多介质空间分异模型的研究进展

2004年 ,W egmann F和 Scheringer M 等 [ 15 ]用 一个稳态全球分配质量平衡模型和一个动态 Lev2 elⅣ全球分配质量平衡模型 ,估算了全球不同地 区 、不同气候带的植物对 DDT在全球迁移 、分配 的影响. 稳态全球分配模型 (VegeZoMo)把全球的 植物作为一个平均数来看待 ,它能很好地预测稳 态下植物对半挥发有机化合物 ( SOCs)在全球分 配的影响 ,但不能对其长距离迁移作出评估 ;而动 态的全球分配模型 (C liMoChem )则以纬度划分为 不同的气候带 ,研究不同的气候带植物对 SOCs 在全球迁移及分配的影响 ,以及这种影响随时间 的变化趋势 ,这种模型能对 SOCs长距离迁移的 风险性做出很好的预测. 212 描述有机污染物在区域内的环境行为
1 多介质模型的类型
从建立模型的目的 、方法 、形式等方面出发 ,可 以将环境数学模型分为研究 - 控制模型 、理论 - 经 验模型 、分隔式模型 - 矩阵式模型 、约简式 - 空调 式模型 、稳态 - 动力学模型、个体 - 集总模型 、线性
- 非线性模型 、因果 - 黑箱模型等 7对共 14类 [3 ]. 在多介质环境模型研究中 ,为解决具体的环境问题 经常使用的多介质环境数学模型主要有以下几种 , 箱式模型 [4 ] 、区域质量平衡模型 [5, 6 ] 、污染全球分 配模型 [ 7, 8 ] 、有机污染物的长距离迁移模型 [9 ] 、生 物食物链积累模型 [10 ] 、农药的植物根区迁移模 型 [ 11 ] 、逸度模型 [ 12 ] 、空间分异模型 [ 2 ]等.
2 空间分异模型的应用
211 描述有机污染物在全球地区的环境行为 1995年 ,W ania F和 M ackay D[ 7 ]对持久性有
机污染物 ( POPs)在全球分配进行研究时 ,除把全 球分为 9个连续的气候带外 ,还把每个气候带进 一步分为 6 个环境相 (大气 、海洋水 、淡水 、淡水 沉积层 、土壤分为两相 ) ,考虑了温度和时空的变 化 ,并用不同性质的有机物 (HCB、MCBP、r - HCH 和 DDT)模拟测试了输入不同的参数对模型敏感 度的影响 ,结果表明 ,化合物的性质以及一些与温 度有关的环境因素对控制 POPs在全球迁移和分 配起着关键的作用. 1996年和 1999年 ,该课题组 又用这种模型对 PCB s、a - HCH 在全球分配情况 进行了研究 ,得到了相似的结论 [ 8, 14 ].
第 38卷 第 11期 2 0 0 6年 11月
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报
Vol138 No111
JOURNAL OF HARB IN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Nov. 2006
多介质空间分异模型的研究进展
董玉瑛 1, 2 ,雷炳莉 2
2003年 ,W ania F[9 ]对全球分配质量平衡模型 作了一定的改进 ,模拟预测不同性质的持久性有机 污染物在全球内迁移和在极地地区积累的风险性. 按纬度不同把全球划分为 10个气候带 (增加了一 个南亚极地带 ) ,每个气候带又分为 9个环境相 :大 气 (按高度不同分为 4层 ) 、土壤 (分为开垦和未被 开垦两种类型 ) 、淡水、淡水沉积层、表层海洋水. 模 型计算了各相间的迁移以及污染物沿经线方向在 大气和海洋水中的迁移过程 ,并对不同性质有机污 染物在北极地区的积累情况进行评估.
2002年 ,Woodfine D 等 [ 6 ]应用有联系的 24 区 ChemCAN 模型对加拿大地区污染物的风险情 况进行了模拟评估. 他们把整个加拿大分为 24个 生态区 (每个生态区又分大气 、植物 、水 、土壤和 沉积层 5 个环境相 ) ,各个生态区通过大气和水 的流动连接为一个整体 ,并尝试了开发地理信息 系统 ( GIS)的数据分析和管理方法对苯 、三氯乙 烯 ( TCE) 、过氧化邻苯二甲酸酯 (DEHP) 3种有机 污染物在整个加拿大地区的风险性 (包括区域间 的长距离迁移的风险性 )进行了综合的描述与模 拟 ,模拟值与实测值进行了比较 ,吻合程度较好. 这与 2001年 M acleod M 等发展 [ 19 ]的 BETR No rth Am e rica区域质量平衡模型有许多相同之处 .
DONG Yu2ying1, 2 , LE I B ing2li2
(1. Dep t. of Environmental Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China, E2mail: dongy@ dlnu. edu. cn; 2. School of Chem istry and Environmental Science, Henan Normal University, Xinxiang 453002, China)
型近十年的发展与应用情况 ,并对其应用前景和发展趋势作了展望.
关键词 : 多介质环境数学模型 ;空间分异模型 ;应用与展望
中图分类号 : X82014
文献标识码 : A
文章编号 : 0367 - 6234 (2006) 11 - 1876 - 05
Progress on m ultim ed ia fa te m odels of spa tia l resolution
本文在多介质模型分类பைடு நூலகம்基础上 ,重点描述
收稿日期 : 2004 - 12 - 03. 基金项目 : 国家留学基金资助项目 (21841013). 作者简介 : 董玉瑛 (1968—) ,女 ,博士 ,教授.
