專利名稱：一種再現(xiàn)17β-雌二醇土柱淋溶過程的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種再現(xiàn)土柱淋溶過程中污染物遷移、轉(zhuǎn)化的技術(shù)，特別是涉及一種基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的再現(xiàn)173-雌二醇(E2) 土柱淋溶過程的方法，該方法可為預(yù)測和控制土壤中E2的遷移、轉(zhuǎn)化提供重要技術(shù)指導(dǎo)，屬于環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程學(xué)科領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，雌酮(El)、17 0-雌二醇(E2)等天然雌激素作為典型的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物受到了廣泛的關(guān)注，雌激素通過向農(nóng)田土壤施加畜禽排泄物等方式進(jìn)入土壤，進(jìn)而在環(huán)境中進(jìn)行遷移、轉(zhuǎn)化。目前，模擬和控制有機(jī)污染物在土壤中遷移、轉(zhuǎn)化的技術(shù)研究成為焦點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下的土柱淋溶實(shí)驗(yàn)，是研究土壤中有機(jī)物遷移、轉(zhuǎn)化的重要手段。最近幾年中，有機(jī)污染物在土壤中吸附及遷移行為的研究，大多以有機(jī)農(nóng)藥、殺蟲劑為主，研究雌 激素的較少。并且研究集中于用定量化模型手段，對有機(jī)物在土壤-水體系中的吸附、降解及遷移行為進(jìn)行模擬再現(xiàn)。國內(nèi)外較多的采用非平衡態(tài)兩點(diǎn)和兩區(qū)對流-彌散模型，可以解釋淋溶液中有機(jī)物濃度曲線左偏和拖尾的現(xiàn)象。然而，目前研究有機(jī)物在土柱中淋溶行為的模型較為單一，除了基于對流-彌散方程發(fā)展的模型外鮮有其它方法的模型。并且，現(xiàn)有的連續(xù)性模型不能夠解釋有機(jī)污染物在土柱中遷移、轉(zhuǎn)化的隨機(jī)現(xiàn)象，對污染物在土壤中空間分布的動(dòng)態(tài)變化計(jì)算繁瑣，不便于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。CA (Cellular Automata Model，簡稱CA模型)模型是一種定義在離散時(shí)間、空間上，遵循一定演化規(guī)則能夠模擬復(fù)雜系統(tǒng)的并且可操作性強(qiáng)的數(shù)學(xué)方法。CA模型已經(jīng)廣泛用于森林火災(zāi)模擬、腫瘤細(xì)胞的生長過程的建模、耕地?cái)U(kuò)張動(dòng)力學(xué)模擬等復(fù)雜系統(tǒng)建模領(lǐng)域，而CA模型模擬雌激素在土壤中遷移、轉(zhuǎn)化行為研究鮮見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將CA模型運(yùn)用于E2 土柱淋溶模型中，利用CA模型的靈活、多樣的優(yōu)勢，從E2在土柱淋溶過程中發(fā)生吸附、解吸及降解、遷移的微觀機(jī)理出發(fā)，建立能夠模擬E2 土柱淋溶過程的CA模型，實(shí)現(xiàn)E2在土柱淋溶過程中的動(dòng)態(tài)可視化。本發(fā)明的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)步驟如下一種再現(xiàn)17 0 -雌二醇(E2) 土柱淋溶過程的方法，包括如下步驟I)將土樣均勻填充于土柱裝置中，土柱表層均勻添加E2標(biāo)準(zhǔn)樣品后，用CaCl2溶液進(jìn)行淋溶，控制淋溶的流速及流量，并收集淋出液，測定淋出液中的E2、El濃度并計(jì)算累積淋出量；2)設(shè)定元胞集合大小、邊界和初始化元胞狀態(tài)用mXn的二維網(wǎng)格空間代表E2淋溶的土柱，每個(gè)網(wǎng)格被E2或E2的轉(zhuǎn)化物El或土壤顆粒和淋溶液所填充，m為二維網(wǎng)格的行數(shù)，n為二維網(wǎng)格的列數(shù)，即定義元胞集合為Cellset = ICellmxJ ,表示該元胞集合中有n個(gè)元胞領(lǐng)域,每個(gè)元胞領(lǐng)域中含有m個(gè)元胞空間；
