流域重金属迁移模型研究进展

刘连华,张晴雯,王依滴,顾 翔

流域重金属迁移模型研究进展

刘连华1,张晴雯1,王依滴2*,顾 翔3

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业清洁流域团队,北京 100081；2.北京大学环境科学与工程学院,水沙科学教育部重点实验室,北京 100871；3.北京师范大学环境学院,北京 100875)

论述了流域重金属的主要来源和迁移机理,梳理了目前常用的经验模型和机理模型的特点,比较了两类模型在流域重金属迁移模拟中的优缺点.结果表明,从简单线性或非线性的经验模型到考虑随着水文和土壤侵蚀等迁移转化过程的机理模型,流域重金属迁移模型的适用范围逐渐扩大、模拟精度不断提高,在重金属污染负荷估算和水质预测等方面发挥了重要作用.经验模型对基础数据要求较低,计算过程相对简单,适用于数据缺乏流域的重金属污染负荷宏观评估.机理模型对数据量和数据精度要求较高,结构复杂,可实现对重金属迁移过程较为细致的模拟.同时,提出了多模型耦合开发和应用、不同迁移路径的机理研究和重金属污染溯源解析模拟是未来流域重金属迁移模型研究的重点,为流域重金属模型应用、模型改进和重金属污染溯源提供科学依据.

重金属；模型模拟；迁移转化；过程机理；研究趋势

随着工业化、城市化和农业集约化进程的不断加快,大量重金属通过自然活动和矿产资源开采利用等人类活动进入环境,在生物、物理及化学作用下累积到土壤中,并随降雨/融雪径流和土壤侵蚀等水文过程进入周边水体,导致严重的环境污染[1-2].重金属种类较多,在环境污染研究中特别关注的重金属主要包括生物毒性显著的汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属(As),以及兼具营养元素和生物毒性的铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)等.重金属毒性强,在环境中不可生物降解,但易被农作物、植物和水生生物吸收,通过食物链对人体造成危害,对粮食和食品安全以及人类健康产生严重影响[3-4].国务院和生态环境部等国家部门发布的相关土壤污染防治行动计划及重金属行业污染防控的意见中强调深入开展重点行业重金属污染综合治理,有效管控重点区域重金属污染,体现了我国对于重金属污染防治的决心.及时掌握流域重金属污染时空分布和入河入江流失情况,有助于更好地把握重金属对生态环境和人类健康的潜在不利影响,是重金属污染高效精准防控的前提.

流域重金属迁移过程复杂,影响因素众多,包括重金属本身特性和土地利用类型等[5-6].同时,重金属迁移过程与降雨/融雪径流和土壤侵蚀等过程密切相关,重金属污染具有较大的时空变异性和不确定性[7].由于室内模拟、田间试验及区域监测只是特定观测尺度的结果,难以反映长时间流域重金属迁移转化特征,因此模型被广泛应用于重金属流失负荷的模拟[8-9].近年来,学者们陆续开发了统计性经验模型和机理性过程模型,可以在田块、较小河流支流流域和较大干流如长江黄河流域等多种尺度开展突发污染事件和长期积累污染不同情景下的重金属污染负荷模拟[10-15].目前,已有针对土壤重金属污染空间分布[16]、土壤中重金属累积预测模型[17]、水环境中重金属的存在形态和迁移转化规律[18]以及河流重金属迁移转化数学模型研究[19]等某一个方面的发展和应用的系统研究.然而,对流域重金属迁移转化行为预测模型的发展现状和未来研究重点,缺乏系统性和综合性的认知.在系统梳理流域重金属来源的基础上,基于重金属迁移转化机理构建适用于流域重金属迁移模拟的模型工具,仍是目前重金属污染研究关注的重点和难点.

基于上述背景,本文系统阐述流域重金属来源和迁移机理,梳理国内外重金属污染流失模型的主要特点、应用情况和优缺点,归纳现有模型在污染来源、参数输入等方面的关键问题.在此基础上提出流域重金属迁移模型未来研究展望,为模型的改进和应用提供科学依据.

1 流域重金属的主要来源及迁移途径

重金属主要来源为自然和人为来源.自然来源以成土母质为主,人为来源按人类活动类型分为农业源、工业源和生活源等[20].随着社会经济的发展,频繁的人类活动成为影响重金属污染最主要的因素.不同来源重金属通过大气沉降、雨雪径流、土壤侵蚀、土壤淋溶等途径进入周边水土环境(图1).

1.1 农业源

农业源主要包括农业生产活动(如化肥施用、农药喷施、污水灌溉、地膜覆盖等)产生的重金属污染[21].一方面,肥料和农药施用可导致重金属直接进入土壤;另一方面,肥料和农药施用改善作物生长,有机肥施用可增加土壤有机质与重金属作用形成络合物,提高重金属的生物有效性,增加重金属污染风险[22-23].某些地区引污灌溉,导致重金属通过土壤-作物系统、土壤-水系统迁移,进而随食物链累积对人体构成威胁[24-25].此外,在农业生产过程中,添加有Pb、Cd、Zn、锡、钡等重金属元素的农用地膜老化破碎遗留在土壤中,增加了土壤中相关重金属元素含量,改变重金属生物有效性,对土壤环境安全和作物生长构成威胁[26-27].

1.2 工业源

工业生产活动(如矿山开采、金属冶炼、燃煤电厂等)是影响流域重金属污染的重要来源.矿山开采中会产生废石、尾矿以及高浓度重金属酸性废水,给周边环境造成潜在的重金属污染[28].例如,研究表明湖南锡矿山锑矿区周边土壤锑(Sb)高达271～ 3640mg/kg、河流水体中Sb高达0.0053～309mg/L,远远高于WHO推荐的含量[29].由于矿产开采,广西刁江沿岸土壤受到As、Pb、Cd、Zn等多种重金属复合污染[30].工业生产过程中“三废”排放导致周边水、土和大气均受到影响,从而导致重金属污染[31].未净化达标的工业废水漏排或污水灌溉到农田,富集有大量重金属元素的工业废渣露天堆放于地上,以及煤燃烧产生携带重金属的废气,经过大气沉降、雨雪径流、土壤侵蚀等进入土壤和周边水体,造成不同程度的重金属污染[32-33].

