土壤重金属复合污染整体模型研究

李莹等

摘 要 在重金属迁移建模研究成果的基础上，考虑土壤对重金属的吸附特性，推导出土壤重金属复合污染物迁移转化整体模型.为求解该模型，分别引进Langmuir等温竞争吸附模型与土壤水分迁移模型.最后，以重金属Zn和Cd为例，数值模拟其在土壤中的垂向迁移过程，并利用MATLAB画出相关图形.

关键词 土壤；重金属；复合污染

中图分类号 O213.9 文献标识码 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

土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是生态系统的重要组成部分[1].近年来，随着工业的发展，特别是采矿与冶炼的迅速发展，使得重金属对土壤的污染越来越严重[2-4].土壤重金属污染是指人为因素有意或无意的将对人类本身和其他生命有害的物质施加到土壤中，使其某种成分的含量明显高于原有含量，并引起土壤环境质量恶化的现象[5].因其能沿食物链富集、放大，较低浓度的重金属便可能损害自然生态系统和人体健康，所以如何有效地减少和修复重金属污染，缓解其对人体、生物和生态环境的危害，是当今环境领域所面临的难题之一[6，7].现实环境中的重金属污染多为多元素共存所造成的复合污染， 而且各种污染元素之间还存在着某种形式的联合作用.因此， 研究如何较好的表征重金属的复合污染的综合效应， 实现对重金属复合污染的预测、评价和防治，具有重大的现实意义[8].由于土壤及地下水重金属污染具有隐蔽性以及地下重金属运移具有很多的不确定性，并且人们对重金属在地下水中的弥散机理和各种化学反应过程都了解不够，目前对重金属在土壤中迁移转化的整体模拟不多，大多数是对这一系统的分散的零碎的研究，并没有将这些过程联系起来综合研究，而且其多考虑单一重金属污染，对重金属复合污染数学模型的研究很少.

本文综合前人所建立的模型， 将重金属在土壤中的迁移转化作为一个整体进行研究，并加入复合污染因素，推导出土壤重金属复合污染整体模型.对模型进行数值模拟时，为了模型准确性 ，对Langmuir模型和土壤水分迁移模型进行改进，用以说明土壤重金属复合污染整体模型中参数之间的关系，而不是简单的以常数代替参数.最后以重金属Zn和Cd为例，显示模型的应用步骤.

2 重金属复合污染迁移转化模型

土壤由泥沙颗粒、孔隙水和孔隙气组成，即重金属在土壤中由固相、液相和气相组成.地表表层土体是非饱和土，地表深层土体是含地下水的土，为饱和土.从地表向下，土壤一般分为两个带，上面是非饱和带，下面是饱和带.

与重金属在水体中的迁移转化模型类似[9，10]，目前更适合建立重金属复合污染迁移转化的整体模型，而不是分相模型（分别就固相，液相，气相颗粒建立模型）.基于这一结论和土壤中迁移建模的成果，简化的结果和概念在本文中将推广和延伸，应用于推导重金属在土壤中迁移转化三维方程中[11].

在土壤中取一个控制体dx，dy，dz，假定它由泥沙颗粒空间、孔隙水空间和空隙气体空间三部分组成.土壤中的重力水通过孔隙向下流失，假定其空隙大小没有改变，即孔隙度水空间是常数.忽略生物化学作用传质，不考虑生物体对重金属的富集，忽略孔隙中的泥沙运动.对于泥沙颗粒浓度的变化，吸附解吸是生化反应的主要机理.

为了推导方便，首先定义下列参数：

6 结 论

本文首先推导了土壤中重金属复合污染整体模型，为了对该模型进行数值模拟，分别引进Langmuir等温竞争吸附模型与土壤水分迁移模型，得出固相浓度Si与液相浓度Ci的关系以及液相渗流速度q与含水率θ的数值表达式，并利用Matlab画出含水率随时间和垂向距离变化图.最后运用所得模型对重金属Zn，Cd进行数值模拟，利用Matlab分别画出Zn和Cd的液相浓度随垂向距离和时间t的变化图.从图看出：深度增加，含水率减少，土壤中Zn，Cd浓度减少；Zn，Cd共存时吸附量明显小于单一离子存在时的吸附量；土壤的吸附使重金属的迁移明显滞后；土壤中Zn的竞争吸附能力大于Cd的.endprint

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