一种流域重金属行为的动态定量模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境风险评估和环境管理领域，更具体地说，涉及一种流域重金属行 为的动态定量模拟方法。
【背景技术】
[0002] 由于人类对重金属的开采、冶炼、加工等活动日益增多，导致重金属大量进入环境 中。其中，矿区的重金属污染尤为严重，随意堆放的废矿堆、设施不全的尾矿库以及厂区的 排污口都是潜在的污染源。重金属以点源（厂区排污口）、面源（废矿、废渣、尾矿库等）形 式的排放会对流域的水环境、土壤环境造成危害，影响居民健康和社会发展。
[0003] 由于环境中重金属的空间异质性以及重金属本身的复杂性等，重金属的迀移转化 模拟较为复杂。目前国内外的迀移转化模型不多，主要分为经验模型、整体模型和分相模 型，经验模型采用经验关系式来描述重金属迀移转化与泥沙运动之间的关系，使用简单但 适用性较差。整体模型是指将河流作为一个整体，用质量平衡方法来描述重金属行为，原理 过于简单且未考虑重金属迀移转化的复杂物理化学机制。分相模型则是把污染物在河流中 的运动分成水相、悬移质相和沉积相分别建立模型，但大多数未考虑重金属在不同相中仍 存在不同形态，如水相中包括离子态和配合态等，不同形态重金属迀移转化规律存在较大 差别。
[0004] 流域中重金属的迀移主要分为两种：垂向迀移和水平迀移。垂向迀移主要指重金 属向下迀移污染深层土壤、地下水的过程以及毛细作用下的向上运移，水平迀移主要指重 金属伴随着土壤流失，地表径流，壤中流和地下径流的水平迀移过程。目前对于重金属垂向 迀移的研究较多，模型较成熟。关于重金属的水平迀移研究较少，主要关注重金属在河流中 的迀移转化，而对于重金属的入河前，即流域内淋洗、溶出、吸附等过程并未涉及，从而不能 反映整个流域重金属释放和迀移转化的综合过程。
[0005] SWAT模型对水文过程的模拟相当出色，同时可用于模拟具有多种土壤、土地利用 方式和管理条件的复杂流域内污染物的变化。SWAT模型在非点源污染如氮、磷、化肥、杀虫 剂应用较多并取得了很好的效果，这也展示出了 SWAT模型在流域重金属模拟的潜力。但目 前SWAT只能演算以点源形式输入河网的重金属迀移过程，且仅仅是通过质量守恒方程来 确定重金属的运动并不涉及重金属各种形态之间的转化。
[0006] 综上所述，如何实现重金属行为的全流域模拟成为本领域技术人员亟待解决的技 术问题之一。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种基于SWAT模型的流域重金属行为的动态定量模拟方 法，用于动态定量模拟流域中的重金属行为。
[0008] -种流域重金属行为的动态定量模拟方法，应用于水文模型SWAT模型中，包括：
[0009] 获取模拟研究区域重金属点源、面源污染的空间信息和采样数据；
[0010] 依据所述采样数据确定模拟研究区域以点源排放进入河道的重金属量Xp;
[0011] 依据所述采样数据确定模拟研究区域土壤中的活泼态金属含量Ms、不活泼态金属 含量M n;
[0012] 利用重金属土壤多元转化动力学模型确定土壤中不同形态的重金属以及各形态 间转化关系：
[0013] 计算得到随地表径流、壤中流、渗透流进行迀移的过程中从土壤中淋滤出的溶解 相重金属量X flciw;
[0014] 依据公式Xs sed= Ms ^sed · ε计算得到吸附在土壤颗粒上随地表径流中的悬浮泥 沙迀移到河道的活泼态重金属量Xs_d;
[0015] 依据公式Xn sed= Mn ^ed · ε计算得到吸附在土壤颗粒上随地表径流中的悬浮泥 沙迀移到河道的不活泼态重金属量Xn_d;
[0016] 根据重金属快速平衡假设理论保持研究区域的各态重金属处于平衡状态；
[0017] 依据公式
计算得到河道中通过沉降作用从悬移质相中去 除进入沉积相的活泼态重金属量xs_stl;
[0018] 依据公式、
计算得到河道中通过沉降作用从悬移质相中去 除进入沉积相的不活泼态重金属量xn_stl;
[0019] 依据公式
计算得到通过再悬浮从沉积相去除进入悬移质 相的活泼态重金属量xs_"p;
[0020] 依据公式
计算得到通过再悬浮从沉积相去除进入悬移质 相的不活泼态重金属量χη_"ρ;
[0021] 依据公式
计算得到通过扩散作用从高浓度区域 向低浓度区域运移的溶解相重金属量Xdlf;
[0022] 依据公式
计算得到通过掩埋作用从沉积相中去除的活泼态重 金属量Xs>;