1.3 生活源

日常生活过程中生活垃圾的不恰当处理,如随意丢弃的电池等废弃物会向周围环境释放大量重金属污染物[34].在塑料生产加工过程中,重金属通常被作为阻燃剂和增塑剂,当遇到外界环境条件刺激时,Pb、Cr、Cd等重金属会从塑料中浸出,对周围环境造成潜在威胁[35-36].此外,汽车尾气和汽车轮胎磨损产生的大量有害气体和粉尘,造成重金属污染物在公路边表层土壤累积[37].

图1 流域重金属主要来源及迁移途径

2 流域重金属的迁移机理

2.1 土壤中重金属的迁移机理

重金属与土壤活性组分发生物理、化学以及生物界面过程,使重金属时空分布、形态和总量发生变化[17].物理过程中对流过程使重金属从一个地方迁移至另一个地方,弥散作用使其在空间范围发生变化,被土壤胶体吸附或包裹在土壤颗粒的重金属离子、土壤溶液中重金属离子或可溶于水的螯合物可随水体迁移[38-39].化学过程包括沉淀、溶解、离子交换等,可改变固相中重金属的组成和结构、液相中重金属的组成和种类、固相结构和液相流动性[38].生物过程指重金属被植物吸收后积累在植物体内,或植物残体分解后重金属重新回到土壤中,或植物收获后被动物人类食用迁移到其他地方[40-41].

2.2 土壤-水体中重金属的迁移机理

土壤重金属进入水体主要通过土壤侵蚀、雨雪径流和土壤淋溶三种方式.当发生雨雪侵蚀时,颗粒态重金属随着侵蚀泥沙迁移,其输出量与降雨/降雪量及泥沙流失量有直接关系[42];当发生降雨径流时,溶解态重金属随地表径流迁移,其输出量与土壤溶解态和颗粒态重金属的比例有关[10];表层重金属会随着土壤流进入深层土壤,可随侧向流(壤中流)进入河流或地下水系统[43].土壤-水体系统中重金属迁移受水文气象、土壤性质、坡长坡度、土地利用等多因素影响[44-45].另外,重金属性质、氧化还原电位、初始土壤含水量、有机质含量等是影响土壤-水体中重金属的迁移转化的重要因素[46-48].

2.3 流域水体中重金属的迁移机理

进入河流、湖泊等水体的重金属迁移主要为溶解态、悬浮态以及底泥沉积态三者之间的相互转化[11,49].物理过程包括扩散、推移、再悬浮、对流、沉降吸附、解吸等,化学过程包括络合、絮凝沉淀、氧化还原等,生物过程包括微生物转化、生物摄取、生物富集等[13,18,50-51].溶解态重金属可随水迁移到下游,或吸附在悬浮物上转化为悬浮态、或通过扩散作用进入到底泥孔隙水中[52];悬浮态可随水和泥沙迁移到下游、或沉入底泥转化为沉积态、或转化为溶解态;而底泥可作为“汇”吸附重金属,又可成为重金属的“源”,转化为悬浮态或溶解态,造成水体的二次污染[43,53].重金属在三相中分配受盐度、温度、氧化还原电位、颗粒物组成等因素影响[47,54].

3 流域重金属迁移模拟预测

用于重金属迁移模拟的方法主要分为两大类:经验模型和机理模型[13,55-56].经验模型是建立重金属污染和土地利用等环境因子间的经验关系,通过经验系数核算污染负荷.机理模型是综合考虑污染物产生、迁移转化和汇集过程及其他影响因素对重金属迁移进行模拟.

3.1 经验模型

经验模型主要是通过对典型区域监测和实验提取相关的数据,研究水文参数、景观参数、土壤类型、土地利用与重金属污染负荷产生量之间的关系,建立经验关系式,进行负荷定量评估[13,57-58].常用的经验模型,见表1.经典输出系数模型是Johnes在1996年提出,考虑了土地利用方式、社会经济、人口数量等对污染负荷的影响[59].在后续发展中,学者们建立了一系列的改进输出系数法模型,包括考虑流域重金属离子有效性和溶于水的物质有所不同,引入了土壤侵蚀模数和重金属的水溶出率因子[55];考虑降雨和地形影响因素,在模型中引入降雨影响因子和地形影响因子[56].亦有学者结合不同土地利用类型采样分析,利用空间信息技术和通用土壤流失方程与降雨径流模型,计算不同土地利用类型的土壤侵蚀量与地表径流量,估算流域重金属在不同土地利用方式下的污染负荷[60-61].重金属在河流、湖泊或水库中的迁移也可以通过冲刷系数和沉积系数来解释水体和底泥之间的物质交换关系,一般通过大量室内模拟试验获得吸附解析过程中的关键参数值,建立简单的水体中重金属迁移模型[62-63].总之,输出系数模型对基础数据要求较低,所需的资料较容易得到,计算过程较为简单,可利用少量数据简便快速地估算出流域重金属污染负荷量,对于数据缺乏地区具有较强的实用性.但由于输出系数模型缺乏对重金属迁移过程中内部机理的详细描述,模拟的时空精度不足,仅适用于宏观评估流域重金属污染负荷的研究需要.

此外,美国国家环境保护局开发的WASP(水质分析模拟程序)模型,可模拟河流、湖、河、水库、河岸的水质.其中的TOXI(有毒化学物质)子模块可以作为一个简单的概念模型对重金属迁移进行模拟[13].已有学者应用了WASP模型对Hg、Cd、Pb等重金属在河流水体中的迁移进行模拟[64-65].WASP模型具有自定义模拟条件的功能,灵活性强,通用性高,对自然和人类活动造成的水质状况具有较好的模拟效果,特别是突发性水污染事故.但该模型在水动力学模拟方面较薄弱,对于流速低的径流模拟不够精确.建议该模型与其他水动力模型同时使用,形成水动力水质耦合模型,提高对流域重金属迁移过程的准确模拟.

