[发明专利]一种金属矿区土-水界面重金属污染负荷的预测方法

权利要求书

1.一种金属矿区土-水界面重金属污染负荷的预测方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）样品采集与预处理：样品的采集采用系统随机布点法，选择金属矿区为采样区域，采样点均匀分布在采样区域内，其采样密度为0.05-0.06平方公里采样一个，并采用GPS进行样点定位，记录其经纬度；在自然降雨且降雨强度大于下渗强度产生径流时，在每个采样点采集地表坡面径流水样0.5-3L，放入聚乙烯瓶并用黑色塑料袋包装后带回实验室；在实验室内将所采水样分别震荡混匀，离心分离后用玻璃纤维滤膜过滤，所得水样冷藏保存贴好标签，做好采样记录；同样在采样区域均匀采集土样做好标签记录，并对土壤类型及土地利用方式进行记录；

（2）样品检测：对步骤（1）处理后水样中重金属含量进行测定，重金属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采用原子荧光分光光度法测定，Cd、Zn、Pb、Mn采用火焰原子吸收分光光度法测定；对步骤（1）采集的土样送到资源规划勘测测试中心检测；

（3）数据处理：采用Grubbs法对测得的原始数据中特异值进行检验和剔除；采用SPSS19.0软件K-S法检进行数据的正态分布检验；

（4）建立GIS数据库：根据通过当地的环保部门提供以及近5年做该区污染研究的文献中获得的、过去5年的实测数据，包括研究区的气象气候条件、土地利用类型、土壤类型，以及通过对污染区过去5年工业废水和生活污水污染、氮磷污染以及重金属锰铅污染历史及区域资料调查与分析，结合当地几种主要的重金属污染程度背景调查分析和其他研究所需资料，包括，矿区进出矿口分布和周围居民区分布，以及农田和水塘的分布分析；在GIS信息系统中建立该金属矿区基础数据库，包括，采样点经纬度、矿区气候、土壤类型、土地利用方式、居民区与农田水塘分布，并在此基础上建立该矿区基础数据与SWAT软件的相关链接表；

（5）构建重金属迁移转化动力学模型：以步骤（4）建立的区域GIS数据库为基础，基于GIS技术和RS技术，选择林玉环汞一维迁移模型，并对该模型进行了差异修正因子和分配系数的改进，得到重金属的迁移转化模型；

（6）重金属污染负荷的预测方法构建：用Fortran语言对步骤（5）所得的迁移转化模型进行编程，并将所编程序嵌入SWAT软件的开源程序接口中，以重金属迁移转化动力学模型为基础和以SWAT软件为平台，从而构建出金属矿区土-水界面流重金属污染负荷预测模型，得到金属矿区土-水界面流中重金属污染负荷预测方法；

（7）预测方法的验证与优化：通过参数敏感性分析确定主要影响参数，应用LH－OAT敏感性分析法，将参数敏感度表示为一个无量纲的指数，反映模型方法输出结果随模型参数的微小改变而变化的影响程度或敏感性程度，并应用于SWAT软件中；将近十年的数据对主要影响参数进行了率定和验证，调节主要影响参数，使其拟合度达到要求并确定此时的主要参数取值，从而得到优化的金属矿区土-水界面流重金属污染负荷预测方法。

2.根据权利要求1所述的金属矿区土-水界面重金属污染负荷的预测方法，其特征在于，步骤（5）所述构建重金属迁移转化动力学模型包括如下步骤：

以步骤（4）建立的区域GIS数据库为基础，基于GIS技术和RS技术，选择重金属动力学模型：，对该模型进行了元素差异修正因子β和分配系数k的改进得到金属矿区土-水界面重金属的迁移转化模型：kβ[∂C′∂t+u∂C′∂x]=1A∂∂x[DxA∂C′∂x]+1HiN;]]>

式中，C是已选的模型中重金属浓度，单位ug/ml；D_x是纵向紊动扩散系数；A是污染流横截面积，单位m²；u是污染物流速度，单位m/s；x是迁移距离，单位m；H_i是水深，单位m；N是底泥与覆盖水之间污染物交换速度单位m/s；C′是待预测重金属浓度，单位ug/ml；k是分配系数，单位m³/kg，C_s是土水界面流中悬浮颗粒上的待预测重金属的浓度，单位mg/kg，C_w是土水界面流中水相中的待预测重金属的浓度，单位mg/L；β是元素差异修正因子；

元素差异修正因子β的改进是待预测的重金属与已选的模型中重金属的差异性的修正，通过仪器测得相同采样点两种重金属元素的比值范围，先用已选用的模型进行编程并嵌入SWAT中的源程序中，运行SWAT得出结果，并对其模拟值与实测值进行对比，得出纳什系数和回归系数的值，其计算公式分别是Ens=1-Σi=1n(Qmi-Qsi)2Σi=1n(Qmi-Qm‾)2]]>与r2={Σi=1n(Oi-O‾)(Pi-P‾)Σi=1n(Oi-O‾)2Σi=1n(Pi-P‾)2}2;]]>

式中，Q_mi、O_i是实测流量，单位是m³/s；Q_si、P_i是模拟流量，单位是m³/s；是平均实测流量，单位是m³/s；是平均模拟流量，单位是m³/s；E_ns与r²接近于1则表示模拟与实测的相似度越高，若两者的值均大于0.85，则说明模拟拟合度高，不要调参，否则调节主要影响参数，使其纳什系数和回归系数达到0.85，并确定此时的主要参数值并用于所研究的重金属的迁移转化的模拟；用二分法逐渐缩小修正因子的区间即所述两种重金属的比值范围，不改变主要参数值，用试探法得出修正因子的区间，使得其拟合度能达到0.85以上，并在[0.37734，0.37698]区间上确定差异修正因子；分配系数k是由测定的金属矿区土-水界可取修正因子为0.377面流实验浓度计算，计算中假设悬浮颗粒物含有与界面流接触土壤层有相同比例的活动态重金属的含量，水中溶解态重金属浓度通过0.45um滤膜过滤后，直接测定的浓度值，两浓度的比值即分配系数。