VOCs遷移至土壤環(huán)境的數(shù)值模擬研究

李曉昕 王頊

摘要：Hydrus-1D中的熱-溶質(zhì)運(yùn)移模型能夠較準(zhǔn)確地模擬VOCs從大氣環(huán)境進(jìn)入土壤環(huán)境的復(fù)雜連鎖反應(yīng)過程。在已有溶質(zhì)運(yùn)移模型的基礎(chǔ)上，Hydrus-1D添加了“滯邊界層”用來模擬vocs在土一氣界面上發(fā)生的涉及物理、化學(xué)、生物的轉(zhuǎn)化過程以及溫度對這一過程的影響作用。建立的均質(zhì)、各向同性、穩(wěn)態(tài)、不考慮根系吸收作用的模型計(jì)算結(jié)果表明：土柱熱容量、VOCS溶質(zhì)濃度的模擬計(jì)算值相對誤差均值為0.232%；參數(shù)反驗(yàn)算表明，土壤貯存熱容量的反驗(yàn)算值Csoi與計(jì)算值Csoil相吻合，證實(shí)了所建立的VOCs熱一溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模型的精度較高。

關(guān)鍵詞：Hydrus-1D；VOCs；熱-溶質(zhì)運(yùn)移模型

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

陸氣相互作用，即陸地表面與大氣之間的熱量、動量、水分交換，是目前陸氣相互作用模型的主要關(guān)注方向（如表1所示）。揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）通常參與大氣環(huán)境中的光化學(xué)反應(yīng)過程，其反應(yīng)－傳輸過程涉及三相的變化同時(shí)伴隨物理－化學(xué)－生物轉(zhuǎn)化的發(fā)生。近年來土壤污染研究的熱點(diǎn)在于金屬／非金屬元素類等物質(zhì)隨大氣遷移并伴隨干濕沉降進(jìn)入土壤環(huán)境的過程，且多為沉積機(jī)制或元素含量－土壤深度分布的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，鮮有關(guān)注VOCs類遷移的模型探討：例如周亞龍等在對雄安新區(qū)土壤富硒性分布規(guī)律研究后發(fā)現(xiàn)，各鉆孔垂直剖面中的硒含量總體趨勢為表層富集，小麥籽實(shí)中硒含量與根系土壤中硒含量呈現(xiàn)顯著性相關(guān)（r=0.77，P<0.01）的特點(diǎn)；鄭雄偉等的試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)了人類活動中的灌溉行為是重金屬元素輸入土壤環(huán)境的主要途徑，Hg、As、Cr、Cu、Cd的輸入通量是工業(yè)大氣沉降途徑的23倍至2倍不等。在化學(xué)非均衡吸附模型和物理非均衡溶質(zhì)運(yùn)移模型的基礎(chǔ)上，Hydrus-1D通過添加滯邊界層來概化VOCs進(jìn)入土壤環(huán)境時(shí)的氣相－液相狀態(tài)（如圖1所示），輔以傅里葉定律（Fourier's Law）對這一過程熱通量變化的描述，較好地解決了VOCs類污染物從大氣環(huán)境遷移進(jìn)入土壤環(huán)境數(shù)學(xué)建模的問題。

1Hydrus-1D中的VOCs運(yùn)移理論模型

滯邊界層是一個(gè)用來描述VOCs在陸氣相互作用面上所發(fā)生熱量交換、溶質(zhì)擴(kuò)散等過程的假想模塊（通常情況下厚度d=0.5 cm），Hydrus-1D將滯邊界層嵌入到雙區(qū)一雙孔隙度模型（如圖1（a））和雙位吸附模型（圖1（b））中綜合描述VOCs從大氣環(huán)境遷移至土壤環(huán)境中的連鎖反應(yīng)過程。

地表土壤熱通量是大氣－地表之間物質(zhì)、能量交換過程中的關(guān)鍵部分，熱傳導(dǎo)過程可分為忽略水汽運(yùn)移作用（式（1）－式（4》與考慮水汽運(yùn)移作用（式（5）、式（6》兩種狀態(tài)的形式；引起土壤熱通量變化的3種主要作用，熱傳導(dǎo)、達(dá)西土壤水分運(yùn)動以及根系吸水分別對應(yīng)式（1）中右側(cè)的3個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式，當(dāng)處于飽和介質(zhì)中時(shí)（S=0，此時(shí)無根系吸水作用發(fā)生），式（1）可導(dǎo)出式（2）的表達(dá)形式。當(dāng)考慮水的相變引起土壤熱通量變化時(shí)，需要引入傅里葉定律加以描述（式（5》，即土壤的熱通密度值（式（5）左側(cè)）為顯熱傳導(dǎo)、顯熱對流、水汽顯熱和水汽感熱量之和（分別對應(yīng)式（5）中右側(cè)的4個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式）；此時(shí)描述土壤蒸汽擴(kuò)散、溫度變化（T）、壓力水頭（h）及導(dǎo)水率（Kch、Eor）在x方向上的變化由Richard方程的變形形式表達(dá)（式（6））。表觀導(dǎo)熱系數(shù)／熱導(dǎo)率由式（7）-式（9）計(jì)算得出，數(shù)值由土壤結(jié)構(gòu)按照質(zhì)地不同形態(tài)的比例確定。