表1 常用的流域重金属流失模拟经验模型

3.2 机理模型

机理模型较经验模型的构建和模拟过程复杂许多,是以水文过程为载体,综合考虑污染物的来源、迁移转化过程和其他的影响因素,具有计算时间序列性强、空间分布特征清晰等优点[47].由于重金属在陆面和水体的各种行为过程(释放、扩散、固液分配、沉积、再悬浮等物理过程以及重金属各形态间相互转化的化学变化过程等)以及污染流失过程(雨雪径流、土壤侵蚀和土壤淋溶等)都承载于水文过程之上,因此机理模型构成复杂,参数较多,考虑的影响因素也较多,可以更为准确地模拟不同水文气象条件、土地利用变化及管理措施下,流域重金属流失负荷的时空动态变化[10,66].目前国内外流域重金属迁移模拟常用的机理模型,见表2.

TREX(二维径流侵蚀输出)模型是美国科罗拉多州立大学开发的流域污染物流失模型[8,67],属于短期模型,主要关注小时、日、周尺度的降雨洪水过程中重金属的吸附、扩散侵蚀和入渗等过程,有学者在TREX的基础上,开发了考虑137Cs与植被的相互作用的修正模型,可以模拟森林流域中铯的流失过程[68].该模型对流域重金属迁移过程的模拟时间较短,适用于突发性污染事件的模拟,对于不同重金属形态之间复杂转化的模拟有待改进.

表2 常用的流域重金属流失模拟机理模型

SWAT(土壤和水分评价工具)模型是由美国农业部农业研究中心开发,可以预测模拟不同土壤类型、土地利用方式和管理措施等条件下,流域产水、产沙和化学物质流失的时空分布及入河流失负荷[69-70].由于SWAT模型目前没有自带的重金属模拟模块,学者们通过改进SWAT模块的方法,建立了流域重金属面源污染流失模型.例如,在考虑重金属固液两相不同形态分布的转化和其水文过程的耦合作用基础上,建立了考虑重金属陆面和水体中化学反应(如吸附和老化反应)的流域重金属流失模型,可以评估距离因子、稀释因素等复杂水文过程对重金属流失的影响[9-10,14,44].通过改进SWAT模型,学者模拟了金属沉积态、悬浮态和溶解态三相在沉积物、土壤和水体中分配过程,以及陆面和水体中重金属不同路径的迁移流失[66,73].有学者在SWAT优化模型中,采用实测的大气重金属年沉降量作为模型输入参数,并使用植物吸收系数法考虑了植物对重金属的吸收,这均在一定程度上提高了流域重金属流失模拟的精度[6].在考虑了土壤pH值、土壤粒径、径流量、泥沙量、径流中溶解的水溶性重金属浓度和土壤颗粒吸附的不溶性重金属等多种因素,利用改进后的SWAT模型模拟证明了泥沙中重金属流失量占研究流域总流失量的97%以上[1].也有学者在温带森林流域,综合考虑了陆地和水生生物地球化学过程以及大气沉降和凋落物分解对汞的地球化学过程的影响,开发了SWAT-Hg模型并评估了不同路径中Hg的流失量[74].此外,SWAT模型与其他模型的耦合可以使模拟结果更加符合研究需求.例如,学者通过耦合SWAT模型和简化的经验输出系数法,对流域Cd面源污染流失进行了动态模拟[71-72];将改进的一维输运模型嵌入SWAT的泥沙输运源模块中,可以预测土壤-水界面锰的污染负荷[75];通过SWAT模型与WASP模型的耦合,可以模拟河流中Cu的浓度,并评估气候变化和不同修复措施对Cu流失的影响[76].通过改进SWAT模型或与其他模型耦合,可较为准确的预测流域管理措施对重金属迁移的影响.但是模型所需基础资料量较大,建模和率定验证过程相对复杂.此外,模拟单元(水文响应单元)的划分是土壤属性、土地利用和坡度三者简单叠合,无空间位置关系.若能通过模块改进增加对水文响应单元间的径流、泥沙运移关系的考虑,或与其他模型耦合运用,是增加SWAT模型适用范围,提高模型模拟精度的重要途径.

除了TREX和SWAT模型外,MIKE(水动力数值模拟模型)、EFDC(环境流体动力学模型)和QUAL(河流水质模型)也常被用于重金属流失模拟.MIKE模型是集流域、水文、水质于一体的综合模型,包括一维模型(MIKE11),二维模型(MIKE21),三维模型(MIKE3)以及流域综合模型(MIKE-SHE)、河网模型(MIKE-BASIN)等,可以预测河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋等区域的重金属浓度.MIKE模型中重金属模块可以输入大气湿沉降相关参数,可以考虑降雨中重金属溶解态、吸附态和颗粒物的含量.有学者利用MIKE模型模拟了闽江支流彭村水库库区Zn、Cd、Pb污染分布规律[77],对辽宁省三湾水库蓄水期As污染迁移特征进行了预测[78]. MIKE模型功能较全,可根据地质特征、气候、水文等观测资料的获取情况,选择最合适算法开展建模,计算精度较高.但该模型忽视水质成分之间的相互作用,导致模拟结果与实际存在一定的误差,可以通过与其他水质模型的耦合,针对特定水质问题的实际情况发挥不同模型的特点,提高预测预警的准确度.

