一種金屬礦區土-水界面重金屬汙染負荷的預測方法
2023-07-05 06:33:26
一種金屬礦區土-水界面重金屬汙染負荷的預測方法
【專利摘要】本發明公開了一種金屬礦區土-水界面重金屬汙染負荷的預測方法。本發明包括如下主要步驟：樣品採集與預處理、樣品檢測、數據處理建立GIS資料庫、金屬礦區土-水界面重金屬遷移轉化動力學模型及預測模型方法的構建、驗證與優化。本發明提供的預測方法與實際負荷的測定值的擬合度能達預測精度要求，從而為金屬礦區重金屬汙染的生態風險評價、控制、治理與修復等提供理論基礎和科學依據。
【專利說明】一種金屬礦區土-水界面重金屬汙染負荷的預測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於金屬礦山環境汙染評價與控制【技術領域】，具體涉及一種金屬礦區土-水界面重金屬汙染負荷的預測方法。
【背景技術】
[0002]土 -水界面汙染流是受汙染土壤在降雨或融雪徑流作用下產生的複合汙染流體，其中汙染物包含了各種重金屬、持久性有機物和氮、磷等營養元素等，也是非點源汙染的一種特殊表現形式。
[0003]重金屬(如Mn、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn等)是全球性環境汙染物，均對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)在各行各業的大量使用及大規模開採與選冶，大量伴生的重金屬進入礦區土壤，在降雨或融雪徑流作用下，形成金屬礦區土 -水界面重金屬汙染流，造成金屬礦區及其周邊區域水環境重金屬複合型汙染問題且日益突出。
[0004]金屬礦區開採和選冶過程中產生的固廢(礦石、廢礦石、尾礦砂、廢渣等)和生產汙水等通過不同途徑進入礦區土壤並導致土壤重金屬汙染。受到降雨或融雪徑流的剪切、撞擊、衝刷、淋溶、浸泡等共同作用，土壤中的各種重金屬汙染物在土壤與徑流界面之間發生擴散、彌散、解吸、解離等多種物理化學反應，最終形成複雜的金屬礦區土-水界面重金屬汙染流。
[0005]由於金屬礦區土-水界面重金屬汙染流與生態環境乃至人類健康息息相關，一直都是環境科學中備受關注的研究領域。為有效評測和控制該特殊汙染流對區域環境汙染的影響，不僅要了解降雨或融雪徑流作用下金屬礦區土-水界面重金屬汙染流組成、含量水平、汙染特徵及汙染物來源，還應對各種重金屬汙染物的汙染負荷預測進行深入研究。
[0006]目前國內外關於降雨或融雪徑流作用下土-水界面汙染流分布特徵的研究主要集中在農田土壤、城市及城郊和公路等特殊下墊面區域。農田土壤土 -水界面汙染流主要以化肥、農藥等引起的有機汙染物特徵為主，城市及城郊土-水界面汙染流主要以工業生產的重金屬汙染物、持久性有機汙染物、氮、磷等營養元素在內的多種汙染物特徵為主，公路方面土-水界面汙染流主要以徑流衝刷、汽車等產生的懸浮固體物(SS)、部分重金屬、油類汙染物特徵為主。
[0007]在土 -水界面重金屬汙染物汙染負荷預測方面，經大量文獻查閱發現:目前眾多學者主要對土-水界面汙染流中單一介質重金屬汙染物的遷移轉化規律以及影響因素進行了較為深入研究，並在此基礎上對汙染物的汙染負荷進行了預測。國內外土水界面流的重金屬汙染負荷的預測集中體現在用數學模型進行預測，通過幾個聯立的數學方程和邊界條件進行求解，從而得到汙染負荷。該類數學模型從簡單到複雜，由一維到三維，並不斷細化邊界條件，從而得到較為準確的某一徑流的汙染負荷。然而土-水界面並非一個均勻質體，而是一個具有固液界面的空間變異體，具有高度的空間異質性，加之，金屬礦區地形、地質及降雨或融雪徑流條件複雜、固廢(礦石、廢礦石、尾礦砂、廢渣)及生產汙水多且分布範圍廣、地表破壞嚴重等實際情況，使得數學模型對金屬礦區土 -水界面重金屬汙染流汙染負荷預測存在一定的局限性，進一步增加了金屬礦區非點源汙染中伴生重金屬汙染評價與控制的難度。20世紀90年代以後，隨著衛星和計算機技術的發展和進步，遙感技術(RS)、地理信息系統(GIS)技術與非點源汙染模型相結合用於非點源的汙染負荷預測和汙染影響環境評價。