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重金属Cd、Pb在土壤中纵向迁移的数值模拟

焦艺博  
【摘要】:近年来,土壤的重金属污染备受人们关注,重金属污染物可以通过污灌等多种途径进入到土壤中,可以在土壤中积累并不断向下迁移,并且有可能进入地下水中造成其污染,同时也可以通过食物链进入人内,威胁其健康和生存。因此,研究重金属污染物在土壤中的吸附解吸、积累及迁移转化等行为,对土壤重金属污染的控制和修复具有重要的理论和实际意义。本文以开封市化肥河污灌区土壤为例进行研究,选择污染较为突出的镉(Cd)、铅(Pb)两种重金属元素,0~20 cm表层土、化肥河底泥、对照区0~20 cm表层土作为研究对象,通过吸附解吸实验探讨单一和复合体系中三种土壤对Cd、Pb的吸附解吸能力;用室内土柱淋溶实验模拟研究不同灌溉时间的清水和污水灌溉条件下,重金属Cd、Pb在土柱剖面中的积累及迁移转化规律,并使用HYDRUS-1D软件建立模型对三种土壤中重金属Cd、Pb的迁移进行模拟和预测,研究结果如下:(1)通过开展单一和复合体系中重金属Cd、Pb在三种土壤中的吸附、解吸试验发现,随着加入的溶液中Cd、Pb的浓度值的增大,两种体系中三种土壤对Cd、Pb的吸附量也随之变大,且对Pb的吸附量大于Cd的。在两种体系中三种土壤对重金属Cd、Pb的吸附量各不相同,单一体系中,三种土壤对Cd的吸附量为:污染表层土化肥河底泥未污染表层土,对Pb的吸附量为:化肥河底泥未污染表层土污染表层土;复合体系中,三种土壤对Cd的吸附量为:化肥河底泥污染表层土未污染表层土,对Pb的吸附量为:化肥河底泥污染表层土未污染表层土。复合体系中三种土壤对Cd、Pb的吸附量均小于单一体系,且Pb的吸附竞争力大于Cd。(2)吸附拟合结果表明Langmuir和Freundlich方程拟合效果较好,Henry和Temkin方程只能对部分吸附过程进行拟合。在一定的浓度范围内,土壤对某个重金属离子的吸附作用力与其吸附容量之间没有必然联系。(3)解吸实验结果表明,三种土壤对重金属的解吸率:CdPb,土壤对重金属的吸附能力与其解吸率呈反比,使用二次方程式模拟土壤中重金属的吸附解吸量,得出两者呈正相关,土壤对Cd、Pb的解吸率的增长存在滞后性,重金属Cd、Pb进入土壤后,Cd的迁移扩散风险比Pb大。(4)通过室内淋溶实验对Cd、Pb在土壤纵向迁移积累进行研究,发现经过20年的灌溉,外源重金属Cd、Pb进入土壤后主要被吸附在表层,且均未在土柱中发生穿透现象,下端出流液中Cd、Pb的浓度符合地下水水质标准,中短期内不会污染地下水。经过20年的污水和清水灌溉实验后土壤剖面中重金属分布结果表明,Pb主要积累在土壤的表层且积累量较大,向下迁移能力较弱;重金属Cd在土壤表层含量较高,灌溉时间增加会导致累积量的最大点向下迁移,且迁移趋势相对较明显。对灌溉后土柱剖面中Cd、Pb的总量与其有效态含量进行相关性分析,发现两者呈正相关关系。重金属Cd、Pb的有效态含量在土壤剖面中呈现表层积累,底层较低;Cd的有效性高于Pb,是本研究区内须多加关注的主要的重金属污染物。(5)通过HYDRUS-1D软件使用确定性模型对重金属Cd、Pb在土柱中的迁移进行模拟及预测,结果表明,同一处理中两种重金属主要被吸附在土壤的表层,且重金属Cd的向下迁移能力大于重金属Pb。模型预测结果表明,即使是低浓度的污水进行灌溉,长期使用仍然会使重金属Cd、Pb在土壤中向下迁移和积累。由此可见,长期低浓度的污水灌溉对环境及地下水的风险不容忽视。


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