EFDC模型可以对河流、湖泊、河口、水库、湿地、近岸海域等区域重金属迁移转化过程进行模拟.例如,有学者基于EFDC模型模拟了湘江长株潭河段突发重金属污染事故下,污染物的时空变化规律[79].EFDC模型可以同时考虑风、浪、潮、径流等因子的影响,数值计算能力强[80],但模型对输入数据的要求较高,数据量不够或精度不高对水质模拟效果的影响较大.该模型输出的水文文件可供其他水质模拟使用,从而实现与其他水质模型的耦合. QUAL模型主要用于单一河道和树枝状河系点源污染和非点源污染对受纳水体水质的影响,有学者利用改进后的QUAL2Kw模型模拟了刁江流域水体中Zn、Pb和Cd含量[81].该模型考虑了平流扩散、稀释等内部作用及组分外部源汇对浓度的影响,将水体沿横向变化视为均匀的,在相对狭长的水体研究中更为适合,但对河段、源头数量和全流域的计算单元总数有数量限制,只适用于中小型的河流的模拟.

综上所述,相比经验模型,机理模型对数据量和数据精度要求较高,且模型涉及的参数多,率定过程较为复杂,但模型对重金属迁移过程的刻画更详细,模型施用范围广,模拟精度较高,可推广性强,适合监测资料比较完善的地区.通过对常用机理模型的系统总结发现,在流域重金属来源考虑的方面,大气沉降中干沉降是重金属输入流域的途径之一,但干沉降占比较少且观测难度大,因此大部分机理模型应用过程中未充分考虑此参数输入.在流域重金属流失路径模拟方面,虽然常用的机理模型可以模拟流域重金属的流失负荷,但缺乏地下水中重金属的迁移过程模拟,不能评估土壤重金属经过垂向迁移进入地下水后向下游河流水体的迁移过程和流失负荷[82].如何对流域的地表径流、壤中流、地下水和土壤侵蚀不同流失路径中重金属流失负荷进行模拟,是流域尺度重金属迁移过程的精准模拟的未来研究重点,可为重金属污染精准防控提供重要的工具和理论支撑.此外,由于各种模型具有不同适用条件和优缺点,多种模型的耦合应用可以最大限度地发挥各模型优势,实现流域重金属复杂迁移过程较为准确的模拟,以便满足研究需要.

4 结论与展望

综合已有研究可知,从简单线性或非线性相关关系的经验模型到考虑随着水文和土壤侵蚀等过程迁移转化的机理模型,从单一模型优化到多种模型耦合应用,流域重金属迁移模型在研究过程中得到了逐步完善,为重金属流失通量估算和水质预测做出了重大贡献.在开展流域重金属迁移模拟工作中,应该结合研究区实际状况、研究对象及模拟目的合理地选择模型,对于资料条件较差或无资料研究区可选择输出系数模型进行研究;对于模拟精度要求较高的地区,可选择机理模型进行模拟,建议加强污染源实地监测和河流水质监测,保证模型参数输入的准确性,加强模型耦合应用和推广.虽然流域重金属迁移模型研究已经取得了显著成果,多模型耦合开发和应用、迁移过程机理研究和模拟、以及重金属污染溯源模拟等方面是未来研究需要重点关注的发展方向.

4.1 加强多模型耦合开发和应用,扩大模型的适用性.流域重金属迁移过程是多因素共同影响的结果,包括了复杂的水文过程和化学生物过程的相互作用.鉴于各种模型的适用条件、模拟侧重点和优缺点不同,仅单一模型的应用不能满足流域重金属迁移过程的细致模拟.通过开发多模型的耦合,构建模型耦合框架,可以最大限度地发挥各模型优势,提高模型模拟的精度.

4.2 加强不同迁移路径的机理研究,夯实模型研发理论基础.流域重金属迁移过程机理复杂,模型构建需要的参数多,导致模拟的不确定性大.多数重金属迁移模型未能充分考虑所有污染来源和迁移途径,特别对于大气沉降过程中重金属来源的参数输入较缺乏;且大部分模型将重金属垂向迁移和纵向迁移分开模拟[47,82].亟需通过室内模拟、现场监测试验与模型模拟耦合,进一步加强重金属迁移过程中各个环节的机理研究,进而开发综合考虑各种污染来源并耦合多路径迁移过程的流域模型.

4.3 加强重金属污染溯源识别和定量解析模拟,提高流域重金属污染防控效率.流域内重金属来源复杂,定量辨识水体及泥沙中重金属污染物的来源与负荷贡献,是有针对性的开展重金属污染精准防控的关键.目前大部分流域重金属迁移模型主要应用于总污染负荷估算、突发性污染事件的水质评估和预测等方面.如何通过传统地球化学或稳定性同位素技术与流域模型的耦合应用,定量解析流域重金属污染来源,也是未来研究的重点和难点,可为重金属污染防治提供重要科学依据.

[1] Qiao P W, Lei M, Yang S C, et al. Development of a model to simulate soil heavy metals lateral migration quantity based on SWAT in Huanjiang watershed, China [J]. Journal of Environment Sciences, 2019,77:115-129.

[2] 刘 楠,唐莹影,陈 盟,等.基于APCS-MLR和PMF的铅锌矿流域土壤重金属来源解析 [J]. 中国环境科学, 2023,43(3):1267-1276. Liu N, Tang Y Y, Chen M, et al. Source apportionment of soil heavy metals in lead-zinc area based on APCS-MLR and PMF [J]. China Environmental Science, 2023,43(3):1267-1276.

[3] 雷 梅,王云涛,顾闰尧,等.基于知识图谱的土壤重金属快速监测技术进展 [J]. 中国环境科学, 2018,38(1):244-253. Lei M, Wang Y T, Gu R R, et al. A review of the rapid monitoring of soil heavy metals based on mapping knowledge domains [J]. China Environmental Science, 2018,38(1):244-253.

[4] Wu Y, Li X, Yu L, et al. Review of soil heavy metal pollution in China: Spatial distribution, primary sources, and remediation alternatives [J]. Resources, Conservation & Recycling, 2022,181:106261.

[5] Meite F, Alvarez-Zaldívar P, Crochet A, et al. Impact of rainfall patterns and frequency on the export of pesticides and heavy-metals from agricultural soils [J]. Science of the Total Environment, 2018, 616-617:500-509.

