CN110991054B - 一种模拟有机污染物时空迁移归趋分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种模拟有机污染物时空迁移归趋分布的方法，具体涉及模拟有机污染物迁移分布领域，包括以下步骤：S1、建立数据库；S2、对研究区域进行网格划分；S3、建立四级逸度模型：整合逸度计算公式、Z值计算公式、D值计算公式、平流计算公式，将这些公式通过Matlab编程平台进行程序化；S4、采用四级逸度模型并配合平流规则进行四级多介质逸度模型模拟。本发明通过对研究区域进行网格化，解决了空间异质性；为每个网格配置一套独立的参数文件，且对应模拟的年份，更符合实际情况；加入平流规则，污染物在网格间的迁移通过平流规则实现，模拟结果更接近实际情况；相对于现有的方法，更接近实际情况。
Description
技术领域
本发明实施例涉及模拟有机污染物迁移分布领域，具体涉及模拟有机污染物时空迁移归趋分布的方法。
背景技术
自20世纪以来，全球进入了快速农业化，工业化和城市化，人类对人工化学品的需求与日俱增，这些化学品通过各种途径释放到环境(大气、水体、土壤、沉积物和植物)中，其中有毒有害的化学品造成环境污染，对人类身体健康产生严重影响。持久性有机污染物(POPs)是一类全球普遍存在，具有环境持久性、生物积累性、生物毒性以及可远距离传输等特性的化学物质。传统对有机污染物把控的方法是通过对目标研究区域的环境监测，环境检测及风险评估。传统方法的优势是可以立刻得到有机污染物在环境中的一个瞬时浓度，但是有机污染物在环境中是个非稳态过程，很多自然因素会对它们在环境中的含量产生影响，传统方法无法对有机污染物进行持续性监测以及未来的预测。
国内外研究：Mackay等[1]人发现有机污染物在环境多介质中的环境行为不是无规则的，自然界的定律决定他们的分配和迁移转化速率，从而建立了逸度模型。逸度模型基于质量平衡定律应用有毒有机化学品在多介质生态环境中的定量表达式建立数值模型，通过输入和输出，模拟预测污染物在现实环境中的行为归趋。田慧等人[2]使用逸度模型以广州为研究区域，模拟多溴联苯醚(PBDEs)在环境中迁移归趋情况。曹红英等人[3]构建四级逸度模型以北京为研究区域，模拟六六六(HCHs)四种异构体在环境中迁移随时间变化的情况；敖江婷等[4]人建立了IV及多介质动态逸度模型，模拟了1952-2010年期间黄河流域下游HCHs的4中同分异构体在该区域的归趋情况，模拟结果很好的揭示了HCHs在环境中随着农药的施用和金庸所形成的长期变化趋势。
现有技术存在以下不足：以往的单箱式多介质逸度模型仅适合于研究空间特性均匀的小尺度区域，但是在研究大尺度区域时，这种单箱式模型的准确性和可靠性就比较低。因为在真实环境中，空间特性是并不均匀的：(1)地理环境因素包括不同的土地利用面积等具有空间异质性；(2)气候因素包括风向、风速、降雨量和温度等具有空间异质性；(3)污染物排放强度具有空间异质性，例如广东省的工业园区主要分布在珠三角洲，废旧电子拆解区分布在贵屿和清远。如果将整个区域统一在一起模拟计算，会将上述的具有空间异质性的因素的特点掩盖掉，对污染物的归趋模拟计算影响较大。
与本发明相关之参考资料及文献如下：
[1]Mackay D.Multimedia environmental models:the fugacity approach[M].CRC press，2001.
[2]田慧，郭强，毛潇萱，et al.广州地区典型多溴联苯醚迁移和归趋行为模拟[J].中国环境科学，2014，34(3):758-765.
[3]曹红英，梁涛，陶澍.北京地区50多年来有机氯农药迁移与残留的动态模拟与预测[J].中国科学D辑，2005，35(10).
