土壤中重金属运移的数值模拟及不确定性分析-系统理论专业论文.docx

＼姻y删2043387摘要随着工农业的迅速发展，土壤中重金属污染日益严重，给人类的生存安全带来了严重的威胁。为了搞清重金属Cu、Cd、Zn、Pb在土壤中运移转化的机理，本文分别以石英砂、壤砂土及层状分布土壤(壤土一砂壤土)为介质，模拟了重金属Cu、Cd、Zn、Pb在石英砂中的运移行为并进行了参数敏感度分析；探讨了Si02胶体及胶体影响下Zn、Cd在壤砂土中的运移特征及数值模拟；对重金属Cu、Cd、Zn在层状分布土壤中的运移行为进行了实验研究与数值模拟；采用基于贝叶斯理论的GLUE方法对溶质运移模型参数的不确定性进行了研究分析，所取得的主要研究成果如下：(1)耦合Freundlich等温吸附的两点非平衡模型(TwoSiteNonequilibriumModel．TSM)对石英砂中重金属Cu、Cd、Zn、Pb运移穿透曲线(BTCs)的拟合效果较好(确定性系数R20．9，均方根误差RMSE_0．8E．3)，石英砂对重金属的吸附作用以动力学吸附为主(平衡吸附点位分数．厂较小)。参数的敏感度分析结果表明，影响重金属Cu、Cd、Zn、Pb出流浓度峰值大小的最敏感参数为吸附特征参数∥，其次为饱和水力传导率Ks；影响峰值出流时间最敏感的参数为K，其次为∥；墨和卢对模拟结果的RMSE影响较大，控制着模拟结果的浓度分布，其他参数则对模拟结果影响较小。(2)Si02胶体在土壤中能较早地穿透，耦合沉淀．释放反应的对流．弥散方程可以很好地描述胶体在土壤中的运移。耦合Freundlich等温吸附的单点非平衡模型(OneSiteNonequilibriumModel，OSM)能较好地模拟zn、Cd在壤砂土中的运移，土壤对Zn、Cd的吸附亦以动力学反应为主，壤砂土吸附表面的不均一性较强(吸附特性参数∥较小)。Si02胶体对壤砂土中Zn、Cd的运移产生了不同的影响，Si02胶体促进了Zn的运移，但对Cd的运移有抑制；胶体作用下的溶质运移模型成功地模拟了Si02胶体存在时Zn、Cd的运移过程。(3)层状分布土壤中，Cu、Cd、Zn单独存在时，土壤对Cd运移的阻滞能力最大。Cu、Cd、Zn共存时，由于Cu的竞争吸附能力较强，土壤对Cu运移的阻滞能力最大，Cd次之，Zn最小；另外，Zn的出流浓度在近峰值处大于初始浓度(c／co1)，出现了“滚雪球效应(snowploweffect)No对各土层分别求得的饱和含水量夙和弥散度A能很好地模拟层状分布土壤中Br的运移。耦合Freundlich等温吸附的OSM模型成功地模拟了Cu、Cd、Zn的运移，模拟结果在一定程度上反映了层状分布土壤对重金属的吸附特性，但模型参数存在着一定的不确定性。(4)数值分析结果表明，饱和稳定流条件下，层状分布土壤的土层叠置顺序对溶质的出流浓度没有影响，但对土壤剖面溶质的浓度分布影响较大。(5)溶质运移模型参数的不确定性研究结果表明，仅对夙和A进行反演时，仇和A的可识别性较强，且侠的区域敏感度大于A。对耦合Freundlich等温吸附的两点非平衡模型参数进行识别时，由于参数间的相互影响，夙和A的可识别性降低；吸附特性参数b具有较大的不确定性，参数后验分布基本呈均匀分布，可识别性较差，∥、∞、f的取值区间相对收敛，参数的后验分布呈类正态分布，可识别性较强。K-S检验结果表明，参数区域敏感度由高到底的排序为．^∞、∥、舞、五、夙，这主要是因为石英砂对Cu的吸附以动力学反应为主，而厂和∞是与动力学吸附反应相关的两个参数。(6)层状分布土壤的水力学参数侠l、Al、＆、A2的不确定性分析结果表明，参数在取值范围内分布比较均匀，“异参同效(equifmality)’’现象显著，参数的可识别性差，区域敏感度较低。相关性分析发现，侠l与仇2存在着显著负相关，相关系数为．0．994。关键词：重金属；运移；数值模拟；胶体；参数不确定性；AbstractWiththerapiddevelopmentofindustryandagriculture，thecontaminationofheavymetalsinsoilsisbecomingincreasinglyserious，whichposesacriticalthreattothehumen’Ssurvival．Thisthesisstudiedheavymetals(Cu,Cd，Zn，Pb)transportinporousmediumsuchas quartzsand，loamysandandlayeredsoils，andanalysedthebreakthroughcurves(BTCs)、析t11thesolutetransportmodels(two-sitenonequilibriummodel，TSMandone-sitenonequilibrium