設(shè)定元胞狀態(tài)集合為Celli, j(t) = {0，1，2，3，4}，表示七時(shí)刻第1行、第」列的元胞狀態(tài)值為0或1、2、3、4 ;當(dāng)元胞狀態(tài)值為0時(shí)，表示該元胞為空，沒有El和E2存在；當(dāng)元胞狀態(tài)值為I時(shí)，表示該元胞中存在自由態(tài)的E2 ;當(dāng)元胞狀態(tài)值為2時(shí)，表示該元胞中存在吸附態(tài)的E2 ;當(dāng)元胞狀態(tài)值為3時(shí)，表示該元胞中存在自由態(tài)的El ;當(dāng)元胞狀態(tài)值為4時(shí)，表示該元胞中存在吸附態(tài)的El ；開始進(jìn)行E2淋溶時(shí)，E2首先被均勻的施加到土柱的上表面，此時(shí)mXn的二維網(wǎng)格第一行元胞狀態(tài)值均為1，即為模型運(yùn)算的初始狀態(tài)；模型計(jì)算的上邊界為mXn的二維網(wǎng)格的第一行，下邊界為mXn的二維網(wǎng)格的最后一行，即第m行；當(dāng)t時(shí)刻El或E2存在于第m行的某個(gè)元胞中時(shí)，存在的El或E2視為在t時(shí)刻隨淋溶液流出；3)依據(jù)E2 土柱淋溶的微觀機(jī)理，制定演化規(guī)則 4)模型參數(shù)的計(jì)算方法4-1)單位元胞中E2和El質(zhì)量Am的計(jì)算初始狀態(tài)時(shí)，質(zhì)量為M的E2均勻分布在mXn 二維網(wǎng)格第一行的n個(gè)元胞內(nèi)，因此單位元胞內(nèi)E2的質(zhì)量Am = M/n,單位為kg。由于El和E2摩爾質(zhì)量相差很小，當(dāng)E2轉(zhuǎn)化為El時(shí),單位元胞內(nèi)El的質(zhì)量亦為Am = M/no4-2) A t時(shí)間El或E2的遷移距離及擴(kuò)散率的計(jì)算遷移距離包括擴(kuò)散距離和隨淋溶液流動(dòng)的距離，因此At時(shí)間內(nèi)El和E2在淋溶液中遷移距離為Round(Normrnd(Q，crf ) + 迮.w)和Round(Normrnd(0,Ctl:1 ) + At-u) ,of
和crf為El和E2在A t時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離的標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位為m ；Normrnd (0，o x)表示符合均值為O、標(biāo)準(zhǔn)差為O x的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；Round表示四舍五入求整函數(shù)；u表示淋溶液的淋溶流速，單位為m/s ; A t u表示淋溶液在A t時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的距離；其有效擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式為D’ = ox2/2At，單位為m2/S;4-3)判斷概率事件的發(fā)生與否通過在[1，105]區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)均勻分布的隨機(jī)數(shù)，判斷該隨機(jī)數(shù)是否在概率區(qū)間[I, p*105]內(nèi)來判斷事件發(fā)生與否，Boole = (Rand int ([I IO5]) ^ p IO5), Boole 為布爾變量，當(dāng)Boole值為I時(shí)該事件發(fā)生，當(dāng)Boole值為0時(shí)該事件不發(fā)生；Rand int ([IIO5])表示在區(qū)間[1，105]內(nèi)產(chǎn)生符合均勻分布的隨機(jī)數(shù)；4-4)吸附、脫附和降解速率常數(shù)的計(jì)算E2和El在土壤-水體系的吸附、脫附和降
Ar
解符合一級動(dòng)力學(xué)方程y = A:_c。A c表示元胞中El或E2濃度在At時(shí)間間隔內(nèi)的變化
At
量，單位為kg/m3 ；k表示吸附和降解一級動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)，單位為1/s ；c表示在t時(shí)刻元胞中El或E2的濃度，單位為kg/m3。發(fā)生吸附、脫附或降解的概率p為p = k A t，即模型中表示E2或El在土壤中吸附、脫附和降解概率的參數(shù)P，等于一級動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)k和時(shí)間步長At時(shí)的乘積。4-5)迭代步長At的計(jì)算迭代步長為淋溶液流過一個(gè)元胞所需時(shí)間A =H
m u
為土柱高度，單位為m。5)迭代計(jì)算按本發(fā)明步驟2)設(shè)定元胞集合大小和初始化元胞狀態(tài)，對P::2、P22, PL‘2、PfX'1、Pi , Pf , A' <和參數(shù)賦予區(qū)間
上的初值，然后遵循本發(fā)明步驟3)中的演化規(guī)則以時(shí)間步長At對mXn個(gè)元胞進(jìn)行迭代計(jì)算，迭代計(jì)算中用步驟
