1、    土壤及地下水污染研究進展日期: 2009-2-5 12:03:04瀏覽: 186來源: 學海網(wǎng)收集整理作者: 未知土壤及地下水污染研究進展 張紅梅，速寶玉(河海大學水利水電工程學院)一、土壤及地下水污染研究進展目前人們對污染物在土壤及地下水中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究，一是通過室內(nèi)土柱試驗和野外大田試驗進行實測模擬分析，二是通過建立數(shù)學模型來進行數(shù)值模擬分析，通過模型模擬來預測污染物濃度的時空變化規(guī)律，以便采取控制措施，使土壤和地下水環(huán)境受影響的程度降為最低。根據(jù)污染物在土壤及地下水系統(tǒng)中的遷移途徑，研究者分別從表層土、含水層及非飽和帶3個方面進行了研究

2、，并取得了一系列成果。（一）污染物在表土層中遷移轉(zhuǎn)化的研究表土層污染物主要有無機廢物污染及有機廢物污染，國內(nèi)外許多學者對上述各種污染物開展了大量的研究工作，尤其是重金屬、化肥和有機農(nóng)藥方面的研究受到農(nóng)學家們的高度重視。學者們對于污染物在土壤作物系統(tǒng)的吸附、遷移、轉(zhuǎn)化、歸宿和分布規(guī)律方面的研究，都取得了較大的成果。但由于土壤環(huán)境的復雜多樣性，而且污染物的種類、污染途徑、污染物與環(huán)境各要素作用機理不同，因此對各種類型的污染必須分別研究。1污染物在表層土中遷移轉(zhuǎn)化研究由于表層土壤中含有大量的有機質(zhì)和微生物，使得各種污染物在其中發(fā)生了復雜的物理、化學和生物反應?？紤]到表土層比較薄，國內(nèi)外大多都采用黑箱

3、模型來描述污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，對于內(nèi)部機理的研究成果較少。如美國的Jury(1971)在砂土中拌鹽用灌水入滲淋溶試驗觀測溶質(zhì)在均勻土壤中的遷移規(guī)律；Jaynes(1991)在野外進行了漫灌條件下Br-離子的示蹤試驗；Ellsworth(1996)在露天試驗場進行了微區(qū)試驗，研究了Br-、Cl-、NO3-隨水流在非飽和土壤中的運移規(guī)律。近年來，土壤學家借助于室內(nèi)外模型試驗，正在確定土壤的環(huán)境容量，美國等發(fā)達國家正在進行表土層的灰箱模型研究，如Geng等人將氮循環(huán)過程看作“灰箱”，進行土壤地下水系統(tǒng)的氮循環(huán)遷移模擬，并在不同區(qū)域范圍和不同環(huán)境條件下進行了應用，得到了滿意的結(jié)果。該模型由3個子模型

4、構(gòu)成，分別模擬硝酸鹽遷移過程中各個環(huán)節(jié)，即土壤中氮循環(huán)和硝酸鹽滲出量模型、硝酸鹽從土壤到含水層的遷移量模型、以及二者的耦合模型。2污水灌溉引起的土壤污染問題污水灌溉是解決水資源缺乏和污水資源化的重要工程措施，污水中大多含有比較豐富的有機物質(zhì)，它們在一定條件下分解，能為農(nóng)作物提供可利用的氮、磷等多種養(yǎng)分，作物增產(chǎn)效果明顯，但是由于污水中含有不同種類的污染物質(zhì)，長期利用這種污水進行灌溉已經(jīng)在一定程度上造成了土壤環(huán)境的惡化。尤其是重金屬污染，可在土壤和生物中富集造成對土壤和作物的污染，損害人類健康。重金屬在土壤中積累的初期，不易被人們覺察或注意，屬于潛在危害。目前研究比較深入的有Hg、Cd、Pb、A