[6] Zhou L, Meng Y, Vaghefi S A, et al. Uncertainty-based metal budget assessment at the watershed scale: Implications for environmental management practices [J]. Journal of Hydrology, 2020,584:124699

[7] Jiao W, Ouyang W, Hao F, et al. Combine the soil water assessment tool (SWAT) with sediment geochemistry to evaluate diffuse heavy metal loadings at watershed scale [J]. Journal of Hazardous Materials, 2014,280:251-259.

[8] Velleux M L, England J F, Julien P Y. TREX: spatially distributed model to assess watershed contaminant transport and fate [J]. Science of the Total Environment, 2008,404:113-128.

[9] Meng Y, Zhou L, He S, et al. A heavy metal module coupled with the SWAT model and its preliminary application in a mine-impacted watershed in China [J]. Science of the Total Environment, 2018,613- 614:1207-1219.

[10] 周凌峰,孟耀斌,逯 超,等.流域尺度重金属行为模拟及其对不同气象因子的响应特征研究 [J]. 农业环境科学学报, 2019,38(5):1112- 1120. Zhou F L, Meng Y B, Lu C, et al. Modeling the fate and transport of heavy metals, and their response to climate change at the watershed scale [J]. Journal of Agro Environment Science, 2019,38(5):1112- 1120.

[11] 易 琦,王瑞芳,赵筱青,等.中小河流水体重金属Zn、Pb、As 沿程迁移扩散过程模拟—以沘江为例 [J]. 云南大学学报(自然科学版), 2022,44(1):98-106. Yi Q, Wang R F, Zhao X Q, et al. Simulation of migration and diffusion processes of heavy metals Zn, Pb and As in medium and small rivers: Taking Bijiang River as an example [J]. Journal of Yunnan University: Natural Sciences Edition, 2022,44(1):98-106.

[12] 任伯帜,刘科家,马宏璞,等.基于SWAT模型的金属矿区雨水径流中锰污染负荷分析 [J]. 环境污染与防治, 2014,36(11),50-54. Ren B Z, Liu J K, Ma H P, et al. Analysis of manganese pollution load of rainfall runoff in manganese ore zone based on SWAT model [J]. Environmental Pollution & Control, 2014,36(11),50-54.

[13] 茆 峰.矿区特征污染物在河流中的迁移转化数学模型研究 [D]. 合肥工业大学, 2012. Mao F. Research on mathematical models of migration and transformation for features pollutants of mining area in rivers [D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2012.

[14] 何寿亮,孟耀斌,逯 超.基于改进SWAT模型的滹沱河上游流域重金属模拟初步研究—以Zn为例 [J]. 中国科技论文, 2013,8(5): 458-464. He S L, Meng Y B, Lu C. Preliminary research on heavy metal behavior modeling in Hutuohe river upstream watershed based on SWAT model: taking Zinc as an example [J]. China Sciencepaper, 2013,8(5):458-464.

[15] 蔡 明,李怀恩,庄咏涛,等.改进的输出系数法在流域非点源污染负荷估算中的应用 [J]. 水利学报, 2004,35(7):40-45. Cai M, Li H N, Zhuang Y T, et al. Application of modified export coefficient method in polluting load estimation of non-point source pollution [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004,35(7):40-45.

[16] 费 坤,汪甜甜,邹文嵩,等.土壤重金属污染空间插值及其验证方法研究综述 [J]. 环境监测管理与技术, 2022,34(2):1-6. Fei K, Wang T T, Zou W H, et al. Review on spatial interpolation and its verification method of heavy metal pollution in soil [J]. The Administration and Technique of Environmental Monitoring, 2022, 34(2):1-6.

[17] 侯静涛,刘 娟,向永金,等.土壤中重金属累积预测模型研究进展 [J]. 环境污染与防治, 2022,44(1):72-78. Hou J T, Liu J, Xiang Y J, et al. Application of heavy metal accumulation prediction model in soil: a review [J]. Environmental Pollution & Control, 2022, 44(1):72-78.

[18] 王 霞,仇启善.水环境中重金属的存在形态和迁移转化规律综述 [J]. 内蒙古环境保护, 1998,10(2):22-24. Wang X, Chou Q S. Review on the existing forms, migration and transformation of heavy metals in water environment [J]. Inner Mongolian Environmental Protection, 1998,10(2):22-24.

[19] 黄岁樑,万兆惠.河流重金属迁移转化数学模型研究综述[J].泥沙研究, 1995,4:42-49. Huang S L, Wan Z H. Reviews on present research situation of mathematical modeling transport and transformation of heavy metals in fluvial rivers [J]. Journal of Sediment Research, 1995,4:42-49.

[20] 陈雅丽,翁莉萍,马 杰,等.近十年中国土壤重金属污染源解析研究进展 [J]. 农业环境科学学报, 2019,38(10):2219-2238. Chen Y L, Weng L P, Ma J, et al. Review on the last ten years of research on source identification of heavy metal pollution in soils [J]. Journal of Agro Environment Science, 2019,38(10):2219-2238.

[21] 吴 迪,董 彬,尉海东.土壤重金属污染来源研究综述 [J]. 安徽农学通报, 2017,23(23):58-60. Wu D, Dong B, Wei H D. Review of soil heavy metal pollution sources [J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2017,23(23):58-60.

[22] 卢维宏,刘 娟,张乃明,等.设施菜地土壤重金属累积及影响因素研究 [J]. 中国环境科学, 2022,42(6):2744-2753. Lu W, Liu Y, Zhang N, et al. Study on the accumulation of heavy metals and influencing factors in the soil of facility vegetable fields [J]. China Environmental Science, 2022,42(6):2744-2753.

[23] 黄国秦,王兴祥,钱海燕,等.施用化学肥料对农业生态环境的负面影响与对策 [J]. 生态环境, 2004,13(4):656-660. Huang G Q, Wang X X, Qian H Y, et al. Negative impact of inorganic fertilizes application on agricultural environment and its countermeasures [J]. Ecology and Environment, 2004,13(4):656-660.

