环境多介质归趋模型简介

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,环境多介质归趋模型,9/30/2024,1,多介质环境模型简介,多介质环境模型的应用,多介质模型的分类,多介质模型的建立,9/30/2024,2,多介质环境模型,9/30/2024,3,多介质环境模型,最初是由,CEMC(,加拿大环境建模中心,),开发并用于解析计算化学物质在环境中的变化归趋的模型。模型建立在,质量平衡,的基础上，模型建立的最重要原则是,逸度代替浓度,，从而简化化学物质在环境相间迁移和分配的数学表达式。在稳态或非稳态条件下，对所研究的环境相分别建立质量平衡方程，通过计算得出数值解或分析解。,大量研究表明，多介质环境模型是研究生态环境中污染物，特别是有机污染物多介质环境行为的有效手段。,9/30/2024,4,在地球表面不存在完全的单一的环境介质，因为,水,中往往含有一定量的气体和固体悬浮物，,大气,中含有一定量的水和固体颗粒物，,土壤,中则含有水分、气体和生物。但在宏观研究中，一般将大气、水体、土壤、岩石和生物分别看作单介质，而把由两种以上的单介质构成的体系称为,多介质环境,。,一、多介质环境,9/30/2024,5,在多介质环境中，由于存在复杂的物理、化学和生物过程的联合作用，排放到环境系统的污染物发生跨介质迁移、转化，并在各环境介质间进行重新分配。因此全面而深刻地认识污染物在环境中的行为及生态效应，需要从多介质的概念出发深入研究污染物在多介质环境系统中的迁移转化和降解,。,9/30/2024,6,质量平衡,质量守恒定律是多介质环境模型计算的基础。如果已经确定了控制区域或相的体积，就可以对流入和流出这一区域的污染物建立质量平衡方程。根据,Mackay,等人的定义，质量平衡方程有三类,”,。,1.,封闭系统，稳态方程,2 .,开放系统、稳态方程,3.,非稳态方程,9/30/2024,7,1.,封闭系统，稳态方程,这类质量平衡方程描述了在没有流入和流出的封闭系统内，一定质量的污染物在各固定体积的环境相中的分配情况。根据污染物的总量等予各相中污染物分量和来列方程，而各相中污染物量是体积和浓度的乘积。,9/30/2024,8,2.,开放系统、稳态方程,这类质量平衡方程，系统中既有污染物的流入、流出，也有污染物的反应与生成。系统内的条件不随时间改变。基本的质量平衡就是总输入速率等于总输出速率。,9/30/2024,9,3.,非稳态方程,前两类质量平衡方程是简单的代数等式，而在非稳态条件下的质量平衡方程是微分方程。最简单的方法是列出如下方程：,dC,dt,=,总的输入速率一总的输出速率,式中，,dC,是浓度增量，,dt,是时间增量，输入、输出的速率单位为,mol,h,-1,或,g,h,-1,。,9/30/2024,10,二、逸度,逸度,(fugacity),是一热力学量，它表示物质脱离某一相的倾向性的大小，其单位为压力单位,(Pa),。作为判别各相间平衡标准的一种简便方法，于,1901,年,G,N,Lewis,提出。用逸度代替浓度，应用到多介质环境模型中，简化了模型的计算，因而得到了广泛应用。,9/30/2024,11,在多介质环境模型中，如果污染物在研究系统各相之间的逸度相等，则污染物在系统各相间达到平衡；如果逸度不同，则污染物会从逸度高的相向逸度低的相移动。作为平衡标准，逸度可应用于水、土壤及水生生物等。逸度和浓度之间通过逸度容量存在线性关系：,C=,Zf,式中,C,是污染物的浓度,(molm,-3,),f,是逸度,(Pa),，,z,是逸度容量,(molm,-3,pa,-1,),，是在给定的逸度下，某一介质所能容纳污染物的能力。,9/30/2024,12,Z,值越大，介质所能容纳的污染物越多，污染物越易滞留在该介质中。高,Z,值的相能够在保持低逸度的情况下吸收更多的溶质。相反，低,z,值的相即使吸收少量溶质也会导致，的大大增加。