重金属污染物的传播

科技信息高校理科研究

影响污染物在土壤中运移的因素分析

覃邦余１黄汉明２李小勇１

（１．广西师范大学物理与电子工程学院２．广西师范大学计算机科学与信息工程学院）

［摘要］本文使用包含了土壤固相吸附解吸作用的对流—扩散方程的解析解，模拟在不同参数条件下，污染物在土

结果发现，土壤含水率，土－水分配系数，达西速度和扩壤中的迁移过程，分析了各个参数对污染物运移过程的影响。

散速度对污染物在土壤中的运移均有影响，其中土－水分配系数的影响最大。［关键词］污染物运移因素０．引言

土壤是人类生存的最基本的资源。随着社会的发展和工农业生产活动的增加，“工业三废”、农业生产中使用的农药和化肥，以及日常活动产生的垃圾等废弃物越来越多。“工业三废”、农药和化肥以及生活废弃物经过循环，排入大气、水体和土壤中。排入大气的废气等污染物经雨水冲刷等过程最终会进入土壤中；而排入水体的污染物，主要通过灌溉等方式，也会进入土壤中。因此，土壤是各种污染物的汇，也就是可以说，土壤是各种污染物的最终累积处。土壤一旦被污染，极有可能会污染地

了解和明晰污染物在土壤中的下水，要治理就很困难了。所以，

迁移、转化过程，建立一个合理的迁移转化模型分析土壤运移的各种因素是完全必要的，这可为土壤和地下水污染物的防治决策提供科学依据。

１．污染物在土壤中迁移、转化的数学模型

１．１仅考虑对流—扩散时污染物在饱和土壤中的迁移、转

［１，２］

化的数学模型可以表述为：

鄣ｃ＝Ｄ鄣（鄣ｃ）－ｖ鄣ｃ（１）ｉｊｉ

ｉｉｉ

式中ｃ代表污染物在任一时刻的浓度，Ｄｉｊ表示扩散张量，ｘｉ

表示各个方向的坐标，ｖｉ表示土壤孔隙水流在ｉ方向的达西速度。在仅考虑纵向一维的情况下，可简写为：

２

鄣ｃ＝Ｄ鄣ｃ－ｖ鄣ｃ（２）１．２考虑有吸附解吸的污染物在土壤中迁移、转化的纵向一维数学模型为［２］：

２

（１＋ρｋｄ）鄣ｃ＝Ｄ鄣ｃ－ｖ鄣ｃ（３）θ为土壤含水率，ｋｄ为土—水分配率。其中ρ为土壤密度，

若令Ｒｄ＝１＋ρｋｄＲｄ称为阻滞因子，则（３）式可写成：

２

Ｒｄ鄣ｃ＝Ｄ鄣－ｖ鄣ｃ（３’）２

２．数学模型的解析解一般来说，偏微分方程很难求解出解析解，但是在特定的初始条件和边界条件下，还是可以求得它的解析解。

２．１数学模型的初始条件和边界条件

假设污染物输入土壤中为一恒定的浓度，而且该污染物在土壤中只发生解吸和吸附不会产生其他的效应，则以（３’）计算，初始条件和边界条件分别为：

ｃ（０，０）＝ｃ０，ｃ（ｚ，０）＝０，ｚ＞０（４）－Ｄ鄣ｃ＋ｖｃｚ＝０＝ｖｃ０，ｔ＞０（５）鄣ｃ＝０（６）ｚ→∞

２．２数学模型的解析解

在上述的初始条件和边界条件下，可以求得污染物在土壤中迁移、转化的一维数学模型（３’）的解析解为［２］：

ｃ（ｚ，ｔ）＝ｃ０Ａ（ｚ，ｔ），ｔ＞０（７）

其中：

１Ａ（ｘ，ｔ）＝１ｅｒｆｃ２（ＤＲｄｔ）

Ｒｄｚ－ｖｔ

鄣

Ｒｄｚ＋ｖｔ２

１＋＋ｅｘｐ（ｖｚ）ｅｒｆｃ

２ｄ２（ＤＲｄｔ）

鄣

鄣鄣鄣

＋

d

２

２

（Ｒｄｚ－ｖｔ）２

ｅｘｐ－－１

ｄ（８）

３．数学模型仿真算例

运用（７）式对一假设的污染物泄漏源进行仿真。假设某个工厂持续排放废水，所排放的废水中含某种污染物的浓度恒定，所

Ｄ＝０．００５ｍ／ｄ［３］，取参数ρ＝１．５ｇ／ｃｍ３，θ＝０．３，ｋｄ＝０．３８ｃｍ３／ｇ，ｖ＝０．０２５ｍ／ｄ，

模拟了废水排放的时间为５０ｄ，１００ｄ，２００ｄ，３００ｄ后污染物在土壤溶液中的浓度分布情况，结果如图１所示：