[4]敖江婷.Ⅳ级逸度模型对典型有机污染物环境行为的动态模拟[D].大连理工大学，2008.。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种模拟有机污染物时空迁移归趋分布的方法，通过对研究区域进行网格化，解决了空间异质性；为每个网格配置一套独立的参数文件(污染物的物理化学参数，环境参数)，且对应模拟的年份，更符合实际情况；加入平流规则，污染物在网格间的迁移通过平流规则实现，模拟结果更接近实际情况；使用四级逸度模型，以月为一个模拟阶段，相对于现有的方法(以年为单位)，更接近实际情况，以解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种模拟有机污染物时空迁移归趋分布的方法，包括以下步骤：
S1、建立数据库，包括：
S1.1、首先，进行区域网格尺度的确定以及对各网格参数进行收集，然后通过收集的数据，得到污染物物理化学参数数据库、排放产量数据库、排放因子数据库、环境参数数据库、风速参数数据库、土地利用参数数据库、网格划分数据库、季节阶段数据库、温度和降雨速率数据库和不确定性分析数据库；
S1.2、由上述步骤中得到的数据库组建整个模型数据库；
S2、对研究区域进行网格划分；
S3、建立四级逸度模型：整合逸度计算公式、Z值计算公式、D值计算公式、平流计算公式，将这些公式通过Matlab编程平台进行程序化；
S4、采用四级逸度模型并配合平流规则进行四级多介质逸度模型模拟，包括：
S4.1、调用已经编好的程序在Matlab上运行，得到不同网格在环境多介质中的浓度及迁移通量；
S4.2、通过灵敏度、不确定性和拟合分析进行模型验证，分析参数有较大误差后，进行参数校正，优化模型；当分析的参数对比无较大误差，则进行污染物时空迁移、归趋特征、赋存浓度预测及暴露风险评估。
进一步地，步骤S2中所述的网格划分，具体为利用arcgis将研究区域进行网格划分。
进一步地，步骤S3中所述的整合逸度计算公式包括五个环境相的计算公式：
大气：
水体：
土壤：V3Z3dF3/dt＝E3+D13F1+D53F3-(D31+D35+DR3)F3
沉积物：V4Z4dF4/dt＝D24F2-(D42+DR4)F4
植物：V5Z5dF5/dt＝D15F1+D35F3-(D51+DR5)F5
其中1，2，3，4，5分别代表大气，水体，土壤，沉积物，植物；E代表污染物在环境中的排放速率，单位为mol/h；V为环境相的体积，单位为m3；Z为污染物在环境相内的逸度容量，单位为mol/(m3·Pa)；F是污染物在环境相内的逸度，单位为Pa；D为污染物在各环境间的迁移速率，单位为mol/(Pa·h)；DR代表污染物在环境相的降解速率，单位为mol/(Pa·h)；∑D(j,i)A和DA分别代表污染物为从网格j平流进网格i和从网格i平流出去的速率，单位为mol/(Pa·h)。
进一步地，步骤S3中所述的Z值计算公式包括大气、水体、土壤、沉积物和植物等五个环境相的计算公式，且大气环境相包括气、颗粒相和总相共三个子环境相，水体环境相包括水、悬浮颗粒相和总相共三个子环境相，土壤环境相包括固体和总相两个子环境相，沉积物包括固体和总相两个子环境相，植物包括叶表皮相和总相两个子环境相；其中，每个子环境相对应一个Z值计算公式，具体包括：
大气环境相中的气：Z1＝1/RT；
大气环境相中的颗粒相：ZQ＝O13×Koa×ρq×Z1×0.001；
大气环境相中的总相：ZA＝Z1×X11+ZQ×X13；
水体环境相中的水：Z2＝1/H；
水体环境相中的悬浮颗粒相：ZP＝O23×Koc×ρp×Z2×0.001；
水体环境相中的总相：ZW＝Z2×X22+ZP×X23；
土壤环境相中的固体：Z3＝O33×ρ3×Z2×Koc×0.001；
土壤环境相中的总相：ZS＝Z1×X31+Z2×X32+Z3×X33；