空间分异模型 ,综述了近十年这类模型预测污染 物在各介质中分配 、迁移和转化等方面的应用情 况 ,并对其应用前景和发展趋势作了展望.
2002年 , B reivik K[ 5 ]利用非稳态多介质质量
·1878·
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 38卷
平衡模型预测了波罗的海地区六六六 ( HCH s)的 长期风险性 ,采用 LevelⅣ逸度算法 ,把波罗的海 及其周围环境划分为 85 个混合均匀的环境相 (其中波罗的海的海洋环境被分为 16 个水相和 15个沉积层相 ,海洋周围的陆地环境被分为 10 个流域 ,每一个流域又被细分为农业土壤 、森林土 壤 、森林覆盖区 、淡水和淡水沉积层 5个环境相 , 大气环境根据方位不同划分为东西南北 4个大气 相 ) ,并通过相间的迁移把这些环境相连成一个 整体 ,预测了 HCH s在各相的分布及迁移情况.
1997年 , Scheringer M[ 16 ] 应用一个简单的污 染物全球循环模型对 20 种有机污染物在周长为 40 000 km 的区域环境中的空间分配及风险情况 进行了模拟. 该区域被分成等弧长的 n块小区域 , 每个小区域又被细分成大气 、水和土壤 3 个亚环 境相. 模型讨论了气 - 粒子的分配系数对 8 种半 挥发性有机污染物 ( SOCs)在环境中分配方式的 影响 ,并对另外 12种可溶的有机污染物的持久性 及空间分布的范围作了计算.
2001年 , Hertw ich E G[ 17 ]应用 CALTOX 区域 模型评估了污染物的空间迁移和分配的动力学行 为. 这种区域模型把环境分为 7个环境介质 :大 气 、表层水 、植物 、沉积层 、表层土壤 、根区土壤 、渗 流区土壤 ,每一个环境介质又通过它的总质量 、总 体积以及固相 、液相和气相质量来表征 ,并且认为 每个环境介质中的不同相之间达到平衡状态. 为 了表现空间分异性 ,对土壤以垂直高度不同进行 分层的方法在其他有些模型中也被采用 [ 18 ].
Abstract: Multimedia fate models of spatial resolution are used as an efficient tool to assess the behaviors and fates of chem icals because they can give a more comp rehensive, accurate and detailed descrip tion of the p roces2 ses of distribution, transportation and transformation in various phases. It is reviewed that multimedia fate mod2 els of spatial resolution have been app lied widely during the last ten years on the basis of understanding the cata2 logue for multimedia models. The p rospects of multimedia models have also been discussed and p roposed. Key words: multimedia fate models; spatial resolution; app lication and p rospect
(1. 大连民族学院 环境工程系 , 大连 116600, E2mail: dongy@ dlnu. edu. cn; 2. 河南师范大学 化学与环境科学学院 ,河南 新乡 453002)
摘 要 : 鉴于多介质空间分异模型能够更综合 、更细致 、更真实地描述化合物在实际环境中的分配 、传递与
转化过程 ,是评价化合物环境行为的一种有效工具 ,在介绍多介质模型分类情况的基础上 ,综述空间分异模
多介质环境数学模型通常用 4个不同的水平 系统来估算污染物在环境各相的分配 、迁移及转
第 11期
董玉瑛 , 等 :多介质空间分异模型的研究进展
·1877·
化 [ 13 ] ,它是建立空间分异模型的理论基础. 第一 级模型系统是平衡 、稳态 、非流动系统. 它是固定 量化合物在环境体系中处于平衡分配的最简单描 述. 该模型方法虽然能给出固定量化合物在系统 中最终分布的上述信息 ,但太简单且过于理想. 第 二级模型系统是平衡 、稳态 、流动系统. 第一级与 第二级模型均假定化合物在不同相中达到平衡 , 即具有相同的逸度. 但在实际环境中 ,当化合物被 排放到某一介质后 ,在被降解或迁移之前 ,可能没 有足够的时间移动到另一介质而达到平衡状态. 第三级模型系统是非平衡 、稳态 、流动系统. 此系 统考虑物质的稳态输入 、输出和在相内发生的水 解 、光解 、氧化与还原 、生物降解等各种反应 (均 被视为一级过程 ) ,以及相邻两相间物质的各种 扩散与非扩散过程 ,此系统中物质在各相中的逸 度 f相异 ,更符合实际. 第四级模型系统是非平 衡 、非稳态 、流动系统. 该系统考虑物质的非稳态 输入与输出和在相内发生的水解 、光解 、氧化与还 原 、生物降解等各种反应 (均被视为一级过程 ) , 以及物质在各相间的扩散与非扩散过程. 它能很 好地描述化合物在环境系统中的动态行为.
为解决由污染物引起的各种环境和生态问 题 ,建立快速 、准确的实时监测方法 ,测定污染物 在环境各介质中的污染水平非常重要. 但是对数 量众多的污染物在各种环境介质中的时空分布情 况进行一一监测是不可行的 ,促进了污染物迁移 转化的多介质模型研究. 80 年代初 ,多介质环境 数学模型一经提出就得到广泛应用 [ 1 ]. 其中 ,多 介质空间分异模型能够更综合 、更细致 、更真实地 描述化合物在实际环境中的分配 、传递与转化过 程 ,已被认为是评价化合物环境行为的一种有力 工具 ,对新合成的或已存在的化学品的环境影响 的早期评价 、污染物的风险评估以及对化学品的 环境暴露和安全管理具有重要的意义 ,为环境化 学工作者提供了重要管理和决策工具 [ 2 ].