基于地球化学多表面模型的土壤中重金属运移研究

The leaching risk of heavy metals in soil is a basic problem of soil risk assessment. In order to accurately evaluate and predict the leaching risk of metal in unsaturated soil, it is necessary to consider the metal speciation in the soil besides hydrodynamic conditions such as precipitation. However, solute transport models in the past often simplified the adsorption process in soil systems. The multi-surface geochemical model developed in recent years can successfully predict the distribution of ions in the soil between the solid / liquid phase. In this study, we will take Cd, Ni, Cr (VI) as the target chemicals and intend to couple the multi-surface model and the hydrodynamic model to better understand the metal transport in soil system. By using both batch adsorption and column leaching experiments, we will carry out research to modify and optimize the multi-surface model to fit in the hydrodynamic model, such as supplement adsorption coefficients, measuring kinetic adsorption coefficient, verifying by column experiments. The results of the study will provide an effective method for the evaluation, control and decision-making of heavy metal contaminated sites.

土壤重金属的淋溶风险是土壤污染修复和风险评价的基础问题。要准确评价和预测土壤非饱和多孔介质中金属的淋溶风险，除考虑降水等水动力条件，还必须考虑土壤中金属的形态。以往的溶质运移模型常简化溶质在土壤复杂体系中的吸附解吸过程。近年来发展起来的地球化学多表面模型可以成功预测离子在土壤固/液相间的分配。本申请拟将多表面模型与水动力学模型有机耦合，以我国土壤和地下水污染较为严重的Cd、Ni、Cr（VI）为研究对象，采用化学提取与柱淋滤实验相结合、物理过程与化学过程相结合、实验测定与模型计算相结合的方式，针对耦合过程中的多表面模型适用性的修正及条件优化等（吸附系数完善、动力学系数测定、淋滤实验耦合）开展细致的研究，采用原位土柱实验进行模型验证，实现复杂野外土壤介质中对金属运移规律的精确刻画、以及淋溶风险的预警预测，研究结果将为土壤重金属污染风险和污染场地修复评价、管控和决策提供有效的方法和工具。

针对以往土壤和多孔介质中的溶质运移模型常采用经验式模型来简化处理土壤复杂界面上的吸附解吸过程，往往导致机理不清、参数适用范围窄等的技术瓶颈。本项目将机理式地球化学多表面形态模型与水动力学模型有机耦合，针对两种模型耦合过程中的一些关键问题开展了细致的研究和验证。. 本研究首先针对采用两点位模型修正了典型阳离子在黏土矿物表面的交换反应参数，构建了面向不同深度土壤的机理式重金属多表面形态模型（MSM），并开发了配套形态计算软件1项，成功预测我国4个典型区域不同剖面土壤的金属溶出效应。其次，采用搅拌流动装置探究了多离子多条件下的吸附解吸动力学行为，假设任一时刻下吸附解吸动力学由平衡与非平衡的差值驱动，使得动力学方程参数受热力学平衡约束从面更加稳健，可成功预测有竞争、无竞争、有络合等条件下淋出曲线。最后，创新性地将表面配合模型与经典一维CDE方程相耦合，采用实时调用形态模型来估算不同时刻和空间位置下平衡浓度的方法，建立了“热力学-动力学耦合”的反应性溶质运移模型，并开发配套计算软件（REKIT）1项，模型首次实现Cr(VI)/As(V)/P(V)多离子在针铁矿-石英砂柱中的竞争性共运移行为的精准预测，填补传统溶质运移模型（如PHREEQC）无法预测竞争性离子共运移曲线的空白。. 研发的金属形态分配模型具有普适性好、准确度高、操作简便、机理性强等优点，预测时无需训练数据集，可覆盖较宽的金属浓度、土壤类型、水化学条件等，为实际复杂污染土壤中金属形态的快速预测提供了模型方法和工具；开发的热力学-动力学耦合反应性溶质运移模型改进了传统溶质运移模型中反应项参数适用范围窄、机制不清、无法预测竞争性离子共运移的弱点，将溶质运移模型的吸附项从“经验式”推进到“机理式”。为构建更大尺度及复杂野外场地条件下的重金属溶质运移模型，实现重金属迁移扩散科学准确预测提供了基础理论、关键参数和模型方法。