土壤中重金屬運(yùn)移的數(shù)值模擬及不確定性分析.pdf

1、隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，土壤中重金屬污染日益嚴(yán)重，給人類的生存安全帶來了嚴(yán)重的威脅。為了搞清重金屬Cu、Cd、Zn、Pb在土壤中運(yùn)移轉(zhuǎn)化的機(jī)理，本文分別以石英砂、壤砂土及層狀分布土壤(壤土-砂壤土)為介質(zhì)，模擬了重金屬Cu、Cd、Zn、Pb在石英砂中的運(yùn)移行為并進(jìn)行了參數(shù)敏感度分析；探討了SiO2膠體及膠體影響下Zn、Cd在壤砂土中的運(yùn)移特征及數(shù)值模擬；對重金屬Cu、Cd、Zn在層狀分布土壤中的運(yùn)移行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬；采用基于貝

2、葉斯理論的GLUE方法對溶質(zhì)運(yùn)移模型參數(shù)的不確定性進(jìn)行了研究分析，主要研究成果如下：
　　 ⑴耦合Freundlich等溫吸附的兩點(diǎn)非平衡模型(Two Site NonequilibriumModel，TSM)對石英砂中重金屬Cu、Cd、Zn、Pb運(yùn)移穿透曲線(BTCs)的擬合效果較好(確定性系數(shù)R2>0.9，均方根誤差RMSE≤0.8E-3)，石英砂對重金屬的吸附作用以動力學(xué)吸附為主(平衡吸附點(diǎn)位分?jǐn)?shù)f較小)。參數(shù)的敏感度分析

3、結(jié)果表明，影響重金屬Cu、Cd、Zn、Pb出流濃度峰值大小的最敏感參數(shù)為吸附特征參數(shù)β，其次為飽和水力傳導(dǎo)率Ks；影響峰值出流時間最敏感的參數(shù)為Ks，其次為β；Ks和β對模擬結(jié)果的RMSE影響較大，控制著模擬結(jié)果的濃度分布，其他參數(shù)則對模擬結(jié)果影響較小。
　　 ⑵SiO2膠體在土壤中能較早地穿透，耦合沉淀-釋放反應(yīng)的對流-彌散方程可以很好地描述膠體在土壤中的運(yùn)移。耦合Freundlich等溫吸附的單點(diǎn)非平衡模型(One Site

4、 Nonequilibrium Model，OSM)能較好地模擬Zn、Cd在壤砂土中的運(yùn)移，土壤對Zn、Cd的吸附亦以動力學(xué)反應(yīng)為主，壤砂土吸附表面的不均一性較強(qiáng)(吸附特性參數(shù)β較小)。SiO2膠體對壤砂土中Zn、Cd的運(yùn)移產(chǎn)生了不同的影響，SiO2膠體促進(jìn)了Zn的運(yùn)移，但對Cd的運(yùn)移有抑制；膠體作用下的溶質(zhì)運(yùn)移模型成功地模擬了SiO2膠體存在時Zn、Cd的運(yùn)移過程。
　　 ⑶層狀分布土壤中，Cu、Cd、Zn單獨(dú)存在時，土壤對C

5、d運(yùn)移的阻滯能力最大。Cu、Cd、Zn共存時，由于Cu的競爭吸附能力較強(qiáng)，土壤對Cu運(yùn)移的阻滯能力最大，Cd次之，Zn最??；另外，Zn的出流濃度在近峰值處大于初始濃度(c/c0>1)，出現(xiàn)了“滾雪球效應(yīng)(snow plow effect)”。對各土層分別求得的飽和含水量θs和彌散度λ能很好地模擬層狀分布土壤中Br-的運(yùn)移。耦合Freundlich等溫吸附的OSM模型成功地模擬了Cu、Cd、Zn的運(yùn)移，模擬結(jié)果在一定程度上反映了層狀分布土

6、壤對重金屬的吸附特性，但模型參數(shù)存在著一定的不確定性。
　　 ⑷數(shù)值分析結(jié)果表明，飽和穩(wěn)定流條件下，層狀分布土壤的土層疊置順序?qū)θ苜|(zhì)的出流濃度沒有影響，但對土壤剖面溶質(zhì)的濃度分布影響較大。
　　 ⑸溶質(zhì)運(yùn)移模型參數(shù)的不確定性研究結(jié)果表明，僅對θs和λ進(jìn)行反演時，θs和λ的可識別性較強(qiáng)，且θs的區(qū)域敏感度大于λ。對耦合Freundlich等溫吸附的兩點(diǎn)非平衡模型參數(shù)進(jìn)行識別時，由于參數(shù)間的相互影響，θs和λ的可識別性降低；

7、吸附特性參數(shù)kF具有較大的不確定性，參數(shù)后驗(yàn)分布基本呈均勻分布，可識別性較差，β、ω、f的取值區(qū)間相對收斂，參數(shù)的后驗(yàn)分布呈類正態(tài)分布，可識別性較強(qiáng)。K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明，參數(shù)區(qū)域敏感度由高到底的排序?yàn)閒、ω、β、kF、θs，這主要是因?yàn)槭⑸皩u的吸附以動力學(xué)反應(yīng)為主，而f和ω是與動力學(xué)吸附反應(yīng)相關(guān)的兩個參數(shù)。
　　 ⑹層狀分布土壤的水力學(xué)參數(shù)θs1、λ1、θs2、λ2的不確定性分析結(jié)果表明，參數(shù)在取值范圍內(nèi)分布比較均勻，“異