5、s、Cr、Cu、Zn、Se、Ni等。由于它們各具不同的特性，其遷移、轉(zhuǎn)化的特點以及造成的污染危害也不盡相同。所以在研究其危害時，不僅要注意它們的總含量，還必須重視各種形態(tài)的含量，同時也要考慮作物對它們的影響。3農(nóng)藥化肥引起的土壤污染問題隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，化肥農(nóng)藥的大量使用已成為土壤環(huán)境污染的最主要因素，如氮、磷污染引起水體的富營養(yǎng)化，硝酸根污染地下水的問題。國內(nèi)外學者對土壤中氮素轉(zhuǎn)化的各種物理、化學和生物化學的作用機理進行了大量的理論和實驗研究，并得到了許多有益的規(guī)律性的認識。近年來，人們已建立起各種污染物遷移模型來模擬化肥和農(nóng)藥及其殘留物在土壤和地下水中的歸趨和遷移。如武強(1991)研

6、究了排水條件下飽和非飽和水鹽運動規(guī)律；徐玉佩(1993)對野外條件下水動力彌散系數(shù)的測定方法進行了研究；馮紹元(1995)研究了排水條件下飽和土壤中氮肥轉(zhuǎn)化與運移問題；楊大文、楊詩秀(1992)在室內(nèi)土柱上研究了殺蟲劑在土壤中遷移及其影響因素，考慮了對流、彌散、吸附、降解四因素的影響，結(jié)果表明:對流、彌散、吸附作用對農(nóng)藥運移影響很大，而降解作用影響小，降解僅決定了農(nóng)藥在土壤中的殘留量；黃元仿等人在田間條件下研究氮素運移的模擬模型時，考慮了以上各影響因素，但由于控制方程太復雜，無法在田間驗證，而僅做了氮平衡計算，討論了氮肥施入的動向。結(jié)果表明：根系吸氮總量遠遠大于其它一切影響因素，是氮在農(nóng)田中的

7、主要支出項。目前國外對農(nóng)藥引起的環(huán)境污染問題高度重視，不斷淘汰對環(huán)境有害的農(nóng)藥，逐步推廣低毒無害或生物農(nóng)藥。（二）污染物在地下水中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究污染物在地下水中遷移轉(zhuǎn)化的研究，主要是運用數(shù)學模擬方法進行的。應用數(shù)學模型模擬可溶性污染物在地下含水層中遷移時，需要將水流模型和水質(zhì)模型耦合起來，求出污染物濃度的時空變化規(guī)律，以此來預測地下水污染的瞬時動態(tài)與擴展范圍，為制定合理有效的地下水污染防治措施，選擇最佳治理方案提供科學依據(jù)。20世紀60年代后期，為了研究地下水水質(zhì)，人們把數(shù)學模型應用進來。首先由蘇聯(lián)的Bel對孔隙介質(zhì)中水動力彌散進行了詳細研究，指出了水動力彌散可由縱向彌散和橫向彌散系數(shù)來表

8、征。Fried(1972年)進一步研究了經(jīng)典模型與水動力彌散方程，該方程是建立在宏觀孔隙介質(zhì)連續(xù)的前提下的，據(jù)此認為：孔隙介質(zhì)的每個無窮小單元體都是由固體物質(zhì)與孔隙構(gòu)成的，并提出了考慮固體物質(zhì)與孔隙分界面是濃度與濃度梯度跳躍的新水動力彌散模型，導致水動力彌散方程中增加了補充項。至于可預測含水層中污染濃度的復雜數(shù)學模型是由Konikon等人在1978年研制出來。1977年Wills和Neumman在系列論文中提出了分散參數(shù)系統(tǒng)內(nèi)地下水質(zhì)動態(tài)管理的通用模型。近年來，國內(nèi)外學者在地下水溶質(zhì)運移理論及試驗研究方面又取得了新的進展。如對污染物遷移的彌散系數(shù)提出了與時空有關(guān)的表達式；通過大量的試驗研究使得

