VOCs遷移至土壤環境的數值模擬研究

摘要：Hydrus-1D中的熱-溶質運移模型能夠較準確地模擬VOCs從大氣環境進入土壤環境的復雜連鎖反應過程。在已有溶質運移模型的基礎上，Hydrus-1D添加了“滯邊界層”用來模擬vocs在土一氣界面上發生的涉及物理、化學、生物的轉化過程以及溫度對這一過程的影響作用。建立的均質、各向同性、穩態、不考慮根系吸收作用的模型計算結果表明：土柱熱容量、VOCS溶質濃度的模擬計算值相對誤差均值為0.232%；參數反驗算表明，土壤貯存熱容量的反驗算值Csoi與計算值Csoil相吻合，證實了所建立的VOCs熱一溶質運移數值模型的精度較高。

關鍵詞：Hydrus-1D；VOCs；熱-溶質運移模型

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A

前言

陸氣相互作用，即陸地表面與大氣之間的熱量、動量、水分交換，是目前陸氣相互作用模型的主要關注方向（如表1所示）。揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）通常參與大氣環境中的光化學反應過程，其反應－傳輸過程涉及三相的變化同時伴隨物理－化學－生物轉化的發生。近年來土壤污染研究的熱點在于金屬／非金屬元素類等物質隨大氣遷移并伴隨干濕沉降進入土壤環境的過程，且多為沉積機制或元素含量－土壤深度分布的實驗報告，鮮有關注VOCs類遷移的模型探討：例如周亞龍等在對雄安新區土壤富硒性分布規律研究后發現，各鉆孔垂直剖面中的硒含量總體趨勢為表層富集，小麥籽實中硒含量與根系土壤中硒含量呈現顯著性相關（r=0.77，Plt;0.01）的特點；鄭雄偉等的試驗對比發現了人類活動中的灌溉行為是重金屬元素輸入土壤環境的主要途徑，Hg、As、Cr、Cu、Cd的輸入通量是工業大氣沉降途徑的23倍至2倍不等。在化學非均衡吸附模型和物理非均衡溶質運移模型的基礎上，Hydrus-1D通過添加滯邊界層來概化VOCs進入土壤環境時的氣相－液相狀態（如圖1所示），輔以傅里葉定律（Fourier's Law）對這一過程熱通量變化的描述，較好地解決了VOCs類污染物從大氣環境遷移進入土壤環境數學建模的問題。

1Hydrus-1D中的VOCs運移理論模型

滯邊界層是一個用來描述VOCs在陸氣相互作用面上所發生熱量交換、溶質擴散等過程的假想模塊（通常情況下厚度d=0.5 cm），Hydrus-1D將滯邊界層嵌入到雙區一雙孔隙度模型（如圖1（a））和雙位吸附模型（圖1（b））中綜合描述VOCs從大氣環境遷移至土壤環境中的連鎖反應過程。

地表土壤熱通量是大氣－地表之間物質、能量交換過程中的關鍵部分，熱傳導過程可分為忽略水汽運移作用（式（1）－式（4》與考慮水汽運移作用（式（5）、式（6》兩種狀態的形式；引起土壤熱通量變化的3種主要作用，熱傳導、達西土壤水分運動以及根系吸水分別對應式（1）中右側的3個數學表達式，當處于飽和介質中時（S=0，此時無根系吸水作用發生），式（1）可導出式（2）的表達形式。當考慮水的相變引起土壤熱通量變化時，需要引入傅里葉定律加以描述（式（5》，即土壤的熱通密度值（式（5）左側）為顯熱傳導、顯熱對流、水汽顯熱和水汽感熱量之和（分別對應式（5）中右側的4個數學表達式）；此時描述土壤蒸汽擴散、溫度變化（T）、壓力水頭（h）及導水率（Kch、Eor）在x方向上的變化由Richard方程的變形形式表達（式（6））。表觀導熱系數／熱導率由式（7）-式（9）計算得出，數值由土壤結構按照質地不同形態的比例確定。