[發(fā)明專利]一種金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染負荷的預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310551832.8
• 申請日: 2013-11-08
• 公開（公告）號: CN103544550A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 任伯幟;劉克家;馬宏璞;周紅濤;盧鏡成
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G01N21/64;G01N21/31
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務(wù)所 43108
• 代理人: 宋向紅

1.一種金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染負荷的預(yù)測方法，其特征在于包括如下步驟：

（1）樣品采集與預(yù)處理：樣品的采集采用系統(tǒng)隨機布點法，選擇金屬礦區(qū)為采樣區(qū)域，采樣點均勻分布在采樣區(qū)域內(nèi)，其采樣密度為0.05-0.06平方公里采樣一個，并采用GPS進行樣點定位，記錄其經(jīng)緯度；在自然降雨且降雨強度大于下滲強度產(chǎn)生徑流時，在每個采樣點采集地表坡面徑流水樣0.5-3L，放入聚乙烯瓶并用黑色塑料袋包裝后帶回實驗室；在實驗室內(nèi)將所采水樣分別震蕩混勻，離心分離后用玻璃纖維濾膜過濾，所得水樣冷藏保存貼好標簽，做好采樣記錄；同樣在采樣區(qū)域均勻采集土樣做好標簽記錄，并對土壤類型及土地利用方式進行記錄；

（2）樣品檢測：對步驟（1）處理后水樣中重金屬含量進行測定，重金屬Sb、Cd、Hg采用王水-高氯酸消煮，Pb、As采用硝酸-高氯酸消煮；Sb、Hg、As采用原子熒光分光光度法測定，Cd、Zn、Pb、Mn采用火焰原子吸收分光光度法測定；對步驟（1）采集的土樣送到資源規(guī)劃勘測測試中心檢測；

（3）數(shù)據(jù)處理：采用Grubbs法對測得的原始數(shù)據(jù)中特異值進行檢驗和剔除；采用SPSS19.0軟件K-S法檢進行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗；

（4）建立GIS數(shù)據(jù)庫：根據(jù)通過當?shù)氐沫h(huán)保部門提供以及近5年做該區(qū)污染研究的文獻中獲得的、過去5年的實測數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)的氣象氣候條件、土地利用類型、土壤類型，以及通過對污染區(qū)過去5年工業(yè)廢水和生活污水污染、氮磷污染以及重金屬錳鉛污染歷史及區(qū)域資料調(diào)查與分析，結(jié)合當?shù)貛追N主要的重金屬污染程度背景調(diào)查分析和其他研究所需資料，包括，礦區(qū)進出礦口分布和周圍居民區(qū)分布，以及農(nóng)田和水塘的分布分析；在GIS信息系統(tǒng)中建立該金屬礦區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括，采樣點經(jīng)緯度、礦區(qū)氣候、土壤類型、土地利用方式、居民區(qū)與農(nóng)田水塘分布，并在此基礎(chǔ)上建立該礦區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與SWAT軟件的相關(guān)鏈接表；

（5）構(gòu)建重金屬遷移轉(zhuǎn)化動力學(xué)模型：以步驟（4）建立的區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)和RS技術(shù)，選擇林玉環(huán)汞一維遷移模型，并對該模型進行了差異修正因子和分配系數(shù)的改進，得到重金屬的遷移轉(zhuǎn)化模型；

（6）重金屬污染負荷的預(yù)測方法構(gòu)建：用Fortran語言對步驟（5）所得的遷移轉(zhuǎn)化模型進行編程，并將所編程序嵌入SWAT軟件的開源程序接口中，以重金屬遷移轉(zhuǎn)化動力學(xué)模型為基礎(chǔ)和以SWAT軟件為平臺，從而構(gòu)建出金屬礦區(qū)土-水界面流重金屬污染負荷預(yù)測模型，得到金屬礦區(qū)土-水界面流中重金屬污染負荷預(yù)測方法；

