一種金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法。本發(fā)明包括如下主要步驟：樣品采集與預(yù)處理、樣品檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、金屬礦區(qū)土-水界面重金屬遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型及預(yù)測(cè)模型方法的構(gòu)建、驗(yàn)證與優(yōu)化。本發(fā)明提供的預(yù)測(cè)方法與實(shí)際負(fù)荷的測(cè)定值的擬合度能達(dá)預(yù)測(cè)精度要求，從而為金屬礦區(qū)重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、控制、治理與修復(fù)等提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬礦山環(huán)境污染評(píng)價(jià)與控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土 -水界面污染流是受污染土壤在降雨或融雪徑流作用下產(chǎn)生的復(fù)合污染流體，其中污染物包含了各種重金屬、持久性有機(jī)物和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素等，也是非點(diǎn)源污染的一種特殊表現(xiàn)形式。
[0003]重金屬(如Mn、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn等)是全球性環(huán)境污染物，均對(duì)人體及生物具有慢性毒性及致癌性。隨著各種金屬(如鐵、銻、銅、錳、鉛、鋅、錳等)在各行各業(yè)的大量使用及大規(guī)模開(kāi)采與選冶，大量伴生的重金屬進(jìn)入礦區(qū)土壤，在降雨或融雪徑流作用下，形成金屬礦區(qū)土 -水界面重金屬污染流，造成金屬礦區(qū)及其周邊區(qū)域水環(huán)境重金屬?gòu)?fù)合型污染問(wèn)題且日益突出。
[0004]金屬礦區(qū)開(kāi)采和選冶過(guò)程中產(chǎn)生的固廢(礦石、廢礦石、尾礦砂、廢渣等)和生產(chǎn)污水等通過(guò)不同途徑進(jìn)入礦區(qū)土壤并導(dǎo)致土壤重金屬污染。受到降雨或融雪徑流的剪切、撞擊、沖刷、淋溶、浸泡等共同作用，土壤中的各種重金屬污染物在土壤與徑流界面之間發(fā)生擴(kuò)散、彌散、解吸、解離等多種物理化學(xué)反應(yīng)，最終形成復(fù)雜的金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染流。
[0005]由于金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染流與生態(tài)環(huán)境乃至人類(lèi)健康息息相關(guān)，一直都是環(huán)境科學(xué)中備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。為有效評(píng)測(cè)和控制該特殊污染流對(duì)區(qū)域環(huán)境污染的影響，不僅要了解降雨或融雪徑流作用下金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染流組成、含量水平、污染特征及污染物來(lái)源，還應(yīng)對(duì)各種重金屬污染物的污染負(fù)荷預(yù)測(cè)進(jìn)行深入研究。
[0006]目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于降雨或融雪徑流作用下土-水界面污染流分布特征的研究主要集中在農(nóng)田土壤、城市及城郊和公路等特殊下墊面區(qū)域。農(nóng)田土壤土 -水界面污染流主要以化肥、農(nóng)藥等引起的有機(jī)污染物特征為主，城市及城郊土-水界面污染流主要以工業(yè)生產(chǎn)的重金屬污染物、持久性有機(jī)污染物、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素在內(nèi)的多種污染物特征為主，公路方面土-水界面污染流主要以徑流沖刷、汽車(chē)等產(chǎn)生的懸浮固體物(SS)、部分重金屬、油類(lèi)污染物特征為主。
[0007]在土 -水界面重金屬污染物污染負(fù)荷預(yù)測(cè)方面，經(jīng)大量文獻(xiàn)查閱發(fā)現(xiàn):目前眾多學(xué)者主要對(duì)土-水界面污染流中單一介質(zhì)重金屬污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及影響因素進(jìn)行了較為深入研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)污染物的污染負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)外土水界面流的重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)集中體現(xiàn)在用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)幾個(gè)聯(lián)立的數(shù)學(xué)方程和邊界條件進(jìn)行求解，從而得到污染負(fù)荷。