[24] 辛术贞,李花粉,苏德纯,等.我国污灌污水中重金属含量特征及年代变化规律 [J]. 农业环境科学学报, 2011,30(11):2271-2278. Xin S Z, Li H F, Su D C, et al. Concentration characteristics and historical changes of heavy metals in irrigation sewage in China [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011,30(11):2271-2278.

[25] Meng W, Wang Z, Hu B, et al. Heavy metals in soil and plants after long-term sewage irrigation at Tianjin China: A case study assessment [J]. Agricultural Water Management, 2016,171:153-161.

[26] 于立红,王 鹏,于立河,等.地膜中重金属对土壤大豆系统污染的试验研究 [J]. 水土保持通报, 2013,33(3):1-4. Yu L H, Wang P, Yu L H, et al. Experimental study of pollution by heavy metals of plastic film in soil—Soybean system [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2013,33(3):1-4.

[27] Luo H W, Liu C Y, He D Q, et al. Effects of aging on environmental behavior of plastic additives: Migration, leaching, and ecotoxicity [J]. Science of the Total Environment, 2022,849:157951.

[28] He M C, Wang X Q, Wu F C, et al. Antimony pollution in China [J]. Science of the Total Environment, 2012,421-422:41-50.

[29] Guo W J, Zhang Z Y, Wang H, et al. Exposure characteristics of antimony and coexisting arsenic from multi-path exposure in typical antimony mine area [J]. Journal of Environmental Management, 2021,289:112493.

[30] 宋书巧,梁利芳,周永章,等.广西刁江沿岸农田受矿山重金属污染现状与治理对策 [J]. 矿物岩石地球化学通报, 2003,22(2):152-155. Song S Q, Liang L F, Zhou Y Z, et al. The situation and remedial measures of the cropland polluted by heavy metals from mining along the Diaojian River [J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2003,22(2):152-155.

[31] 赵纪新,尹鹏程,岳 荣,等.我国农田土壤重金属污染现状·来源及修复技术研究综述 [J]. 安徽农业科学, 2018,46(4):19-21,26. Zhao J X, Yin P C, Yue R, et al. Research progress of status, source, restoration technique of heavy metals pollution in cropland of China [J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2018,46(4):19-21,26.

[32] Herath I, Vithanage M, Bundschuh J, et al. Antimony as a global dilemma: Geochemistry, mobility, fate and transport [J]. Environmental Pollution, 2017,223:545-559.

[33] 刘 雯,卢新卫,陈灿灿,等.电厂周围土壤磁化率对重金属污染的指示意义 [J]. 土壤通报, 2013,44(4):994-996. Liu W, Lu X W, Chen C C, et al. The indicating significance of magnetic susceptibility of soil around coal-fired power plant for heavy metal pollution [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2013,44(4):994- 996.

[34] 谢博文,王 艺,赵晟雯,等.土壤重金属污染研究综述 [J]. 广州化工, 2016,44(1):21-23. Xie B W, Wang Y, Zhao S W, et al. Review of soil heavy metal pollution [J]. Guangzhou Chemical Industry, 2016,44(1):21-23.

[35] Alam O, Billah M, Ding Y J. Characteristics of plastic bags and their potential environmental hazards [J]. Resources, Conservation and Recycling, 2018,132:121-129.

[36] 向静雅,王 倩,邵明帅,等.深圳海滩塑料垃圾及其重金属污染分析[J]. 中国环境科学, 2020,40(7):3097-3105. Xiang J Y, Wang Q, Shao M S, et al. Assessment of beach plastic waste and its heavy metal pollution in Shenzhen [J]. China Environmental Science, 2020,40(7):3097-3105.

[37] Men C, Liu R M, Wang Q R. et al. Spatial-temporal characteristics, source-specific variation and uncertainty analysis of health risks associated with heavy metals in road dust in Beijing, China [J]. Environmental Pollution, 2021,278:116866.

[38] 王 建,夏 天,罗 政,等.基于GIS 的土壤重金属污染模拟扩散研究及应用 [J]. 测绘与空间地理信息, 2022,45(1):74-78. Wang J, Xia T, Luo Z, et al. Research and application on soil heavy metal pollution simulated diffusion based on GIS [J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2022,45(1):74-78.

[39] 王刘炜,侯德义.农田重金属污染长期演变LIVE 模型构建 [J].土壤通报, 2021,53(6):1471-1480. Wang L W, Hou D Y. Modeling the Long-term evolving features of heavy metal concentration in agricultural soil [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2021,53(6):1471-1480.

[40] Zhu Y M, Yang J G, Wang L Z, et al. Factors influencing the uptake and speciation transformation of antimony in the soil-plant system, and the redistribution and toxicity of antimony in plants [J]. Science of the Total Environment, 2020,738:140232.

[41] Feng R W, Wei C Y, Tu S X, et al. The uptake and detoxification of antimony by plants: A review [J]. Environmental and Experimental Botany, 2013,96:28-34.

[42] Kerr J G, Cooke C A. Erosion of the Alberta badlands produces highly variable and elevated heavy metal concentrations in the Red Deer River, Alberta [J]. Science of the Total Environment, 2017,596-597: 427-436.

[43] Li Z Y, Pan F, Xiao K, et al. An integrated study of the spatiotemporal character, pollution assessment, and migration mechanism of heavy metals in the groundwater of a subtropical mangrove wetland [J]. Journal of Hydrology, 2022,612:128251.

[44] Zhou H Y, Rao K, Yao M J, et al. Effects of land use, meteorology, and hydrology on nutrients, biochemical indexes, and heavy metals in Qingjiang River Basin, China [J]. Journal of Cleaner Production, 2022, 370:1334116.

[45] Zhang Y, Zhang X, Bi Y L, et al. The impact of land use changes and erosion process on heavy metal distribution in the hilly area of the Loess Plateau, China [J]. Science of the Total Environment, 2020, 718:137305.