SWAT模型是在遙感技術(RS)與地理信息系統(GIS)技術基礎上發展的較為成熟的大流域水文模型，由美國農業部(USDA)的農業研究中心Jeff Amonld博士 1994年開發的。它具有很強的物理基礎，可以應用於多種土壤類型、多種土地利用方式和不同的管理條件下的大範圍的複雜流域，且可以自動獲取相關的數據(在資料缺乏的地區)，在美洲部分地區已經得到具體的實際應用。SWAT模型在國內的應用，主要有:產流/產沙模擬、非點源汙染研究及輸入參數對模擬結果的影響研究。國內許多研究人員對不同的流域下墊面做了很多研究，但在重金屬汙染研究方面極少，對於重金礦山土-水界面重金屬汙染負荷的預測幾乎沒有。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在於通過藉助林玉環汞遷移一維模型，建立金屬礦區土 -水界面流中重金屬的一維遷移轉化動力學模型，並嵌入SWAT軟體中，產生改進的能應用於金屬礦區土水界面汙染流重金屬汙染負荷的預測方法。
[0009]本發明方法包括如下步驟:
[0010](I)樣品採集與預處理:樣品的採集採用系統隨機布點法，選擇金屬礦區為採樣區域，採樣點均勻分布在採樣區域內，其採樣密度為0.05-0.06平方公裡採樣一個，並採用GPS進行樣點定位，記錄其經緯度；在自然降雨且降雨強度大於下滲強度產生徑流時，在每個採樣點採集地表坡面徑流水樣0.5-3L，放入聚乙烯瓶並用黑色塑膠袋包裝後帶回實驗室；在實驗室內將所採水樣分別震蕩混勻，離心分離後用玻璃纖維濾膜過濾，所得水樣冷藏保存貼好標籤，做好採樣記錄；同樣在採樣區域均勻採集土樣做好標籤記錄，並對土壤類型及土地利用方式進行記錄；
[0011](2)樣品檢測:對步驟(I)處理後水樣中重金屬含量進行測定，重金屬Sb、Cd、Hg採用王水-高氯酸消煮，Pb、As採用硝酸-高氯酸消煮；Sb、Hg、As採用原子螢光分光光度法測定，Cd、Zn、Pb、Mn採用火焰原子吸收分光光度法測定；對步驟(I)採集的土樣送到資源規劃勘測測試中心檢測；
[0012](3)數據處理:採用Grubbs法對測得的原始數據中特異值進行檢驗和剔除；採用SPSS19.0軟體K-S法檢進行數據的正態分布檢驗；
[0013](4)建立GIS資料庫:根據通過當地的環保部門提供以及近5年做該區汙染研究的文獻中獲得的、過去5年的實測數據，包括研究區的氣象氣候條件、土地利用類型、土壤類型，以及通過對汙染區過去5年工業廢水和生活汙水汙染、氮磷汙染以及重金屬錳鉛汙染歷史及區域資料調查與分析，結合當地幾種主要的重金屬汙染程度背景調查分析和其他研究所需資料，包括，礦區進出礦口分布和周圍居民區分布，以及農田和水塘的分布分析；在GIS信息系統中建立該金屬礦區基礎資料庫，包括，採樣點經緯度、礦區氣候、土壤類型、土地利用方式、居民區與農田水塘分布，並在此基礎上建立該礦區基礎數據與SWAT軟體的相關連結表；[0014](5)構建重金屬遷移轉化動力學模型:以步驟(4)建立的區域GIS資料庫為基礎，基於GIS技術和RS技術，選擇林玉環汞一維遷移模型，並對該模型進行了差異修正因子和分配係數的改進，得到重金屬的遷移轉化模型；
[0015](6)重金屬汙染負荷的預測方法構建:用Fortran語言對步驟(5)所得的遷移轉化模型進行編程，並將所編程序嵌入SWAT軟體的開源程序接口中，以重金屬遷移轉化動力學模型為基礎和以SWAT軟體為平臺，從而構建出金屬礦區土-水界面流重金屬汙染負荷預測模型，得到金屬礦區土-水界面流中重金屬汙染負荷預測方法；
[0016](7)預測方法的驗證與優化:通過參數敏感性分析確定主要影響參數，應用LH -OAT敏感性分析法，將參數敏感度表示為一個無量綱的指數，反映模型方法輸出結果隨模型參數的微小改變而變化的影響程度或敏感性程度，並應用於SWAT軟體中；將近十年的數據對主要影響參數進行了率定和驗證，調節主要影響參數，使其擬合度達到要求並確定此時的主要參數取值，從而得到優化的金屬礦區土 -水界面流重金屬汙染負荷預測方法。
