數,ρ為土壤容重,d
為土層厚度,sed為產沙量,ε為重金屬富集系數,vs為重金屬沉降速度,depth
為河道水深,Xs_rch為河道中懸移質相活潑態重金屬含量,Xn_rch為河道中懸移
質相不活潑態重金屬含量,T為河道中水流運動時間,vr為重金屬再懸浮速度,
Xs_sed為河道中底泥相活潑態重金屬含量,Xn_sed為河道中底泥相不活潑態重金
屬含量,vd為重金屬在河道邊界層中的擴散速度,[X]rch為河道中水相溶解態
(包括離子態和配合態)重金屬含量,為[X]sed為河道中沉積相溶解態(包括
離子態和配合態)重金屬含量,vb為重金屬掩埋速度,Dsed為沉積層厚度,其
中所述x1:x2:x3表示離子態、配合態、活潑態重金屬快速平衡后之間的比例。

可以理解的是,上述方法中,在依據所述采樣數據確定模擬研究區域土
壤中的活潑態金屬含量MS、不活潑態金屬含量Mn之后,還包括:

依據重金屬土壤多元轉化動力學模型中的公式計算得到
Ms=Kd·[M];

依據重金屬土壤多元轉化動力學模型中的公式計算得
到[ML]=KL[M][L]γ;

KL為配合反應平衡常數。

可見本申請實施例公開的流域重金屬行為的動態動態模擬方法,在重金
屬土壤多元轉化動力學模型和重金屬快速平衡假設理論的基礎上通過計算得
到液相中的重金屬隨地表徑流、壤中流、滲透流進行遷移的過程中淋濾出土
壤中的重金屬量、固相重金屬在遷移過程中吸附在土壤顆粒上后,隨地表徑
流中的懸浮泥沙遷移到河道的重金屬量、河道中重金屬通過沉降作用從水體
中去除的重金屬量、再懸浮從沉積相進入水體的重金屬量、溶解相重金屬通
過擴散作用從高濃度區域向低濃度區域運移的重金屬量、掩埋作用從沉積相
中去除的重金屬量,并通過對所得各重金屬量進行計算即模擬得到研究流域
的重金屬濃度。

本申請上述實施例公開的上述方法中還可依據公式
x1:x2:x3=1:KL[L]γ:[sed]Kd計算離子態、配合態、活潑態“三態”快速平衡后各
形態所占比例,其具體過程為:

將公式Ms=Kd[M]、[ML]=KL[M][L]γ帶入公式X=Wtr[M]+Wtr[ML]+SEDMs

得X=Wtr(1+KL[L]γ+Kd[SED])[M],且各形態重金屬比例為:

離子態的比例 x 1 = X cation X = 1 1 + K L [ L ] γ + [ SED ] K d ]]>

配合態的比例 x 2 = X ligand X = K L [ L ] γ 1 + K L [ L ] γ + [ SED ] K d ]]>

活潑態的比例 x 3 = X sorbed X = [ SED ] K d 1 + K L [ L ] γ + [ SED ] K d ]]>

其中,Wtr為水量,單位m3;[SED]表示水中泥沙的含量,kg/m3。

下面以湖南瀏陽河上游流域重金屬Zn行為模擬為例對流域重金屬行為模
擬技術做進一步說明并展示該技術在水生生態風險評估中的運用。

本例中,研究區為瀏陽河上游流域(見圖4),該流域位于湖南長沙市東
部,與江西省交界,流域面積約1990平方公里。其中大溪河支流寶山河流域
內有多處礦區:鉛鋅礦、鐵礦和金礦。對當地土壤、水體環境造成潛在風險。

SWAT模型的構建需要研究區DEM、土地覆蓋、土壤分類和氣象水文等
數據,具體數據參數如表6所示。

表6SWAT模型建模數據


本例中,SWAT模型的模擬時間為2007年1月1日到2013年9月30日,
將2007年作為預熱期,2008到2010年作為率定期,而2011年到2013年9
月作為驗證期。本例采用決定系數R2,相對誤差Re以及Nash-Sutcliffe效率
系數對SWAT模型的模擬效果進行率定和驗證,結果(見表7)表明徑流模
擬率定期和驗證期Re均小于0.1,Ns均大于0.84,R2均大于0.90;泥沙模擬
率定期和驗證期相對誤差均小于0.05,Ns均大于0.80,R2均大于0.81。可以
看出SWAT模型在該流域的水沙模擬效果相當出色。