,z,值的大小主要取决于以下几个因素：所研究的污染物的性质；所研究的环境介质的性质与环境介质的温度。,9/30/2024,13,多介质模型的建立,9/30/2024,14,（一）模型概化,（二）污染物的环境迁移过程,（三）模型参数,（四）模型构建和计算,（五）模型验证,9/30/2024,15,首先应该确定研究区域，包括研究区域的地理位置和范围。然后要明确研究区域所涉及的多介质环境，划分基本的环境相和子相。,一般而言，真实的环境系统和我们模拟的环境系统之间存在一定的差距，在构建模型时，需要用一系列的假设来简化真实的环境系统，比如：,环境体系由多个环境主相和若干子相组成；,任一时刻，每个环境主相的污染物呈均匀分布，各子相之间的逸度关系符合平衡稳态，即逸度值在同一时刻处处相等；,环境主相之间处于不平衡动态。,(,一）模型概化,9/30/2024,16,例如，对于一个由大气、地表水、沉积物和土壤四个环境主相组成的环境系统。每,个环境主相下面又分为若干个环境子相。 大气由气体和颗粒物两个子相组成，地表水由悬浮颗粒物和水两个子相组成，沉积物和土壤都包含固相子相、气相子相和液相子相。,9/30/2024,17,（二）污染物的环境迁移过程,污染物在环境中的迁移途径包括三类，即：,平流过程,降解过程,界面质量交换过程。,9/30/2024,18,a.,平流过程,污染物的跨区域研究已经成为当今国际环境问题研究的热点，由于大气和水等介质的流动性和平流输送功能，使得很多环境问题发展成了全球性环境问题。在多介质环境模型中，为了定量化平流输送过程，引入平流速率系数,D,，其单位是,molPa,-1,h,-1,。,D=G,Z (2,1),而对流通量,N(molh,-1,),与,D,的关系如下：,N=D ,f (2,2),需要说明的是模型中假定环境主相的流量与流动主体物质的流量相等。如水相的流量等于相中水的流量相等。,9/30/2024,19,b.,降解过程,污染物在环境相中的转化或降解反应过程是多介质环境的重要行为，从地球这个大环境体系而言，只有各种降解过程才是真正去除环境中污染物的唯一途径。多介质环境模型中的反应过程主要包括,水解反应、光解反应、化学氧化还原反应和生物降解反应,等。,在环境科学研究中，描述降解反应过程的动力学表达式一般是一级或者二级动力学方程，而在多介质环境模型中，多采用一级动力学方程。定义污染物降解反应过程的通量为,N,，则：,N=,VCk,=,VZkf,=,Df,(2,3),其中,V,是环境相或其子相的体积,(m,3,),，,C,是环境相中的污染物浓度,(mol/m,3,),，,k,是反应的一级反应速率常数,(h,-1,),，则降解速率,D=VZk(molPa,-1,h,-1,),9/30/2024,20,c.,污染物在环境介质间的质量交换过程,污染物在环境介质间的质量交换过程包括,扩散过程,和,非扩散过程,。扩散过程包括介质内的扩散过程和介质间的扩散过程。而一般对介质内的扩散过程研究的比较少。非扩散过程是污染物通过其它物质的携带从一个环境介质移动到另一个环境介质的过程。非扩散过程包括挥发过程,(,大气一水,),、吸附和解吸过程,(,水一沉积物，大气一土壤,),和水中污染物向水生生物的迁移过程等。介质问的迁移速率系数,D,值表达式根据不同的迁移过程而不同。,9/30/2024,21,(,三）模型参数,模型的输入参数包括研究区域,(,环境系统,),的环境属性参数、污染物的理化性质参数和环境迁移参数。,9/30/2024,22,a.,环境属性模型,收集到的环境属性参数要求涵盖如下信息：,(1),各环境主相的面积、深度或者高度、体积和密度；,(2),各环境子相占主相的百分比；,(3),各环境相,(,主相或者子相,),的有机碳含量等。,9/30/2024,23,b.,污染物理化性质参数,污染物的理化性质参数对模型的结果影响很大，特别是辛醇一水分配系数,(,Kow,),等表示污染物亲酯性的参数。