[46] 罗小青.基于GIS的湘江水环境重金属污染分布式物理过程及模拟 [D]. 长沙:中南大学, 2013. Luo X Q. The distributed physical processes and modeling of heavy metal pollution on Xiangjiang River based on GIS [D]. Changsha, Central South University, 2013.

[47] Qiao P, Wang S, Li J, et al. Process, influencing factors, and simulation of the lateral transport of heavy metals in surface runoff in a mining area driven by rainfall: a review [J]. Science of the Total Environment, 2023,857:159119.

[48] Cao L Y, Li W, Deng H, et al. Effect of land use pattern on the bioavailability of heavy metals: A case study with a multi-surface model [J]. Chemosphere, 2022,307:135842.

[49] Gu X, Ouyang W, Xu L, et al. Occurrence, migration, and allocation of arsenic in multiple media of a typical semi-enclosed bay [J]. Journal of Hazardous Materials, 2020,384:121313.

[50] Fan J Y, Fan D, Wu Y J. Spatiotemporal variations of heavy metal historical accumulation records and their influencing mechanisms in the Yangtze River Estuary [J]. Science of the Total Environment, 2023,854:158733.

[51] 祁 彧.汾河干流重金属迁移规律研究 [D]. 太原:太原理工大学, 2017. Qi Y. Study on the heavy metal migration rule in the mainstream of Fenhe river [D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2017.

[52] Deng M H, Yang X E, Dai X, et al. Heavy metal pollution risk assessments and their transportation in sediment and overlay water for the typical Chinese reservoirs [J]. Ecological Indicators, 2020,112: 106166.

[53] Dan S F, Udoh E C, Wang Q Q. Contamination and ecological risk assessment of heavy metals, and relationship with organic matter sources in surface sediments of the Cross River Estuary and nearshore areas [J]. Journal of Hazardous Materials, 2022,438:129531.

[54] Hu X P, Shi X Y, Su R G, et al. Spatiotemporal patterns and influencing factors of dissolved heavy metals off the Yangtze River Estuary, East China Sea [J]. Marine Pollution Bulletin, 2022,182: 113975.

[55] 王 苗.流域重金属分布式运移模型研究 [D]. 兰州:西北师范大学, 2019. Wang M. Research on distributed migration model of heavy metals in watershed [D]. Lanzhou: Northwest Normal University, 2019.

[56] 吴云龙.基于改进输出系数模型的铅镉砷非点源污染负荷研究 [D]. 湘潭:湘潭大学, 2017. Wu Y L. Study on non-point source load of Pb, Cd, As based on improved export coefficient model [D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2017.

[57] 隋红建,吴 璇,崔岩山.土壤重金属迁移模拟研究的现状与展望 [J].农业工程学报, 2006,22(6):197-200. Sui H J, Wu X, Cui Y S. Modeling heavy metal movement in soil: review and further study directions [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2006,22(6):197-200.

[58] Brezonik P L, Stadelmann T H. Analysis and predictive models of stormwater runoff volumes, loads, and pollutant concentrations from watersheds in the Twin Cities metropolitan area, Minnesota, USA [J]. Water Research, 2002,36:1743-1757.

[59] Johnes P J. Evaluation and management of the impact of land use change on the nitrogen and phosphorus load delivered to surface waters: the export coefficient modelling approach [J]. Journal of Hydrology, 1996,183(3/4):323-349.

[60] 张天蛟,刘 刚,王圣伟.基于GIS/RS的不同土地利用类型重金属面源污染比较 [J]. 农业机械学报, 2014,45:124-132. Zhang T J, Liu G, Wang S W. Estimation of heavy metal pollution loads from non-point sources based on GIS/RS [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2014,45:124-132.

[61] 高 磊,陈建耀,朱爱萍,等.基于SCS模型的跨界小流域物质通量估算—以东莞石马河流域为例 [J]. 中国环境科学, 2015,35(3):925- 933. Gao L, Chen J Y, Zhu A P, et al. Calculation of masses flux in a transboundary catchment based on SCS model: A case study in Shima River catchment, Dongguan City [J]. China Environmental Science, 2015,35(3):925-933.

[62] Yi Y, Ken H. A preliminary model for prediction heavy metal contaminant loading from an urban catchment [J]. Science of the Total Environment, 2001,266(1):299-307.

[63] Donald J. Model of sorptive toxic substance in freshwater systems I: basic equation [J]. Journal of Environmental Engineering, 1988,3:507- 532.

[64] Lin Y, Larssen T, Vogt R D, et al. Modelling transport and transformation of mercury fractions in heavily contaminated mountain streams by coupling a GIS-based hydrological model with a mercury chemistry model [J]. Science of The Total Environment, 2011,409(21): 4596-4605.

[65] 胡 晞.基于WASP模型的湘江湘潭段水质目标管理研究 [D]. 湘潭:湘潭大学, 2013. Hu X. The water quality target management research on Xiangtan section of Xiangjiang river based on WASP model [D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2013.

[66] Du X Z, Shrestha N K, Wang J. Incorporating a non-reactive heavy metal simulation module into SWAT model and its application in the Athabasca oil sands region [J]. Environmental Science Pollution Research, 2019,26:20879-20892.

[67] Velleux M L, Julien P Y, Rojas-Sanchez R, et al. Simulation of metals transport and toxicity at a mine-impacted watershed:California Gulch, Colorado [J]. Environmental Science & Technology, 2006,40(22): 6996-7004.

[68] Wei L Z, Kinouchi T, Yoshimura K, et al. Modeling watershed-scale Cs-137transport in a forested catchment affected by the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident [J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2017,171:21-33.

[69] Neitsch S L, Arnold J G, Kiniry J R, et al. Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation: Version 2005 [M]. Texas:Texas Water Resources Institute, 2005.

[70] 郝芳华,程红光,杨胜天.面源污染模型:理论方法与应用 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 2006. Hao F H, Cheng H G, Yang S T. Non-point source pollution model: Theoretical method and application [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 2006.