[0017]進一步，步驟(5)所述構建重金屬遷移轉化動力學模型包括如下步驟:
[0018]以步驟(4)建立的區域GIS資料庫為基礎，基於GIS技術和RS技術，選擇
重金屬動力學模型
【權利要求】
1.一種金屬礦區土-水界面重金屬汙染負荷的預測方法，其特徵在於包括如下步驟: (1)樣品採集與預處理:樣品的採集採用系統隨機布點法，選擇金屬礦區為採樣區域，採樣點均勻分布在採樣區域內，其採樣密度為0.05-0.06平方公裡採樣一個，並採用GPS進行樣點定位，記錄其經緯度；在自然降雨且降雨強度大於下滲強度產生徑流時，在每個採樣點採集地表坡面徑流水樣0.5-3L，放入聚乙烯瓶並用黑色塑膠袋包裝後帶回實驗室；在實驗室內將所採水樣分別震蕩混勻，離心分離後用玻璃纖維濾膜過濾，所得水樣冷藏保存貼好標籤，做好採樣記錄；同樣在採樣區域均勻採集土樣做好標籤記錄，並對土壤類型及土地利用方式進行記錄； (2)樣品檢測:對步驟(1)處理後水樣中重金屬含量進行測定，重金屬Sb、Cd、Hg採用王水-高氯酸消煮，Pb、As採用硝酸-高氯酸消煮；Sb、Hg、As採用原子螢光分光光度法測定，Cd、Zn、Pb、Mn採用火焰原子吸收分光光度法測定；對步驟(1)採集的土樣送到資源規劃勘測測試中心檢測； (3)數據處理:採用Grubbs法對測得的原始數據中特異值進行檢驗和剔除；採用SPSS19.0軟體K-S法檢進行數據的正態分布檢驗； (4)建立GIS資料庫:根據通過當地的環保部門提供以及近5年做該區汙染研究的文獻中獲得的、過去5年的實測數據，包括研究區的氣象氣候條件、土地利用類型、土壤類型，以及通過對汙染區過去5年工業廢水和生活汙水汙染、氮磷汙染以及重金屬錳鉛汙染歷史及區域資料調查與分析，結合當地幾種主要的重金屬汙染程度背景調查分析和其他研究所需資料，包括，礦區進出礦口分布和周圍居民區分布，以及農田和水塘的分布分析；在615信息系統中建立該金屬礦區基礎資料庫，包括，採樣點經緯度、礦區氣候、土壤類型、土地利用方式、居民區與農田水塘分布，並在此基礎上建立該礦區基礎數據與SWAT軟體的相關連結表; (5)構建重金屬遷移轉化動力學模型:以步驟(4)建立的區域GIS資料庫為基礎，基於GIS技術和RS技術，選擇林玉環汞一維遷移模型，並對該模型進行了差異修正因子和分配係數的改進，得到重金屬的遷移轉化模型； (6)重金屬汙染負荷的預測方法構建:用Fortran語言對步驟(5)所得的遷移轉化模型進行編程，並將所編程序嵌入SWAT軟體的開源程序接口中，以重金屬遷移轉化動力學模型為基礎和以SWAT軟體為平臺，從而構建出金屬礦區土 -水界面流重金屬汙染負荷預測模型，得到金屬礦區土-水界面流中重金屬汙染負荷預測方法； (7)預測方法的驗證與優化:通過參數敏感性分析確定主要影響參數，應用LH- OAT敏感性分析法，將參數敏感度表示為一個無量綱的指數，反映模型方法輸出結果隨模型參數的微小改變而變化的影響程度或敏感性程度，並應用於SWAT軟體中；將近十年的數據對主要影響參數進行了率定和驗證，調節主要影響參數，使其擬合度達到要求並確定此時的主要參數取值，從而得到優化的金屬礦區土-水界面流重金屬汙染負荷預測方法。
2.根據權利要求1所述的金屬礦區土-水界面重金屬汙染負荷的預測方法，其特徵在於，步驟(5)所述構建重金屬遷移轉化動力學模型包括如下步驟: 以步驟(4)建立的區域GIS資料庫為基礎，基於GIS技術和RS技術，選擇重
dC dC I d dC I金屬動力學模型:+ =+ ，對該模型進行了元素差異修
Ol C/Λ /I C/AC/Λ?正因子β和分配係數k的改進得到金屬礦區土-水界面重金屬的遷移轉化模型:
【文檔編號】G01N21/64GK103544550SQ201310551832
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2013年11月8日
【發明者】任伯幟, 劉克家, 馬宏璞, 周紅濤, 盧鏡成 申請人:湖南科技大學