土壤环境相中的固体：Z4＝O43×ρ4×Z2×Koc×0.001；
土壤环境相中的总相：ZSED＝Z2×X42+Z4×X43；
植物环境相中的叶表皮相：Z5＝Z2×Kow×foc；
植物环境相中的总相：ZVG＝Z1×X51+Z2×X52+Z5×(1-X51-X52)。
进一步地，步骤S3中所述的D值计算公式包括多介质迁移过程中的计算公式：
大气→水体，扩散过程中，DV＝1/[1/(kva×A2×Z1)+1/(kvw×A2×Z2))]；
雨溶解过程中，DRW＝A2×kw×O13×Sc×ZQ
湿沉降过程中，DQW＝A2×kw×Z2
干沉降过程中，DDW＝A2×Kdry×O13×ZQ
总过程中，D12＝DV+DRW+DQW+DDW
水体→大气，总过程，D21＝DV
大气→土壤，扩散过程中，DE＝1/[1/k13×A3×Z1)+Y3/(A3×(B1×Z1+B2×Z2))]
湿沉降过程中，DQS＝A3×Kw×O13×Sc×ZQ
干沉降过程中，DDS＝A3×Kp×O13×Sc×ZQ
总过程中，D13＝DV+DRS+DQS+DDS
土壤→大气，总过程中，D31＝DE
土壤→水体，土壤流失过程中，DSW＝A3×ue×Z3
雨水径流过程中，DWW＝A3×ul×Z2
总过程中，DSW＝DSW+DWW
底泥→水体，扩散过程中，DY＝1/[1/ksw×A4×Z2)+Y4/(bmw×A4×Z2))]
再悬浮过程中，DRS＝Urs×A2×Z4
总过程中，D42＝DY+DRS
水体→底泥，沉降过程中，DDSED＝Ks×A2×ZP
总过程中，D24＝DY+DDSED
大气→植物，扩散过程中，DG＝1/[1/ksw×A4×Z2)+Y4/(bmw×A4×Z2))]
干沉降过程中，DDS＝A5×kdry×ZQ×Idw
湿沉降过程中，DRS＝A5×kw×ZQ×sc×Ifw
雨溶解过程中，DRW＝A5×kw×Z5×LAI×Ifw
总过程中，DAVG＝DG+DDS+DRS+DRW
植物→大气，总过程中，DVGA＝DG
植物→土壤，蜡侵蚀过程中，DWE＝A5×kWE×Z5
凋落物过程中，DLF＝V5×RIF×ZVG
总过程中，D43＝DWE+DLF
土壤→植物雨水冲刷D34＝V3×RS×Z3
平流过程中，D(i)＝G(i)×Z(i)
降解过程中，DR(i)＝V(i)×Z(i)×kr(i)。
进一步地，步骤S3中所述的平流计算公式如下：
D1(i,j)＝Z1i*G1(i,j),1≤i≤n+1,1≤j≤n+1
D2(i,j)＝Z2i*G2(i,j),1≤i≤n+1,1≤j≤n+1
其中，G1(j,i)，大气从区域i到j的流动速率(m3/hr)；
G2(i,j)，河流水体从区域i到j的流动速率(m3/hr)；
Rr(2)，降雨速率与河流冲刷速率(m3/hr)；
Ev(2)，区域i内河流蒸发速率(m3/hr)；
Wu(2)，区域i内用于工业用水与农业灌溉速率(m3/hr)。
进一步地，步骤S4中所述的四级多介质逸度模型模拟，以月为一个模拟阶段。
本发明实施例具有如下优点：
1、本发明通过对研究区域进行网格化，解决了空间异质性；为每个网格配置一套独立的参数文件(污染物的物理化学参数，环境参数)，且对应模拟的年份，更符合实际情况；加入平流规则，污染物在网格间的迁移通过平流规则实现，模拟结果更接近实际情况；使用四级逸度模型，以月为一个模拟阶段，相对于现有的方法(以年为单位)，更接近实际情况；
2、本发明能够解决场地调查无法对有机污染物长时间和密集性监测的不足，解决场地调查无法获悉有机污染物在环境多介质中的迁移转化过程及分布状况的不足；解决空间异质性对单箱式逸度模型的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明提供的整体流程图；
图2为本发明提供的污染物的迁移转化过程图；