9、遷移方程中的衰減、離子交換、生物、化學反應項的系數(shù)取值更為合理，考慮的因素更為全面；對于污染物中固液相濃度的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系進行了深入的研究，吸附條件由平衡等溫模式發(fā)展到考慮非平衡吸附模式；邊界條件和初始條件的設(shè)定也更趨于合理和全面。隨著研究的深入，國外對污染物遷移轉(zhuǎn)化的隨機模型也開始廣泛的研究，新的成果不斷問世。在遷移載體水分運動方面，又發(fā)展到考慮可動和不可動水體等因素。我國地下水水質(zhì)模擬研究工作是最近20年來的事情，1980年初首先由山東省地質(zhì)局等單位在濟寧市郊區(qū)進行了現(xiàn)場試驗研究工作，并建立了我國第一個為預測地下水污染發(fā)展趨勢的地下水水質(zhì)模型。1982年武漢水利電力學院應用伽遼金有限元法求解

10、了在滲流區(qū)有抽水井條件下的二維溶質(zhì)遷移及在自由表面上有入滲補給時二維滲流中的溶質(zhì)遷移問題。這以后許多學者開始進行這方面的理論和工程應用研究。其中對流彌散模型是使用最多的數(shù)學模型，許多研究者將該模型加以修正以使模型適用于不同的工程情況，目前的對流彌散模型的主要應用有：越流含水層中的污染遷移；裂隙巖體中的溶質(zhì)遷移；海水入侵引起的變密度溶質(zhì)遷移；填埋場滲濾液的遷移；地下放射性核廢料的遷移模擬等等。（三）污染物在非飽和土壤中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究人類對污染物在非飽和土壤中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究開始于20世紀80年代，美國、英國等西方發(fā)達國家，在研究非飽和帶水分運動的基礎(chǔ)上，開始研究污染物在非飽和土壤中的遷移規(guī)

11、律。通過大量的室內(nèi)及野外土柱試驗，確定了非飽和帶垂向一維彌散系數(shù)和衰減系數(shù)，此階段的示蹤劑大都采用保守性物質(zhì)。隨著研究工作的深入，逐步開始研究重金屬在非飽和帶的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，考慮土壤液相和固相濃度的分配系數(shù)，并借助于Henry，F(xiàn)reundlich和Langmuir的等溫吸附模式來表示液相和固相濃度吸附和解吸問題。對于彌散系數(shù)的研究，Pickens和Grisak又將恒定常數(shù)擴展為隨時空變化的動態(tài)參數(shù)。對土壤介質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，由結(jié)構(gòu)不變的剛性體，發(fā)展為研究可變的介質(zhì)體；由均質(zhì)土壤研究到分層土壤。在土壤水分運動方面，由非飽和帶的平均孔隙速度發(fā)展到研究可動水體和不可動水體，并綜合考慮水、氣、污染物及土

12、壤四者之間相互作用關(guān)系。在數(shù)學模型求解方面也在不斷發(fā)展，由非飽和帶的簡單解析解發(fā)展到考慮復雜因素的數(shù)值解，求解的初始條件和邊界條件也在不斷改進，使之更加接近于污染物遷移的實際情況。我國對污染物在非飽和土壤中遷移轉(zhuǎn)化的研究已開始重視起來，學者們對此進行了大量的研究工作，尤其是氮、磷、重金屬和有機農(nóng)藥污染方面受到農(nóng)學家們的高度重視，對于它們在土壤作物系統(tǒng)的吸附、遷移、轉(zhuǎn)化、歸宿和分布規(guī)律方面的研究，都取得了較大的進展。最初他們的研究方法側(cè)重于盆栽試驗和田間試驗，其目的在于搞清楚氮肥施入農(nóng)田后的去向：作物吸收、利用多少、土壤殘留多少、深層滲漏多少、揮發(fā)多少，其研究重點側(cè)重于氮素的轉(zhuǎn)化。如朱濟成(19

