论文部分内容阅读
受温度影响,高纬度及高海拔寒区土壤中的水分会在水冰两相间转变,使得土壤出现冻融现象,变为冻土。冻融作用下,由于冻土的水热条件区别于常温土壤,污染物在冻土土-水-冰三相中的赋存也会发生变化。寒区气候极端、生态环境脆弱,相较于温暖地区更易受到污染物的破坏。因此,明确冻土各相中污染物的赋存和分配规律有利于对寒区土壤的污染状况进行预测,为其污染治理提供基础。然而,目前关于冻融作用下土壤环境中污染物的相关研究还是空白,冻土土-水-冰三相中污染物的分配情况也尚不清楚。冻土中水冰相变过程较为微观,土壤冻融过程的物理化学变化也十分复杂,加之现有的分析测试技术设备昂贵、测试方法也有待进一步完善,因此目前针对冻土的研究主要采用数值模拟的方法。抗生素作为典型的药品及个人护理产品（PPCPs）,在人们的日常生活中使用频率高、使用量巨大。目前抗生素已经在许多地区的土壤、地表水等多种环境中检出,进入环境中的抗生素会在环境中积累,最终对生态环境产生影响。基于此,本研究总结了国内外关于冻土数值模拟的研究进展,构建了冻融作用下非饱和土壤土-水-冰三相中污染物的分配模型。同时,本研究以具有不同吸附性质的恩诺沙星（ENR）和磺胺甲恶唑（SMX）为研究对象,建立了模型参数库,并对主要参数进行了敏感性分析。最后,本研究利用该数学模型对这两种抗生素进行了数值模拟,探究了抗生素在冻融土壤各相中的分配规律和相间迁移通量。本研究主要有以下结果:①本研究建立了包括未冻和冻融两种状态下非饱和土壤土-水-冰三相中污染物的分配模型。未冻状态下的模型部分包括基于一维Richards方程的水迁移方程和基于Freundlich吸附等温方程的污染物土水分配方程。冻融状态下的模型部分包括土壤焓守恒方程、总水质量守恒方程、基于土壤水势的联系方程、污染物土水分配方程以及水冰分配方程。未冻状态下计算所得含水量以及土水两相的污染物浓度可作为冻融状态下的初始值。②参数库中的部分参数基于实验测定,实验测定的结果为:1)利用Freundlich方程对ENR和SMX在土水两相中的吸附分配过程进行拟合,结果显示ENR的拟合方程为（cs=282.587cl0.607,R2=0.98107。SMX的拟合方程为cs=1.585cl0.162,R2=0.62788;2）利用重力法对ENR和SMX在水冰两相间的分配过程进行实验和数学拟合,结果显示ENR的拟合方程为cl=C0[2.604（θi/θk）1.549+1],R2=0.98973;SMX 的拟合方程为cl=c0[2.176（θi/θk）0.96+1],R2=0.93938;3)利用水平土柱法测定非饱和土壤水扩散率D（θl）,并用指数函数进行数学拟合。拟合结果显示D（θl）与θl满足D（θl）=2.748 × 10-5e37.435θl,且R2=0.96555;4)利用离心机法测定土壤水吸力S（θl）,拟合结果为S（θl）=6.08×1010e-71.06θl,且R2=0.98894。③利用Morris分类筛选法对与模型中的主要变量因子进行敏感性分析。变量因子的敏感性顺序为:1/n＞kf＞B＞Ba＞b0＞φe＞A＞ck＞b＞M=N。其中1/n和kf为高灵敏参数,B和a为灵敏参数,b0、φe、A、ck为中等灵敏参数,b、M和N为不灵敏参数。实验测定的精度和函数拟合的准确度是造成模型不确定性的主要原因。④利用模型对ENR和SMX进行模拟。未冻状态下,模型模拟结果包括:1)土壤含水量随土壤深度的增加逐渐增加;2)各土层初始水相浓度相同下,各截面土水两相中抗生素的浓度变化规律与含水量变化规律基本一致;3)各土层初始水相浓度随土壤深度增加而减小时,土壤土水两相中抗生素浓度呈现在0～90 cm随土壤深度增加而增加,在90～150 cm随土壤深度增加而减小的变化规律。抗生素在土壤不同相间的分配规律与初始浓度和含水量有关;4)在初始水相浓度水平较低时,抗生素的吸附性质几乎不会影响其在土水两相的浓度。在初始水相浓度水平较高时,吸附能力差的抗生素在水相中的浓度明显高于吸附能力好的抗生素。⑤冻融状态包括冻结过程和融化过程,且两者互为逆过程。模型模拟结果为:1)各土层初始水相浓度随土壤深度增加而减小时,土-水-冰三相中抗生素的浓度随土壤深度的增加先增大后减小,且浓度最大值出现在90cm或105 cm处;2)在0～-5℃,各层土壤中可冻水均完全冻结。随土壤温度降低,土壤冰相和水相中ENR和SMX浓度升高,土相中ENR和SMX浓度降低;3)相间迁移通量的计算结果表明,冻融作用会使土相和水相中的ENR和SMX迁移至冰相中。在温度达到-5℃时,各相中抗生素的含量占比为土相＞冰相＞水相,且绝大多数抗生素仍吸附在土相中。本研究构建的数学模型从微观角度探究了冻融作用下非饱和土壤土-水-冰三相中抗生素的赋存和分配规律,填补了关于冻融土壤各相中污染物分配研究的空白,同时也为冻融土壤的污染预测和修复提供了理论依据。