图3为本发明提供的以广东省为例的网格划分图；
图4为本发明提供的以广东省为例的网格平流规则图；
图5为本发明实施例1提供的模拟值与实测值对比图；
图6为本发明实施例1提供的BDE209的浓度分布图；
图7为本发明实施例1提供的BDE209的迁移转化通量图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照说明书附图1-4，该实施例的模拟有机污染物时空迁移归趋分布的方法，包括以下步骤：
S1、建立数据库，包括：
S1.1、首先，进行区域网格尺度的确定以及对各网格参数进行收集，然后通过收集的数据，得到污染物物理化学参数数据库、排放产量数据库、排放因子数据库、环境参数数据库、风速参数数据库、土地利用参数数据库、网格划分数据库、季节阶段数据库、温度和降雨速率数据库和不确定性分析数据库；
S1.2、由上述步骤中得到的数据库组建整个模型数据库；
S2、利用arcgis对研究区域进行网格划分；
S3、建立四级逸度模型：整合逸度计算公式、Z值计算公式、D值计算公式、平流计算公式，将这些公式通过Matlab编程平台进行程序化；
整合逸度计算公式包括五个环境相的计算公式：
表中1，2，3，4，5分别代表大气，水体，土壤，沉积物，植物；E代表污染物在环境中的排放速率，单位为mol/h；V为环境相的体积，单位为m3；Z为污染物在环境相内的逸度容量，单位为mol/(m3·Pa)；F是污染物在环境相内的逸度，单位为Pa；D为污染物在各环境间的迁移速率，单位为mol/(Pa·h)；DR代表污染物在环境相的降解速率，单位为mol/(Pa·h)；∑D(j,i)A和DA分别代表污染物为从网格j平流进网格i和从网格i平流出去的速率，单位为mol/(Pa·h)。
Z值计算公式包括大气、水体、土壤、沉积物和植物等五个环境相的计算公式，且大气环境相包括气、颗粒相和总相共三个子环境相，水体环境相包括水、悬浮颗粒相和总相共三个子环境相，土壤环境相包括固体和总相两个子环境相，沉积物包括固体和总相两个子环境相，植物包括叶表皮相和总相两个子环境相；其中，每个子环境相对应一个Z值计算公式，具体包括：
Z值计算公式
D值计算公式包括多介质迁移过程中的计算公式：
相关参数
平流计算公式如下：
D1(i,j)＝Z1i*G1(i,j),1≤i≤n+1,1≤j≤n+1
D2(i,j)＝Z2i*G2(i,j),1≤i≤n+1,1≤j≤n+1
其中，G1(j,i)，大气从区域i到j的流动速率(m3/hr)；
G2(i,j)，河流水体从区域i到j的流动速率(m3/hr)；
Rr(2)，降雨速率与河流冲刷速率(m3/hr)；
Ev(2)，区域i内河流蒸发速率(m3/hr)；
Wu(2)，区域i内用于工业用水与农业灌溉速率(m3/hr)
S4、采用四级逸度模型并配合平流规则进行四级多介质逸度模型模拟(以月为一个模拟阶段)，包括：
S4.1、调用已经编好的程序在Matlab上运行，得到不同网格在环境多介质中的浓度及迁移通量；
S4.2、通过灵敏度、不确定性和拟合分析进行模型验证，分析参数有较大误差后，进行参数校正，优化模型；当分析的参数对比无较大误差，则进行污染物时空迁移、归趋特征、赋存浓度预测及暴露风险评估。
本发明通过对研究区域进行网格化，解决了空间异质性；为每个网格配置一套独立的参数文件(污染物的物理化学参数，环境参数)，且对应模拟的年份，更符合实际情况；加入平流规则，污染物在网格间的迁移通过平流规则实现，模拟结果更接近实际情况；使用四级逸度模型，以月为一个模拟阶段，相对于现有的方法(以年为单位)，更接近实际情况。
能够解决场地调查无法对有机污染物长时间和密集性监测的不足，解决场地调查无法获悉有机污染物在环境多介质中的迁移转化过程及分布状况的不足；解决空间异质性对单箱式逸度模型的影响。
实施例1：
