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污染物在土壤、地下水及粘土层中迁移转化规律研究1.污染物在土壤中迁移转化规律研究进展国外主要从有机污染物在多孔介质中机理方面进行研究,主要包括有机污染物在多孔介质中存在状态、运移方式、滞后效应、湿润性和入渗规律进行了详细的论述。Arulanandan等(1985,1988)和Cooke(1991)分别进行了饱和土与非饱和土中惰性离子扩散相似律的验证。Lenhad和Parker(1992)对控制多相流动的基本关系进行研究,并将二相饱和度—压力关系推广到三相流体的体系中去。Gurung等(1998)研究了200mg/L的锌离子在饱和击实砂中的迁移特性,认为鼓型离心机可以用于模拟污染物扩散问题。Loretta等(1999)对有机污染物在土壤中随地下水的迁移过程进行了研究,通过在污染物质迁移扩散方程中添加一个源项,从而成功地反映了污染物质本身与土壤的相互作用、自身降解和化学变化等因素。Wang和Elzein(2000)分别提出了无规则污染源的污染物运移随机模型以及非均质介质中的非耦合瞬态热塑性三维模型。Duro等(2001)针对多孔介质中反应性溶质吸附为平衡吸附时的情况,建立了弥散随时间变化的污染物运移模型。Lo和张建红(2001,2002)进行了饱和土与非饱和土中模型的模拟试验,研究在考虑土体对重金属镉的吸附作用时,离心机进行无机污染迁移的可行性,试验表明离心机可以用于研究对流-弥散-吸附现象。Zacharof等(2004)在考虑废弃物非均质和数据不稳定性因素的基础上,建立了微生物降解和污染物运移相耦合的随机模型。在国内,也有一些学者在实验和理论研究方面,取得了一些有意义的研究成果。阎先良(1993)通过室内淋滤实验,研究了污染物在粉质轻亚粘土和中砂中的积累、运移规律。王超(1997)在分析氮物质迁移过程的基础上,借助于土柱物理模型试验装置,试验研究了氮类污染物在土壤中的迁移转化规律。王亚男、王凯荣、陈英旭等(2001,2002,2003)研究了磷在土壤中的迁移转化机理,对含磷污水淋滤条件下土壤中磷迁移转化进行了模拟实验,分析了磷在土壤中迁移转化的规律。应用培养法和土柱法分别研究了钒和磷在两种美国耕地土壤中的竞争吸附与迁移特征,通过原状土柱淋洗试验研究了运河疏浚底泥土地投放后磷在土层中的分布规律。李景印等(2002)对磁河有机污染物在饱和土壤中的迁移行为进行了试验研究,通过静态吸附、静态降解和动态土柱试验,研究了磁河废水中有机污染物在土壤饱水条件下的迁移转化行为。在理论研究方面,阮晓红等(1996)通过室内土柱实验,建立了一维饱和土壤层中氮迁移的预测模型。王超等(1996)在分析水分及污染物在土壤中迁移物转化规律的基础上,建立了水分及污染物迁移的耦合数学模型。采用有限差分法离散水分方程和污染浓度方程,得到了数值计算模型。胡永梅、许秀元、胡枭、徐建等(1998,1999,2002)介绍了研究土壤中有机污染物迁移行为的各种方法,分析了影响有机污染物在土壤中的迁移、转化行为的因素,讨论了土壤和地下水中污染物和溶质迁移的主要模型,并对模型的结构作了一定的阐述。王红旗等(2003)根据污水土地处理条件下磷的迁移转化模拟试验,提出了定量模拟磷在土壤中迁移转化的联合模型,在传统的溶质运动模型基础上添加化学转化项形成了具有磷的反应特点的溶质运动模型。2.污染物在土壤非饱和带迁移转化规律研究进展近年来,国外对污染物在土壤非饱和带中迁移转化的研究相当重视,把它作为研究地下水污染问题的突破口。80年代初期,美国、英国等西方国家,在研究非饱和带水分运动的基础上,开始研究污染物在非饱和带土壤中的迁移规律。通过大量的室内及野外土柱试验,确定了非饱和带垂向一维弥散系数和衰减系数,试验的示踪剂大都采用的是盐类或保守性物质。此后,随着研究工作的深入,逐步开始研究重金属在非饱和带的迁移转化规律,考虑土壤液相和固相浓度的分配系数,并借助于Henry、Freundlich和Langmuir的等温吸附模式来表示液相和固相浓度吸附和解吸的关系,现又在研究非平衡吸附和解吸问题。在弥散系数方面,Pickens和Grisak(1981)又将恒定常数提高扩展为随时空变化的动态参数。在土壤介质体方面,由结构不变的刚性体,发展为研究可变的介质体;由均质土壤研究到分层土壤;在土壤水分运动方面,由非饱和带的平均孔隙水流发展到研究可动水体和不可动水体,并综合考虑水、气、污染物及土壤4者之间相互作用关系。在数学模型求解方面也在不断发展,由非饱和带的简单解析解发展到复杂因素的数值解,求解的初始条件和边界条件也在不断改进,使之更加接近于污染物迁移的实际情况。