表7瀏陽河上游流域SWAT模型徑流、泥沙模擬結果評價


本例中,點源污染來自礦山廢水、礦區生活廢水等向寶山河的直接排水面
源位置由對遙感影像中廢礦堆和礦區的目視解譯和實地調研確定。源濃度均
通過實地調研數據估計而來,同時對礦區所在子流域外區域設置了背景值。
根據點、面源輸入位置,在改進SWAT模型中設置控制點,實測河流重金屬
濃度,來檢驗模擬對重金屬的模擬效果。

模型對流域的模擬結果顯示,寶山河出口、永和鎮大橋和雙江口(流域總
出口)的重金屬Zn的6年平均濃度分別為0.079mg/L、0.010mg/L和0.005
mg/L,與前期監測濃度基本相符,說明模型對重金屬Zn的流域整體模擬效果
較好。按所設置的監測控制點,分別對2013年7月11日和9月22日寶山河
河流模擬濃度進行分析(如圖5),可以發現河流重金屬濃度隨點源重金屬輸
入濃度的協同變化得到較好模擬,河水流向下游過程中重金屬Zn濃度逐漸降
低到背景值附近,其重金屬Zn濃度下降趨勢與實際符合較好。以上兩方面驗
證了該模型對瀏陽河上游流域重金屬Zn遷移轉化有較好的模擬效果。

本例結合SSD方法,將模擬河段中重金屬水相暴露濃度表征為水生物種
受影響比例(FA),用以定量表征各河段重金屬水環境風險。

本例中,選用日本NEDO技術開發機構和產業技術綜合研究所化學物質
風險管理研究中心編著的《鋅詳細風險評價書》中所介紹的物種敏感性分布
方法及其數據。用對數正態分布對其進行擬合得到重金屬Zn的SSD擬合曲
線(如圖6),該曲線可以表征不同濃度的Zn對于水生生物物種敏感性的程
度。已知模型模擬的流域各河段重金屬液相濃度,則可通過SSD曲線獲得該
濃度預計會導致的“影響物種比例”(FractionAffected,FA),用以表征水生環
境風險。

本例中,模型模擬有效時間為2008年1月1日到2013年9月30日,共
2100天。利用各河段的平均濃度(日濃度的均值)來計算預計影響物種比例,
河段內重金屬Zn平均濃度預計影響物種的比例(FA)分為6級,分別為
0-0.001、0.001-0.01、0.01-0.05、0.05-0.1、0.1-0.3和>0.3。一般認為FA小于
0.05時認為風險可以接受(HC5概念)。由經過對結果進行分析,在當前重金
屬Zn點、面源輸入設置下,高風險河段主要為寶山河流域的河段,其FA數
值幾乎全部高于1%,大部分高于5%。其流域內存在礦區點、面源輸入,FA
在礦區鄰近下游達到30%以上,隨著河水向下游遷移,FA逐漸降低,最后在
寶山河出口處已在5%以下,匯入大溪河后其重金屬Zn風險水平更低,已不
到0.1%。寶山河流域內重金屬Zn水生生態風險已明顯高出正常水平,需要
得到重視。

綜合瀏陽河重金屬Zn生態風險分析來看,其高風險主要分布于寶山河流
域,這與其流域內礦區開采伴隨的重金屬Zn的點、面源輸入有直接關系;而
瀏陽河流域其它河段在個別模擬天(最高值)時會存在較高風險,這些河段
主要為瀏陽河的較大干流,其來自上游的水、沙匯入較多,從而在某些特定
情況下獲得液相較高的重金屬Zn濃度,從而對水生生態產生較高風險。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述,每個實施例重點說明的都
是與其他實施例的不同之處,各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明,使本領域專業技術人員能夠實現或使用
本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易
見的,本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下,
在其它實施例中實現。因此,本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例,
而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。

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一種 流域 重金屬 行為 動態 定量 模擬 方法
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