图１不同时刻相对浓度分布图

鄣图２含水率不同时相对浓度在ｔ＝３００ｄ的分布图

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速、污染物的弥散速度的影响，其中受到分配系数和达西速度

实际的污染物在土壤的影响比较大。本文的模型比较理想化，

中的运移过程还会受到很多因素的影响，所以在以后的研究中还须提出更加接近实际的模型，为定量计算污染物在土壤中运移过程中的浓度分布，防止更大范围的污染和采取相应的防治措施提供科学依据。

图３分配率不同时ｔ＝３００ｄ的相对浓度分布图

从图１中可以看出在０．１ｍ处以内的相对浓度一直比较高，５０ｄ时，污染物滞留在１ｍ以内，２００ｄ的时候扩散到２ｍ以外，３００ｄ的时候到了３ｍ处。从图中也可以看出随着时间的推移，相对浓度有所减少，但是在相当长的距离内却保持着相同的浓度。经过一定的时间污染物就会到达地下水层，污染地下水，对人类的健康造成影响。

４．各参数对污染物迁移转化的影响４．１含水率

其他参数不变进行计算，看含水率θ分别取θ＝０．２，０．３，０．４，

对迁移、转化过程的影响。在此，仅对ｔ＝３００ｄ的连续排放的情况进行仿真，结果如图２所示。从图中可以看到含水率对污染物的迁移过程有一定的影响，当θ＝０．２时，经过３００ｄ，污染物只能到达２．５ｍ以内的距离，当θ＝０．４时，就迁移到了３．５ｍ的地方。这也说明了土壤中的含水率比较高时，污染物随水运动比较快。而且从图中也可以看出含水率比较大的时候相对浓度也比较大，就说明土壤固相对污染物的吸附较小。

４．２分配系数

分配系数反应了土壤对污染物的吸附能力，它的值越大表明土壤吸附污染物的能力越强，在这里分别取ｋｄ＇＝０．０３８ｃｍ３／ｇ，０．１９ｃｍ３／ｇ，０．３８ｃｍ３／ｇ，１．９ｃｍ３／ｇ，３．８ｃｍ３／ｇ，其他参数不变进行计算，在此仅对ｔ＝３００ｄ的连续排放的情况进行仿真，结果如图３所示。从图中可以看出分配系数对污染物的迁移过程的影响还是很大的，当ｋｄ＇＝０．５ｋｄ＝０．１９ｃｍ３／ｇ时，污染物在３００ｄ时能迁移到接近５ｍ的地方，当分配系数增大１０倍即５ｋｄ＝１．９ｃｍ３／ｇ的时候污染物就只能滞留在１ｍ以内了。由此也可以得到启发：为了防止污染物在土壤中的远距离输运，可以增大污染物在土壤中的分配系数。

４．３达西速度

分别取ｖ＇＝０．０１２５ｍ／ｄ，０．０２５ｍ／ｄ，０．１２５ｍ／ｄ，其他参数不变进行计算，在此仅对ｔ＝３００ｄ的连续排放的情况进行仿真，结果如图４所示。从图中可以看出污染物随水运动的速度与土壤孔隙的达西速度几乎成正比。

４．４扩散速度

分别取Ｄ＇＝０．０００５ｍ／ｄ，０．００２５ｍ／ｄ，０．００５ｍ／ｄ，０．０２５ｍ／ｄ，０．０５ｍ／ｄ，其他参数不变进行计算，在此仅对ｔ＝３００ｄ的连续排放的情况进行仿真，结果如图５所示。从图中可以看出扩散速度越大，相对浓度越小，这说明污染物在土壤水溶液中的含量降低，而在土壤固相中的含量增大，也就是说污染物大部分都已经扩散到土壤固相中，被滞留在土壤中。

５结论

污染物泄露排放到土壤中，在土壤中运移过程主要受到土壤的含水率、污染物的土壤－水分配系数、土壤的孔隙平均流—

图４平均孔隙流速不同ｔ＝３００ｄ的相对浓度分布图

图５弥散速度不同时，ｔ＝３００ｄ的浓度分布图

参考文献

［１］王秉忱等．地下水污 …… 此处隐藏：1365字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……