Faust(1985)在模拟二维有机污染物运移问题的基础上,建立了一种描述多孔介质中饱和、非饱和条件下水与另一种非溶混流体同时流动的三维流动数学模型,该模型可应用于地下水和非溶混污染物相结合的许多问题,并且证明了其有效性和实用性。Leonard等(1987)提出的GLEAMS(GroundwaterLoadingEffectofAgriculturalManagementSystemsModel)和Wagenet及Hutson(1989)提出的LEACHM(LeachingEstimationandChemistryModel)已广泛应用于由非点源引起的非饱和区域污染物的迁移问题。Pantazidou(1993)分别对渗流带和部分饱和粒状介质中非溶混流体进行研究,实验模拟了地下水上面非饱和空间非溶混流体的渗漏,并提出一套预测渗流带中均衡垂向尺寸方程。Mitchell,SillsandMitchell,BensonandMitchell(1994,1995,2002)等用离心模型试验测试非饱和土中污染物迁移的物理参数和检验数学模型。Annamaria等(2000)考虑污染物首先通过包气带进入地下,最终与饱和区的地下水相混合,并用数学模型对污染物分布随时间变化进行了行之有效的模拟。Thomas等(2001)提出了非饱和土的三维耦合运移模型,包括复杂的地球化学反应,探讨了控制方程和化学相互作用的数值解。Yeh等(2002)提出了非饱和土中考虑液体流动和反应性溶质运移的耦合数值模型。我国对污染物在土壤非饱和带中迁移转化的研究也开始重视起来,对非饱和带溶质迁移的研究取得了一些成果。在实验研究方面,清华大学刘兆昌教授等(1991)对重金属在非饱和带的迁移转化进行了卓有成效的试验研究,确定了许多参数,得到了五毒在土壤中吸附迁移的排列顺序,并应用于华北等地的实际工作中。阎先良(1992)根据太原包气带土体在室内的淋滤实验,研究了三价砷在包气带中的迁移机理。武汉水利电力大学杨金忠教授等(1986,1993)开展了盐分在土壤非饱和带迁移转化的室内试验、野外试验和理论分析,取得了许多有价值的成果。阮晓红(1996)通过室内土柱实验,研究了氮在包气带不同土质层中饱水条件下迁移转化的特征。高太忠等(2002)通过对河北平原磁河流域包气带不同深度取样并对污染物含量的测定,确定了主要污染物及其在包气带中的分布规律。张建红等(2002)利用土工离心机进行了非饱和土中一维模型的模拟研究,分析了非饱和土中含水率的变化和污染物的迁移机理,检验采用离心模拟方法研究污染物扩散机理的可行性,验证与污染物扩散机理相关的模型相似律。有机污染物在包气带的入渗和迁移是一个非常复杂的过程,国内许多学者已经开发了相关的数值模型,李锡夔(1998)提出了模拟饱和—非饱和土壤中溶和污染物运移过程的数值模型,发展了修正的特征线Galerkin方法以离散污染物运移过程的控制方程,并导出了一个用于有限元方程求解的显式算法。王红旗等(1998)通过现场实地调查和室内物理模拟试验、渗滤试验、污染物化学动力学转化试验,概化建立了上海老港垃圾堆放场以有机氮、NH4+、NO2-、NO3-的4种离子为污染质的非饱和土层—潜水含水层水动力弥散联合数学模型。张春辉等(2001)提出了氮在包气带中迁移和转化的二维预测模型。王超(2002)分析了污染物在分层土壤中随下渗水体向下迁移的机理过程,借助于数值计算模型模拟计算非饱和分层土壤中污染物迁移转化特性,研究了不同土壤层及土壤层的排序对污染物迁移转化的影响状况。3.结语报告系统地评述了近年来国内外对污染物在土壤、非饱和带中迁移转化规律研究的最新进展,以及模拟污染物迁移的数值模型,并提出了需要进一步解决的关键性问题,为环境污染的治理、控制污染和水资源管理与评价的研究提供了可靠依据。为今后进一步研究奠定了基础,但仍存在以下几个方面需要进一步研究探索:(1)应重点研究非饱和带污染物迁移转化特性,建立表土层、非饱和带及地下含水层整体数学模型,探求三维模型的求解方法和数值模拟技术。(2)由于测定参数可能受到随机效应的影响，因此研究有机污染物弥散过程时必须从随机模型的角度出发来研究有机污染物的迁移转化过程,加强随机理论方面的研究。(3)上述各研究多停留在理论研究和实验室模拟阶段,还没有应用到具体的实际工作中,有的领域国外也是近几年来才开展该方面的研究工作,所以有必要进行该方面的理论研究和探讨。参考文献:[1]张志红,赵成刚,李涛.污染物在土壤、地下水及粘土层中迁移转化规律研究.北京交通大学土木建筑工程学院,北京,100044