[71] 林钟荣,郑 一,向仁军,等.重金属面源污染模拟及其不确定性分析:以湘江株洲段镉污染为例 [J]. 长江流域资源与环境, 2012,21(9): 1112-1118. Lin Z R, Zheng Y, Xiang R J, et al. Simulation of the nonpoint sources load of heavy metals and its uncertainty analysis: A case study of cadmium pollution at the Xiangjiang River in the Zhu zhou City [J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2012,21(9): 1112-1118.

[72] 张青梅,韩 峰,刘 湛,等.基于SWAT 模型的湘江株洲段汞面源污染负荷测算 [J]. 四川环境, 2018,37(2):32-37. Zhang Q M, Han F, Liu Z, et al. Calculation of mercury non-point source pollution of Xiangjiang river Zhuzhou section based on the SWAT model [J]. Sichuan Environment, 2018,37(2):32-37.

[73] 刘科家.改进SWAT模型在锑矿区土水界面流锑污染负荷模拟中的应用研究 [D]. 湘潭:湖南科技大学, 2015. Liu K J. The applied research of antimony pollution load simulation by improved SWAT model in the soil-water interface of antimony mine [D]. Xiangtan: Hunan University of Science and Technology, 2015.

[74] Jeong J, Yang J, Han S, et al. Assessment of coupled hydrologic and biogeochemical Hg cycles in a temperate forestry watershed using SWAT-Hg [J]. Environmental Modelling and Software, 2020,126: 104644.

[75] Zhang Y, Ren B Z, Hursthouse A S, et al. An improved SWAT for predicting manganese pollution load at the soil-water interface in a manganese mine area [J]. Polish Journal of Environmental Studies, 2018,27:2357-2365.

[76] Chueh Y Y, Fan C, Huang Y Z. Copper concentration simulation in a river by SWAT-WASP integration and its application to assessing the impacts of climate change and various remediation strategies [J].Journal of Environmental Management, 2021,279:111613.

[77] 轩晓博,逄 勇,李一平,等.金属矿区重金属迁移对水体影响的数值模拟[J]. 水资源保护, 2015,31(2):30-35. Xuan X B, Pang Y, Li Y P, et al. Numerical simulation of influence of heavy metal migration on water in metallic mining areas [J]. Water Resources Protection, 2015,31(2):30-35.

[78] 齐兆东.三湾水库蓄水期重金属迁移特性数值模拟研究[J]. 中国水能及电气化, 2019,5:35-38. Qi Z D. Numerical simulation of heavy metal migration characteristic in Sanwan reservoir during impoundment period [J]. China Water Power & Electrification, 2019,5:35-38.

[79] 武万国.湘江长株潭河段突发重金属水污染事故模拟研究[J]. 中国水运, 2018,18(10):63-67. Wu W G. Simulation study on sudden accidents of heavy metal water pollution in the Changzhutan Section of Xiangjiang River [J]. China Water Transport, 2018,18(10):63-67.

[80] 龚 然,何 跃,徐力刚,等.EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 模型在湖库水环境模拟中的应用进展[J]. 海洋湖沼通报, 2016,6:12-19. Gong R, He Y, Xu L G, et al. The application progress of environmental fluid dynamics code (EFDC) in lake and reservoir environment [J]. Transactions of Oceanology and Limnology, 2016, 6:12-19.

[81] 刘 艳,李 川,曹碧波,等.基于改进QUAL2Kw模型的水环境重金属污染模拟[J]. 安全与环境学, 2016,16(5):258-264. Liu Y, Li C, Cao B B, et al. Improved QUAL2Kw model for assessing the heavy metal pollution in the aquarium environment [J]. Journal of Safety and Environment, 2016,16(5):258-264.

[82] Sui C M, Fatichi S, Burlando P, et al. Modeling distributed metal pollution transport in a mine impacted catchment: Short and long-term effects [J]. Science of the Total Environment, 2022,812:151473.

Research progress on heavy metal migration model at watershed scale.

LIU Lian-hua1, ZHANG Qing-wen1, WANG Yi-di2*, GU Xiang3

(1.Agricultural Clean Watershed Research Group, Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China；2.Key Laboratory of Water and Sediment Sciences, Ministry of Education, College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China；3.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2023,43(8)：4229～4238

This paper elucidated the main sources, migration mechanisms of heavy metals in the watershed and reviewed the characteristics of commonly used empirical and mechanistic models. The advantages and disadvantages of common-used models were compared synthetically. Results showed that, heavy metal migration models have been improved from the empirical models with simple linear or nonlinear to the mechanism models with the migration and transformation with hydrological and soil erosion processes. The applicability of heavy metal migration models is gradually expanding, and the simulation accuracy is constantly improving, which play an important role in the simulation of heavy metal loadings and water quality prediction. Empirical models require fewer basic data and have relatively simple calculation processes, making them suitable for rough evaluation of heavy metal loadings in the watersheds with limited data. Mechanism models require many high-accuracy data, and have complex model structures, which can achieve the detailed simulation of heavy metal migration processes. The authors proposed outlook on the development of multiple model coupling, the mechanism research of different migration paths, and the identification analysis of heavy metal pollution tracing. Achieving these prospects will provide scientific support for the application, improvement, and source identification of heavy metal pollution at watershed scale.

heavy metal；model simulation；migration and transformation；process mechanism；research trends

X131

A

1000-6923(2023)08-4229-10

刘连华(1991-),女,山东临沂人,助理研究员,博士,主要从事流域水环境过程与污染物迁移转化研究.liulianhua@caas.cn.

刘连华,张晴雯,王依滴,等.流域重金属迁移模型研究进展 [J]. 中国环境科学, 2023,43(8):4229-4238.

Liu L H, Zhang Q W, Wang Y D, et al. Research progress on heavy metal migration model at watershed scale [J]. China Environmental Science, 2023,43(8):4229-4238.

2023-01-05

国家自然科学基金资助项目(42107394、U21A2039);中国博士后科学基金资助项目(20237160019,2020M680432);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(BSRF202309)

* 责任作者,讲师, yidiwang@pku.edu.cn