[0023] 依据公式计算得到通过掩埋作用从沉积相中去除的不活泼态 重金属量χη>;
[0024] 根据重金属快速平衡假设理论保持研究区域的各态重金属处于平衡状态；
[0025] 依据所述重金属量Xp、Xflmv、Xs sed、Xn sed、Xflciw中离子态重金属含量X。3_和X flmv中 配合态重金属含量Xllgand计算得到研究区域从点、面污染源进入河道的各相态重金属量；
[0026] 依据所述重金属量 Xs stl、Xn stl、Xs rsp、Xn rsp、Xdlf、Xs bur、Xn bui^及公式 X ^x2 = X3 = l:KjL]Y:[Sed]Kd计算得到进入河道的重金属经过沉降作用、再悬浮作用、扩散作用、掩埋 作用以及平衡分配后流出河道的各相态重金属含量；
[0027] 综合各重金属量计算得最终河道重金属量；
[0028] 其中，[L]为土壤液相中溶解态有机物浓度，γ为配合反应配位数取值范围为0. 5 至1，Kd为是固-液分配系数，sed为产沙量，ε为重金属富集系数，V s为重金属沉降速度， depth为河道水深，Xs rch为河道中悬移质相活泼态重金属含量，Xn rch为河道中悬移质相不 活泼态重金属含量，T为河道中水流运动时间，V1^为重金属再悬浮速度，X S Sf；d为河道中底泥 相活泼态重金属含量，Xn sf3d为河道中底泥相不活泼态重金属含量，Vd为重金属在河道边界 层中的扩散速度，[X] rch为河道中水相溶解态重金属含量，[X] 为河道中沉积相溶解态重 金属含量，Vb为重金属掩埋速度，D srai为沉积层厚度，其中所述X i: x2: X3表示离子态、配合态、 活泼态重金属快速平衡后之间的比例。
[0029] 优选的，上述流域重金属行为的动态定量模拟方法中，所述获取模拟研究区域重 金属点源、面源污染的空间信息和采样数据，包括：
[0030] 通过在点源处分时段多次采集得到采样数据并测定其中溶解态重金属含量，采用 GPS定位并记录点源的经炜度；
[0031] 通过实地调查和遥感影像的解译获得所述面源的坐标位置和面积信息，在所述面 源的位置内随机布点采集废矿渣、土壤样品作为采样数据，测定其中的活泼态、不活泼态重 金属含量。
[0032] 优选的，上述流域重金属行为的动态定量模拟方法中，所述依据所述采样数据确 定模拟研究区域土壤中的活泼态金属含量M s、不活泼态金属含量Mn之后，还包括：
[0033] 依据重金属土壤多元转化动力学模型中的公式
计算得到Ms = Kd · [M];
[0034] 依据重金属土壤多元转化动力学模型中的公式，
计算得到
[ML] = Kl [M] [L]Y；
[0035] 其中，所述[Μ]为土壤液相中的溶解态重金属浓度，[MLY]为土壤液相中配合态重 金属浓度，[ML]为土壤液相中的配合物浓度。
[0036] 优选的，上述流域重金属行为的动态定量模拟方法中，所述根据重金属快速平衡 假设理论保持研究区域的各态重金属处于平衡状态，包括：
[0037] 判断土壤中的有机物[L]含量，当所述有机物[L]含量大于预设值时，根据重金属 快速平衡假设理论保持研究区域活泼态重金属M n、离子态重金属[M]、配合物结合态重金属 [MLY]处于平衡状态，当所述有机物[L]含量小于预设值时，根据重金属快速平衡假设理论 保持研究区域活泼态重金属M n、离子态重金属[M]处于平衡状态。
[0038] 优选的，上述流域重金属行为的动态定量模拟方法中，所述根据重金属快速平衡 假设理论保持研究区域活泼态重金属M n、离子态重金属[M]、配合物结合态重金属[MLY]处 于平衡状态，包括：
[0039] 依据重金属快速平衡假设理论和三种形态重金属比例关系保持研究区域活泼态 重金属Mn、离子态重金属[M]、配合物结合态重金属[ML Y]保持"三态"平衡状态：
[0040] 其中所述三种形态重金属比例关系为：[M] :MS: [MLY] = l:Kd:& · [L]Y;
[0041] 土壤中重金属总量为：x = Xcatlcm+Xllgand+Xs= [SAT(1+[L] γ) + Ρ dKd] [Μ]
[0042] 其中，X为研究区域土层中的重金属总量，乂^_为土层中离子态重金属总量、 Xllgand为土层中配合态重金属总量、Xs土层中活泼态重金属总量，SAT为被土层中的饱和含 水量，P为土壤容重，d为土层厚度。
[0043] 优选的，上述流域重金属行为的动态定量模拟方法中，所述计算得到随地表径流