本发明以应用在模拟BDE209在广东省的环境多介质中的迁移转划分布：
专利应用案例(以广东省为目标研究区域，以BDE209为目标污染物)
1、通过Matlab编程平台将上述计算公式程序化；
2、对研究区域进行网格化；
3、将BDE209的物理化学参数、广东省的环境参数和气象局提供的气象参数导入数据库中；
4、运行matlab输出BDE209在广东省环境中的浓度和迁移通量；
5、利用arcgis对广东省环境中的BDE209进行空间分布显示和分析；
结果：
1、输出结果得的BDE209在各网格环境介质中的浓度，通过与实测值对比，模拟值与实测值拟合较好(附图5)；
2、通过arcgis得到广东省BDE209的浓度分布图(附图6)；
3、得到BDE209在环境中的迁移通量(附图7)；
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (3)
1.一种模拟有机污染物时空迁移归趋分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立数据库，包括：
S1.1、首先，进行区域网格尺度的确定以及对各网格参数进行收集，然后通过收集的数据，得到污染物物理化学参数数据库、排放产量数据库、排放因子数据库、环境参数数据库、风速参数数据库、土地利用参数数据库、网格划分数据库、季节阶段数据库、温度和降雨速率数据库和不确定性分析数据库；
S1.2、由上述步骤中得到的数据库组建整个模型数据库；
S2、对研究区域进行网格划分；
S3、建立四级逸度模型：整合逸度计算公式、Z值计算公式、D值计算公式、平流计算公式，将这些公式通过Matlab编程平台进行程序化；
S4、采用四级逸度模型并配合平流规则进行四级多介质逸度模型模拟，包括：
S4.1、调用已经编好的程序在Matlab上运行，得到不同网格在环境多介质中的浓度及迁移通量；
S4.2、通过灵敏度、不确定性和拟合分析进行模型验证，分析参数有较大误差后，进行参数校正，优化模型；当分析的参数对比无较大误差，则进行污染物时空迁移、归趋特征、赋存浓度预测及暴露风险评估；
其中，步骤S3中所述的整合逸度计算公式包括五个环境相的计算公式：
大气：
水体：
土壤：V3Z3dF3/dt＝E3+D13F1+D53F3-(D31+D35+DR3)F3
沉积物：V4Z4dF4/dt＝D24F2-(D42+DR4)F4
植物：V5Z5dF5/dt＝D15F1+D35F3-(D51+DR5)F5
其中1，2，3，4，5分别代表大气，水体，土壤，沉积物，植物；E代表污染物在环境中的排放速率，单位为mol/h；V为环境相的体积，单位为m3；Z为污染物在环境相内的逸度容量，单位为mol/(m3·Pa)；F是污染物在环境相内的逸度，单位为Pa；D为污染物在各环境间的迁移速率，单位为mol/(Pa·h)；DR代表污染物在环境相的降解速率，单位为mol/(Pa·h)；∑D(j,i)A和DA分别代表污染物为从网格j平流进网格i和从网格i平流出去的速率，单位为mol/(Pa·h)；
步骤S3中所述的Z值计算公式包括大气、水体、土壤、沉积物和植物五个环境相的计算公式，且大气环境相包括气、颗粒相和总相共三个子环境相，水体环境相包括水、悬浮颗粒相和总相共三个子环境相，土壤环境相包括固体和总相两个子环境相，沉积物包括固体和总相两个子环境相，植物包括叶表皮相和总相两个子环境相。
2.根据权利要求1所述的一种模拟有机污染物时空迁移归趋分布的方法，其特征在于：步骤S2中所述的网格划分，具体为利用arcgis将研究区域进行网格划分。
3.根据权利要求1所述的一种模拟有机污染物时空迁移归趋分布的方法，其特征在于：步骤S4中所述的四级多介质逸度模型模拟，以月为一个模拟阶段。
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