第七章壤污染取合理论.docVIP

第七章：土壤污染取合理論 溶質（solute）的移動，在土壤或是地下水的孔隙介質層間，是有趣且複雜的研究：農藝學家由此來推導土壤中N.P.K在植物根系層間的移動，與吸收，環境學家由此來憑估NO3- 可能在土壤間的下滲，以致對於地下水的污染，農化學者由此來推測土壤的鹽鹼化與所需的淋洗；另外近代有關污染質如有機殺草劑、重金屬、有機油碳羥類、放射性的元素等在土壤、淤泥、地下水，植物體中之移動都是深受注重的研究題目。 　　影響溶質移動的因子很多：有物理方面的，一即Convective Transport（或稱為Mass Flow），此solute隨著Darcy Flux而移動，此時solute的運輸則受導水係數K(θ)所影響，可用傳統的Darcy’s式來表示；另一即為Diffusion Transport，即solute的運輸也受濃度差所影響，是solute分子的擴散移動，不具方向性，純為Random walk，此時的運輸可用Ficker’s law描述之，且由Ds (Diffusion Coef.)擴散係數來表示該溶質的擴散特性；另一為Hydrodynamic Dispersion，是一種Microscopic流體行為，是特別指著流體流過固體的表面，因為shear stress，使的流體在接近固體表面的流動速率緩慢，所以溶質的傳播緩慢，反之在較遠離固體表面的流速較快，則溶質的傳導也較快，其傳導的特性，亦由一係數Dn 示之，Dn 稱為Dispersion coef。 　　影響溶質的移動，有化學方面的，在土壤方面稱為physiocochemical system，這包括離子的置換，吸附，沈澱，溶解，與揮發。 　影響溶質的移動尚有生物方面的影響，如植物對於溶質的吸附，微生物的吸收或分解、轉化。 　　最後尚有外界環境的影響：如溫度，土壤的pH值，土壤的氣化與還原電位，溶質的不同組成分，溶質的濃度等。 溶質的Convective Transport 　　這是假設溶質完全隨著Darch水流移動，所以溶質的convective flux，Jc 為溶質濃度，C，乘以Darcy’s Flux，q， (1) K, HT, z，負號在前面幾章，皆解釋過了。Jc的定義為單位時間，與面積，所流過的溶質量。q亦可表示為 q＝θ? (2) θ為土壤含水量，為土壤孔隙間的平均流速，因為θ＜1，所以＞q。將(2)式代入(1)式得 Jc＝c?θ? (3) 假設土壤的深度為L，則溶質通過土柱的時間為，稱為平均滯留時間（Average Residence Time）， ＝L／ (4) 將(2)代入(4)得 ＝L?θ／q (5) 〈例〉 　　假設有一污染水進入土中，而且該污染質不分解、不蒸發，不被土壤吸附，不被植物吸收，不被微生物轉化。已知該地區的降雨量為2000mm/day，蒸發量為1400mm/day，土壤長期為非飽和，祗含20％含水量，地面的污水槽離地下水有30公尺。多少污染質才滲入地下水中？  　　Convection flow所求得的祗是上述非常“頑”（Inert Chemical）的化學物。事實上大部份的化學物有機或無機物，在土壤中除了convection以外，尚有Diffusion與Dispersion。但是Convection process提供有“平均值”，而其它的process成為“變異數”（variance），如此不同物理與化學process的混合，不僅可以表示為數值解，也可表示為統計式表示。 溶質的Diffusion Process (Browian motion) 　　Diffusion Process是由高濃度擴散到低濃度。當水流靜止時，擴散溶質的速率表示為，Jd，根據Fick’s Law，Jd是濃度c，的比降（gradient） (6) 　　Do稱為水中的擴散係數（Diffusion coefficient in bulk water）在土壤中水祗是其中的一部份，所以土壤的擴散係數亦可如(2)式，Ds，表示為 Ds＝Do?θ (7) 因為θ＜1，故Ds＜Do，Ds由(7)知是土壤含水量的函數，Ds(θ)，故(6)式如在土壤間可以表示為 (8) 上式祗能表示為steady condition（即Jd不隨時間改變），為要表示在較一般的情況transient condition（即Jd 是隨時間而改變）。 　　假設上圖長方形是某單位的土壤，假設溶質通過時沒有產生別的化學作用（如沈澱、溶解、吸附）與生物作用（如分解、礦化），祗有擴散作用。該單位的土壤斷面積為A，土壤的厚度為△z，所以A＝△x＋△y。流入單位土壤的某溶質，在單位時間與體積其擴散速率為： (9) 而流出土壤的溶質擴散速率為 (10) (10)式中為擴