該類(lèi)數(shù)學(xué)模型從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由一維到三維，并不斷細(xì)化邊界條件，從而得到較為準(zhǔn)確的某一徑流的污染負(fù)荷。然而土-水界面并非一個(gè)均勻質(zhì)體，而是一個(gè)具有固液界面的空間變異體，具有高度的空間異質(zhì)性，加之，金屬礦區(qū)地形、地質(zhì)及降雨或融雪徑流條件復(fù)雜、固廢(礦石、廢礦石、尾礦砂、廢渣)及生產(chǎn)污水多且分布范圍廣、地表破壞嚴(yán)重等實(shí)際情況，使得數(shù)學(xué)模型對(duì)金屬礦區(qū)土 -水界面重金屬污染流污染負(fù)荷預(yù)測(cè)存在一定的局限性，進(jìn)一步增加了金屬礦區(qū)非點(diǎn)源污染中伴生重金屬污染評(píng)價(jià)與控制的難度。20世紀(jì)90年代以后，隨著衛(wèi)星和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)與非點(diǎn)源污染模型相結(jié)合用于非點(diǎn)源的污染負(fù)荷預(yù)測(cè)和污染影響環(huán)境評(píng)價(jià)。SWAT模型是在遙感技術(shù)(RS)與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的較為成熟的大流域水文模型，由美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)的農(nóng)業(yè)研究中心Jeff Amonld博士 1994年開(kāi)發(fā)的。它具有很強(qiáng)的物理基礎(chǔ)，可以應(yīng)用于多種土壤類(lèi)型、多種土地利用方式和不同的管理?xiàng)l件下的大范圍的復(fù)雜流域，且可以自動(dòng)獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)(在資料缺乏的地區(qū))，在美洲部分地區(qū)已經(jīng)得到具體的實(shí)際應(yīng)用。SWAT模型在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，主要有:產(chǎn)流/產(chǎn)沙模擬、非點(diǎn)源污染研究及輸入?yún)?shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響研究。國(guó)內(nèi)許多研究人員對(duì)不同的流域下墊面做了很多研究，但在重金屬污染研究方面極少，對(duì)于重金礦山土-水界面重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)幾乎沒(méi)有。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于通過(guò)借助林玉環(huán)汞遷移一維模型，建立金屬礦區(qū)土 -水界面流中重金屬的一維遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型，并嵌入SWAT軟件中，產(chǎn)生改進(jìn)的能應(yīng)用于金屬礦區(qū)土水界面污染流重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法。
[0009]本發(fā)明方法包括如下步驟:
[0010](I)樣品采集與預(yù)處理:樣品的采集采用系統(tǒng)隨機(jī)布點(diǎn)法，選擇金屬礦區(qū)為采樣區(qū)域，采樣點(diǎn)均勻分布在采樣區(qū)域內(nèi)，其采樣密度為0.05-0.06平方公里采樣一個(gè)，并采用GPS進(jìn)行樣點(diǎn)定位，記錄其經(jīng)緯度；在自然降雨且降雨強(qiáng)度大于下滲強(qiáng)度產(chǎn)生徑流時(shí)，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集地表坡面徑流水樣0.5-3L，放入聚乙烯瓶并用黑色塑料袋包裝后帶回實(shí)驗(yàn)室；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將所采水樣分別震蕩混勻，離心分離后用玻璃纖維濾膜過(guò)濾，所得水樣冷藏保存貼好標(biāo)簽，做好采樣記錄；同樣在采樣區(qū)域均勻采集土樣做好標(biāo)簽記錄，并對(duì)土壤類(lèi)型及土地利用方式進(jìn)行記錄；
[0011](2)樣品檢測(cè):對(duì)步驟(I)處理后水樣中重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，重金屬Sb、Cd、Hg采用王水-高氯酸消煮，Pb、As采用硝酸-高氯酸消煮；Sb、Hg、As采用原子熒光分光光度法測(cè)定，Cd、Zn、Pb、Mn采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定；對(duì)步驟(I)采集的土樣送到資源規(guī)劃勘測(cè)測(cè)試中心檢測(cè)；
[0012](3)數(shù)據(jù)處理:采用Grubbs法對(duì)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)中特異值進(jìn)行檢驗(yàn)和剔除；采用SPSS19.0軟件K-S法檢進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)；
