VOCs迁移至土壤环境的数值模拟研究

李晓昕 王顼

摘要：Hydrus-1D中的热-溶质运移模型能够较准确地模拟VOCs从大气环境进入土壤环境的复杂连锁反应过程。在已有溶质运移模型的基础上，Hydrus-1D添加了“滞边界层”用来模拟vocs在土一气界面上发生的涉及物理、化学、生物的转化过程以及温度对这一过程的影响作用。建立的均质、各向同性、稳态、不考虑根系吸收作用的模型计算结果表明：土柱热容量、VOCS溶质浓度的模拟计算值相对误差均值为0.232%；参数反验算表明，土壤贮存热容量的反验算值Csoi与计算值Csoil相吻合，证实了所建立的VOCs热一溶质运移数值模型的精度较高。

关键词：Hydrus-1D；VOCs；热-溶质运移模型

中图分类号：X53 文献标志码：A

前言

陆气相互作用，即陆地表面与大气之间的热量、动量、水分交换，是目前陆气相互作用模型的主要关注方向（如表1所示）。挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）通常参与大气环境中的光化学反应过程，其反应－传输过程涉及三相的变化同时伴随物理－化学－生物转化的发生。近年来土壤污染研究的热点在于金属／非金属元素类等物质随大气迁移并伴随干湿沉降进入土壤环境的过程，且多为沉积机制或元素含量－土壤深度分布的实验报告，鲜有关注VOCs类迁移的模型探讨：例如周亚龙等在对雄安新区土壤富硒性分布规律研究后发现，各钻孔垂直剖面中的硒含量总体趋势为表层富集，小麦籽实中硒含量与根系土壤中硒含量呈现显著性相关（r=0.77，P<0.01）的特点；郑雄伟等的试验对比发现了人类活动中的灌溉行为是重金属元素输入土壤环境的主要途径，Hg、As、Cr、Cu、Cd的输入通量是工业大气沉降途径的23倍至2倍不等。在化学非均衡吸附模型和物理非均衡溶质运移模型的基础上，Hydrus-1D通过添加滞边界层来概化VOCs进入土壤环境时的气相－液相状态（如图1所示），辅以傅里叶定律（Fourier's Law）对这一过程热通量变化的描述，较好地解决了VOCs类污染物从大气环境迁移进入土壤环境数学建模的问题。

1Hydrus-1D中的VOCs运移理论模型

滞边界层是一个用来描述VOCs在陆气相互作用面上所发生热量交换、溶质扩散等过程的假想模块（通常情况下厚度d=0.5 cm），Hydrus-1D将滞边界层嵌入到双区一双孔隙度模型（如图1（a））和双位吸附模型（图1（b））中综合描述VOCs从大气环境迁移至土壤环境中的连锁反应过程。

地表土壤热通量是大气－地表之间物质、能量交换过程中的关键部分，热传导过程可分为忽略水汽运移作用（式（1）－式（4》与考虑水汽运移作用（式（5）、式（6》两种状态的形式；引起土壤热通量变化的3种主要作用，热传导、达西土壤水分运动以及根系吸水分别对应式（1）中右侧的3个数学表达式，当处于饱和介质中时（S=0，此时无根系吸水作用发生），式（1）可导出式（2）的表达形式。当考虑水的相变引起土壤热通量变化时，需要引入傅里叶定律加以描述（式（5》，即土壤的热通密度值（式（5）左侧）为显热传导、显热对流、水汽显热和水汽感热量之和（分别对应式（5）中右侧的4个数学表达式）；此时描述土壤蒸汽扩散、温度变化（T）、压力水头（h）及导水率（Kch、Eor）在x方向上的变化由Richard方程的变形形式表达（式（6））。表观导热系数／热导率由式（7）-式（9）计算得出，数值由土壤结构按照质地不同形态的比例确定。