（7）預(yù)測方法的驗證與優(yōu)化：通過參數(shù)敏感性分析確定主要影響參數(shù)，應(yīng)用LH－OAT敏感性分析法，將參數(shù)敏感度表示為一個無量綱的指數(shù)，反映模型方法輸出結(jié)果隨模型參數(shù)的微小改變而變化的影響程度或敏感性程度，并應(yīng)用于SWAT軟件中；將近十年的數(shù)據(jù)對主要影響參數(shù)進行了率定和驗證，調(diào)節(jié)主要影響參數(shù)，使其擬合度達到要求并確定此時的主要參數(shù)取值，從而得到優(yōu)化的金屬礦區(qū)土-水界面流重金屬污染負荷預(yù)測方法。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染負荷的預(yù)測方法，其特征在于，步驟（5）所述構(gòu)建重金屬遷移轉(zhuǎn)化動力學(xué)模型包括如下步驟：

以步驟（4）建立的區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)和RS技術(shù)，選擇重金屬動力學(xué)模型：，對該模型進行了元素差異修正因子β和分配系數(shù)k的改進得到金屬礦區(qū)土-水界面重金屬的遷移轉(zhuǎn)化模型：kβ[∂C′∂t+u∂C′∂x]=1A∂∂x[DxA∂C′∂x]+1HiN;]]>

式中，C是已選的模型中重金屬濃度，單位ug/ml；D_x是縱向紊動擴散系數(shù)；A是污染流橫截面積，單位m²；u是污染物流速度，單位m/s；x是遷移距離，單位m；H_i是水深，單位m；N是底泥與覆蓋水之間污染物交換速度單位m/s；C′是待預(yù)測重金屬濃度，單位ug/ml；k是分配系數(shù)，單位m³/kg，C_s是土水界面流中懸浮顆粒上的待預(yù)測重金屬的濃度，單位mg/kg，C_w是土水界面流中水相中的待預(yù)測重金屬的濃度，單位mg/L；β是元素差異修正因子；

元素差異修正因子β的改進是待預(yù)測的重金屬與已選的模型中重金屬的差異性的修正，通過儀器測得相同采樣點兩種重金屬元素的比值范圍，先用已選用的模型進行編程并嵌入SWAT中的源程序中，運行SWAT得出結(jié)果，并對其模擬值與實測值進行對比，得出納什系數(shù)和回歸系數(shù)的值，其計算公式分別是Ens=1-Σi=1n(Qmi-Qsi)2Σi=1n(Qmi-Qm‾)2]]>與r2={Σi=1n(Oi-O‾)(Pi-P‾)Σi=1n(Oi-O‾)2Σi=1n(Pi-P‾)2}2;]]>

式中，Q_mi、O_i是實測流量，單位是m³/s；Q_si、P_i是模擬流量，單位是m³/s；是平均實測流量，單位是m³/s；是平均模擬流量，單位是m³/s；E_ns與r²接近于1則表示模擬與實測的相似度越高，若兩者的值均大于0.85，則說明模擬擬合度高，不要調(diào)參，否則調(diào)節(jié)主要影響參數(shù)，使其納什系數(shù)和回歸系數(shù)達到0.85，并確定此時的主要參數(shù)值并用于所研究的重金屬的遷移轉(zhuǎn)化的模擬；用二分法逐漸縮小修正因子的區(qū)間即所述兩種重金屬的比值范圍，不改變主要參數(shù)值，用試探法得出修正因子的區(qū)間，使得其擬合度能達到0.85以上，并在[0.37734，0.37698]區(qū)間上確定差異修正因子；分配系數(shù)k是由測定的金屬礦區(qū)土-水界可取修正因子為0.377面流實驗濃度計算，計算中假設(shè)懸浮顆粒物含有與界面流接觸土壤層有相同比例的活動態(tài)重金屬的含量，水中溶解態(tài)重金屬濃度通過0.45um濾膜過濾后，直接測定的濃度值，兩濃度的比值即分配系數(shù)。