[0013](4)建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù):根據(jù)通過(guò)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保部門(mén)提供以及近5年做該區(qū)污染研究的文獻(xiàn)中獲得的、過(guò)去5年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)的氣象氣候條件、土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型，以及通過(guò)對(duì)污染區(qū)過(guò)去5年工業(yè)廢水和生活污水污染、氮磷污染以及重金屬錳鉛污染歷史及區(qū)域資料調(diào)查與分析，結(jié)合當(dāng)?shù)貛追N主要的重金屬污染程度背景調(diào)查分析和其他研究所需資料，包括，礦區(qū)進(jìn)出礦口分布和周?chē)用駞^(qū)分布，以及農(nóng)田和水塘的分布分析；在GIS信息系統(tǒng)中建立該金屬礦區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括，采樣點(diǎn)經(jīng)緯度、礦區(qū)氣候、土壤類(lèi)型、土地利用方式、居民區(qū)與農(nóng)田水塘分布，并在此基礎(chǔ)上建立該礦區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與SWAT軟件的相關(guān)鏈接表；[0014](5)構(gòu)建重金屬遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型:以步驟(4)建立的區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)和RS技術(shù)，選擇林玉環(huán)汞一維遷移模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了差異修正因子和分配系數(shù)的改進(jìn)，得到重金屬的遷移轉(zhuǎn)化模型；
[0015](6)重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法構(gòu)建:用Fortran語(yǔ)言對(duì)步驟(5)所得的遷移轉(zhuǎn)化模型進(jìn)行編程，并將所編程序嵌入SWAT軟件的開(kāi)源程序接口中，以重金屬遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)和以SWAT軟件為平臺(tái)，從而構(gòu)建出金屬礦區(qū)土-水界面流重金屬污染負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，得到金屬礦區(qū)土-水界面流中重金屬污染負(fù)荷預(yù)測(cè)方法；
[0016](7)預(yù)測(cè)方法的驗(yàn)證與優(yōu)化:通過(guò)參數(shù)敏感性分析確定主要影響參數(shù)，應(yīng)用LH -OAT敏感性分析法，將參數(shù)敏感度表示為一個(gè)無(wú)量綱的指數(shù)，反映模型方法輸出結(jié)果隨模型參數(shù)的微小改變而變化的影響程度或敏感性程度，并應(yīng)用于SWAT軟件中；將近十年的數(shù)據(jù)對(duì)主要影響參數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，調(diào)節(jié)主要影響參數(shù)，使其擬合度達(dá)到要求并確定此時(shí)的主要參數(shù)取值，從而得到優(yōu)化的金屬礦區(qū)土 -水界面流重金屬污染負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。
[0017]進(jìn)一步，步驟(5)所述構(gòu)建重金屬遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型包括如下步驟:
[0018]以步驟(4)建立的區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)和RS技術(shù)，選擇
重金屬動(dòng)力學(xué)模型
【權(quán)利要求】
1.一種金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括如下步驟: (1)樣品采集與預(yù)處理:樣品的采集采用系統(tǒng)隨機(jī)布點(diǎn)法，選擇金屬礦區(qū)為采樣區(qū)域，采樣點(diǎn)均勻分布在采樣區(qū)域內(nèi)，其采樣密度為0.05-0.06平方公里采樣一個(gè)，并采用GPS進(jìn)行樣點(diǎn)定位，記錄其經(jīng)緯度；在自然降雨且降雨強(qiáng)度大于下滲強(qiáng)度產(chǎn)生徑流時(shí)，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集地表坡面徑流水樣0.5-3L，放入聚乙烯瓶并用黑色塑料袋包裝后帶回實(shí)驗(yàn)室；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將所采水樣分別震蕩混勻，離心分離后用玻璃纖維濾膜過(guò)濾，所得水樣冷藏保存貼好標(biāo)簽，做好采樣記錄；同樣在采樣區(qū)域均勻采集土樣做好標(biāo)簽記錄，并對(duì)土壤類(lèi)型及土地利用方式進(jìn)行記錄； (2)樣品檢測(cè):對(duì)步驟(1)處理后水樣中重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，重金屬Sb、Cd、Hg采用王水-