13、77)用盆栽法研究了我國北方氮肥地下流失率；吳岳(1981)在青銅峽縣河西七條溝利用從水體取樣分析的辦法對灌溉條件下氮、磷、鉀隨水流失污染水體進行了初步研究；聶永豐(1987)用數(shù)值模擬的方法研究了污染物氘在下包氣帶非飽水條件下的遷移轉(zhuǎn)化問題。近幾年，我國土壤物理學者在室內(nèi)外開展了一些溶質(zhì)運移的實驗研究，如葉自桐、黃康樂(1987)分別對飽和非飽和土壤溶質(zhì)運移進行了試驗研究數(shù)值模擬；葉自桐(1990)還對傳輸函數(shù)模型(TFM)進行了簡化，提出了適于研究入滲條件下土壤鹽分對流運移的傳輸函數(shù)修正模型，根據(jù)田間不同礦化度灌溉入滲實驗結(jié)果，得到了鹽分通過06cm土層時的時間概率函數(shù)；呂家瓏等人對土壤中

14、磷的運移進行了研究；王亞男等對含磷污水淋濾條件下土壤中磷遷移轉(zhuǎn)化進行了模擬試驗，結(jié)果表明:可溶態(tài)磷進入土壤后，主要隨水分作溶質(zhì)遷移，在遷移的同時，不斷轉(zhuǎn)化為吸附態(tài)磷和各種沉淀態(tài)磷；吸附態(tài)磷由可溶態(tài)磷生成，并與可溶態(tài)磷一起發(fā)生化學沉淀反應生成沉淀態(tài)磷，但固著于土壤顆粒上，不發(fā)生遷移；沉淀態(tài)磷由可溶態(tài)磷和吸附態(tài)磷生成，在土壤中主要參與化學轉(zhuǎn)化；沉淀態(tài)磷在土壤中有隨水分遷移的現(xiàn)象。王福利在一維垂直土柱上，研究了降雨淋溶條件下，溶質(zhì)在土壤中運移的問題時，僅考慮了對流、彌散二因素的影響，研究結(jié)果表明:降雨量越大，溶質(zhì)被淋洗的深度愈大，當溶質(zhì)以液態(tài)形式加入土壤時，降雨強度對溶質(zhì)淋洗的影響小，而當溶質(zhì)以固態(tài)

15、形式加入土壤時，則降雨強度越小，溶質(zhì)淋溶效果越好，這是因為降雨量相同時，雨強越小，雨水與固態(tài)接觸而溶解的時間越長，溶解越充分。二、研究中存在的問題和未來發(fā)展趨勢（一）研究中存在的問題為了保護土壤及地下水資源，國內(nèi)外學者對污染物在土壤及地下水中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究高度重視，并開展了這方面的實驗和理論研究，不斷取得新的研究成果。但是由于土壤及地下水污染具有隱蔽性以及地下溶質(zhì)運移具有很多的不確定性，而且人們對溶質(zhì)在地下水中的彌散機理和各種化學反應過程都了解不夠，通過分析國內(nèi)外對污染物在土壤及地下水中遷移轉(zhuǎn)化研究的現(xiàn)狀，主要存在的問題有：對污染物在非飽和飽和土壤中遷移轉(zhuǎn)化的整體模擬不多，大多數(shù)是對這一系

16、統(tǒng)的分散的零碎的研究，并沒有將這些過程聯(lián)系起來綜合研究；對污染物在非飽和帶的實驗和理論研究還不成熟、參數(shù)的尺度及其率定方法還需進一步研究；此外已有的模型過分理想化，應用時難以達到精度要求。因此對土壤及地下水污染問題還有許多需要進一步研究探索的地方。（二）發(fā)展趨勢1污染物在地下水中遷移機理的理論研究各種含水介質(zhì)(如孔隙、裂隙、巖溶)的存在使得地下水及溶質(zhì)在其間的運動很復雜，目前與地下水污染有關(guān)的理論和模型都是在一定的簡化條件下建立起來的，如忽略各種溶質(zhì)間的復雜化學反應、忽略或簡化彌散的尺度效應等，所以模擬結(jié)果往往與實測值之間還有差距。因此污染物在地下水中遷移機理的理論研究、彌散“尺度效應”存在原