一般来说，与环境相关的物理化学性质包括三种类型：,第一类是对污染物分子的基本描述，如分子量、分子表面积、临界温度等；,第二类是与污染物迁移有关的，如水溶解度、蒸气压、辛醇水分配系数、亨利定律常数,(H),、有机碳水分配系数,(,Koc,),和生物浓缩因子等；,最后是与污染物转化或降解过程相关的，如水解速率常数、生物降解速率常数和光解速率常数等。,9/30/2024,24,c.,污染物的环境迁移参数,环境迁移参数是与前面所述的环境迁移过程相关的参数。以一个由大气、水、土壤和沉积物四个环境相组成的环境系统为例，环境迁移参数如下表：,9/30/2024,25,9/30/2024,26,（四）模型的构建和计算,首先要根据研究的特点选择合适级别的模型。,例如对于稳态非平衡过程选择,III,级模型比较合适，而对于非稳态非平衡过程，则,级模型比较合适。然后对各个环境相建立平衡方程或者常微分方程。,z,值和,D,值的计算是模型计算的重要过程。,以水、大气、土壤、沉积物四相环境系统为例，,z,值和,D,值计算方法如表,2.2,和表,2.3,。,9/30/2024,27,9/30/2024,28,9/30/2024,29,（五）模型的验证,由于环境的复杂性和可变性，多介质环境模型只能是对真实环境的简化，模型输,出只能是对污染物归宿的近似模拟，因此模型结果的验证过程非常重要。用实测数据对模型结果进行验证，如果结果差值在一个数量级之内，表明模型结果能够比较客观地描述污染物的多介质环境行为，如果结果偏差较大，则需要对模型调整后重新计算。,9/30/2024,30,多介质模型的分类,9/30/2024,31,对应于三种,质量平衡方程，多介质环境模型可以分为：,级模型、,级模型、,级模型和,级模型。,9/30/2024,32,级模型,级模型系统是平衡、稳态、非流动系统。它假定物质在环境各相内,(,如大气、水、土壤、沉积物、生物等,),是分布均匀的，在各相间达到分配平衡，不考虑污染物在环境相中的各种反应,(,如水解、光解、氧化与还原、生物降解等,),及物质的输入与输出。它是固定量有机污染物在环境体系中处于平衡分配的最简单描述。该模型系统虽然能给出固定量污染物在环境中分布的最终信息，但太简单且过于理想。,9/30/2024,33,级模型,级模型系统是平衡、稳态、流动系统。它假定污染物在各相中分布均匀，并在各相间处于平衡状态；假设污染物稳态输入，并且在环境相内发生的各种反应并均为一级反应过程；考虑物质在系统中的迁移移动并引入传输系数,D,。第,级与第,级模型均假定污染物在不同相中达到平衡，即逸度相同。,但在实际环境中，当污染物被排放到某介质中后，在被降解或迁移前，可能没有足够的时间迁移到另一介质而达到平衡状态。,9/30/2024,34,级模型,级模型系统是非平衡、稳态、流动系统。它假定物质在各相间处于非平衡状态，,考虑物质的稳态输入、输出和在相内发生的各种反应，以及相邻两相间物质的各种扩散,与非扩散过程。该系统中物质在各相中的逸度,(f),相异，更符合实际,。,9/30/2024,35,级模型,级模型系统是非平衡、非稳态、流动系统。它假定物质在各相间处于非平衡状态，考虑物质的非稳态输入与输出和在相内发生的各种反应，以及物质在各相间的扩散与非扩散过程。该系统能很好地描述污染物在环境系统中的动态行为。,9/30/2024,36,多介质环境模型计算的基础,9/30/2024,37,多介质环境模型的应用,9/30/2024,38,多介质模型最大的,弱点,是无法确定由于时空变化而导致的化学物质的迁移转化。但对于一种未知物质,这些模型可作为化学物质风险评价程序的第一步,因为它们可以确定在哪种介质中风险是最高的。因此,尽管这些模型存在一些问题,目前多介质模型仍被广泛应用,主要用于欧洲的风险评价中化学物质环境浓度的预测。根据多介质模型目前的发展、 应用情况以及存在的潜力,污染物随时间和空间的变化及最终分配的多介质模型的研究将成为化学物质环境风险评价多介质模型的研究重点。,9/30/2024,39,谢谢您的聆听！,9/30/2024,40,