高氯酸消煮，Pb、As采用硝酸-高氯酸消煮；Sb、Hg、As采用原子熒光分光光度法測(cè)定，Cd、Zn、Pb、Mn采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定；對(duì)步驟(1)采集的土樣送到資源規(guī)劃勘測(cè)測(cè)試中心檢測(cè)； (3)數(shù)據(jù)處理:采用Grubbs法對(duì)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)中特異值進(jìn)行檢驗(yàn)和剔除；采用SPSS19.0軟件K-S法檢進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)； (4)建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù):根據(jù)通過(guò)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保部門(mén)提供以及近5年做該區(qū)污染研究的文獻(xiàn)中獲得的、過(guò)去5年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)的氣象氣候條件、土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型，以及通過(guò)對(duì)污染區(qū)過(guò)去5年工業(yè)廢水和生活污水污染、氮磷污染以及重金屬錳鉛污染歷史及區(qū)域資料調(diào)查與分析，結(jié)合當(dāng)?shù)貛追N主要的重金屬污染程度背景調(diào)查分析和其他研究所需資料，包括，礦區(qū)進(jìn)出礦口分布和周?chē)用駞^(qū)分布，以及農(nóng)田和水塘的分布分析；在615信息系統(tǒng)中建立該金屬礦區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括，采樣點(diǎn)經(jīng)緯度、礦區(qū)氣候、土壤類(lèi)型、土地利用方式、居民區(qū)與農(nóng)田水塘分布，并在此基礎(chǔ)上建立該礦區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與SWAT軟件的相關(guān)鏈接表; (5)構(gòu)建重金屬遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型:以步驟(4)建立的區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)和RS技術(shù)，選擇林玉環(huán)汞一維遷移模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了差異修正因子和分配系數(shù)的改進(jìn)，得到重金屬的遷移轉(zhuǎn)化模型； (6)重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法構(gòu)建:用Fortran語(yǔ)言對(duì)步驟(5)所得的遷移轉(zhuǎn)化模型進(jìn)行編程，并將所編程序嵌入SWAT軟件的開(kāi)源程序接口中，以重金屬遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)和以SWAT軟件為平臺(tái)，從而構(gòu)建出金屬礦區(qū)土 -水界面流重金屬污染負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，得到金屬礦區(qū)土-水界面流中重金屬污染負(fù)荷預(yù)測(cè)方法； (7)預(yù)測(cè)方法的驗(yàn)證與優(yōu)化:通過(guò)參數(shù)敏感性分析確定主要影響參數(shù)，應(yīng)用LH- OAT敏感性分析法，將參數(shù)敏感度表示為一個(gè)無(wú)量綱的指數(shù)，反映模型方法輸出結(jié)果隨模型參數(shù)的微小改變而變化的影響程度或敏感性程度，并應(yīng)用于SWAT軟件中；將近十年的數(shù)據(jù)對(duì)主要影響參數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，調(diào)節(jié)主要影響參數(shù)，使其擬合度達(dá)到要求并確定此時(shí)的主要參數(shù)取值，從而得到優(yōu)化的金屬礦區(qū)土-水界面流重金屬污染負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟(5)所述構(gòu)建重金屬遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型包括如下步驟: 以步驟(4)建立的區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)和RS技術(shù)，選擇重
dC dC I d dC I金屬動(dòng)力學(xué)模型:+ =+ ，對(duì)該模型進(jìn)行了元素差異修
Ol C/Λ /I C/AC/Λ?正因子β和分配系數(shù)k的改進(jìn)得到金屬礦區(qū)土-水界面重金屬的遷移轉(zhuǎn)化模型:
【文檔編號(hào)】G01N21/64GK103544550SQ201310551832
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月8日
【發(fā)明者】任伯幟, 劉克家, 馬宏璞, 周紅濤, 盧鏡成 申請(qǐng)人:湖南科技大學(xué)