17、因的分析研究工作還有待進一步開展。另外，現(xiàn)有模型從應用角度來衡量，過分理想化，應用時精度難以達到要求，因此還需要通過室內(nèi)、室外精密的實驗研究、檢驗傳統(tǒng)的對流彌散方程、動水-不動水體模型及隨機傳輸函數(shù)模型等各種各樣描述溶質(zhì)運移的模型，并對它們的準確性、靈活性、通用性和可操作性做出科學的評價，計算模型有待向高效、準確、實用的方向發(fā)展。2多相介質(zhì)的存在對地下水中污染物遷移的影響研究地下水環(huán)境存在固、液二相物質(zhì)，這二相的溶質(zhì)吸附機理和吸附參數(shù)的確定也是目前需要研究的內(nèi)容之一。目前大多數(shù)的地下水溶質(zhì)遷移模擬研究都是針對非吸附性溶質(zhì)如Cl-、Br-等離子進行的，而對吸附性溶質(zhì)的水動力彌散試驗研究還不多。與

18、地表水溶質(zhì)遷移不同，地下水中的溶質(zhì)同時受到固、液兩相的影響，在非飽和帶還受到氣體的影響，多相介質(zhì)對溶質(zhì)的吸附和反應對溶質(zhì)濃度分布和溶質(zhì)遷移的影響很大，因此應加強對存在的各種吸附和化學反應的機理的研究。3參數(shù)確定的準確性和參數(shù)尺度效應的研究參數(shù)估計是污染物在地下水遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律模擬計算的關(guān)鍵問題，目前，地下水質(zhì)模型中的參數(shù)的確定大都是采用示蹤實驗或經(jīng)驗參數(shù)來實現(xiàn)，而室內(nèi)試驗結(jié)果與野外實際結(jié)果往往相差幾個數(shù)量級，而且野外試驗限于人力和物力，實驗的范圍較小，不能真實地反映研究區(qū)域的地質(zhì)參數(shù)變化情況，因此模型參數(shù)測定過程中的許多技術(shù)問題、參數(shù)確定的準確性和可靠度以及參數(shù)的尺度效應等都有待于進一步探索。4

19、多組分溶質(zhì)遷移模型的研究在考慮污染物遷移轉(zhuǎn)化的模型中，一般只考慮水流對溶質(zhì)遷移的影響，把溶質(zhì)在地質(zhì)介質(zhì)中的遷移僅僅看作隨水的流動，基本不考慮水化學的作用。而污染物在地質(zhì)介質(zhì)中的運動除了受地下水中對流彌散作用影響外，還受到地下水多組分系統(tǒng)中絡合作用、吸附解吸作用、溶解沉淀作用、氧化還原作用和酸堿作用的制約，僅考慮水動力因素是片面的，而目前水動力遷移模型中處理固液界面發(fā)生的吸附反應都是利用經(jīng)驗公式來表達的，如利用Kd值綜合了發(fā)生于固液界面的所有化學反應，卻無法揭示發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部化學反應的機制，且這一類模型僅適用于以吸附解吸反應為主，Kd值變化不大、地球化學環(huán)境較均勻的地區(qū)，而實際這種條件比較少見。因此，在模擬污染物遷移過程中，將對流彌散模型與多組分水化學模型結(jié)合起來，是非常必要的。5污染物在非飽和帶中的運移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究由于一般污染物并非直接接觸地下含水層，而是經(jīng)過非飽和帶向下遷移的，而非飽和帶由氣、液、固三相組成，現(xiàn)有模型一般都忽略氣相，而對于易揮發(fā)性元素的遷移，如銨態(tài)氮，必然涉及到氣體在非飽和帶中的運移問題。另外，研究非飽和帶溶質(zhì)運移時應考慮不流動水