4)中的計(jì)算方法計(jì)算模型參數(shù)。每迭代計(jì)算一次，就輸出該時(shí)刻E2和El在土柱中的空間分布狀態(tài)以及土柱瞬時(shí)淋出濃度和累積淋出量，土柱瞬時(shí)淋出濃度和累積淋出量計(jì)算公式
為
權(quán)利要求
1.一種再現(xiàn)170-雌二醇(E2) 土柱淋溶過程的方法，其特征在于，包括如下步驟 1)將土樣均勻填充于土柱裝置中，土柱表層均勻添加E2標(biāo)準(zhǔn)樣品后，用CaCl2溶液進(jìn)行淋溶，控制淋溶的流速及流量，并收集淋出液，測定淋出液中的E2、雌酮(El)濃度并計(jì)算累積淋出量； 2)設(shè)定元胞集合大小、邊界和初始化元胞狀態(tài) 用mXn的二維網(wǎng)格空間代表E2淋溶的土柱，每個(gè)網(wǎng)格被E2或E2的轉(zhuǎn)化物El或土壤顆粒和淋溶液所填充，m為二維網(wǎng)格的行數(shù)，n為二維網(wǎng)格的列數(shù)，即定義元胞集合為Cellset = ICellmxJ ,表示該元胞集合中有n個(gè)元胞領(lǐng)域,每個(gè)元胞領(lǐng)域中含有m個(gè)元胞空間； 設(shè)定元胞狀態(tài)集合為Celly (t) = {0，1，2，3，4}，表示七時(shí)刻第1行、第」列的元胞狀態(tài)值為O或1、2、3、4 ;當(dāng)元胞狀態(tài)值為O時(shí)，表示該元胞為空，沒有El和E2存在；當(dāng)元胞狀態(tài)值為I時(shí)，表示該元胞中存在自由態(tài)的E2 ;當(dāng)元胞狀態(tài)值為2時(shí)，表示該元胞中存在吸附態(tài)的E2 ;當(dāng)元胞狀態(tài)值為3時(shí)，表示該元胞中存在自由態(tài)的El ;當(dāng)元胞狀態(tài)值為4時(shí)，表示該元胞中存在吸附態(tài)的El ； 開始進(jìn)行E2淋溶時(shí)，E2首先被均勻的施加到土柱的上表面，此時(shí)mXn的二維網(wǎng)格第一行元胞狀態(tài)值均為1，即為模型運(yùn)算的初始狀態(tài)；模型計(jì)算的上邊界為mXn的二維網(wǎng)格的第一行，下邊界為mXn的二維網(wǎng)格的最后一行，即第m行；當(dāng)t時(shí)刻El或E2存在于第m行的某個(gè)元胞中時(shí)，存在的El或E2視為在t時(shí)刻隨淋溶液流出； 3)依據(jù)E2土柱淋溶的微觀機(jī)理，制定演化規(guī)則 4)模型參數(shù)的計(jì)算方法 4-1)單位元胞中E2和El質(zhì)量Am的計(jì)算 初始狀態(tài)時(shí)，質(zhì)量為M的E2均勻分布在mXn 二維網(wǎng)格第一行的n個(gè)元胞內(nèi)，因此單位元胞內(nèi)E2的質(zhì)量Am = M/n,單位為kg ;由于El和E2摩爾質(zhì)量相差很小，當(dāng)E2轉(zhuǎn)化為El時(shí)，單位元胞內(nèi)El的質(zhì)量亦為Am = M/n ； 4-2) At時(shí)間內(nèi)El或E2的遷移距離及擴(kuò)散率的計(jì)算 遷移距離包括擴(kuò)散距離和隨淋溶液流動(dòng)的距離，因此At時(shí)間內(nèi)El和E2在淋溶液中遷移距尚為臟#Normrnd(0,(J) + At -u) + At-u) ,crf7和(Tbx2為El和E2在A t時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離的標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位為m ；Normrnd (O，o x)表示符合均值為O、標(biāo)準(zhǔn)差為O x的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；Round表示四舍五入求整函數(shù)；u表示淋溶液的淋溶流速，單位為m/s ; A t u表示淋溶液在A t時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的距離；其有效擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式為D’ = 0//2八1,單位為1]12/8; 4-3)判斷概率事件的發(fā)生與否 通過在[1，105]區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)均勻分布的隨機(jī)數(shù)，判斷該隨機(jī)數(shù)是否在概率區(qū)間[1，p*105]內(nèi)來判斷事件發(fā)生與否，Boole = (Rand int ([I IO5]) ^ p IO5)，Boole為布爾變量,當(dāng)Boole值為I時(shí)該事件發(fā)生,當(dāng)Boole值為0時(shí)該事件不發(fā)生；Rand int ([I IO5])表示在區(qū)間[1，105]內(nèi)產(chǎn)生符合均勻分布的隨機(jī)數(shù)； 4-4)吸附、脫附和降解速率常數(shù)的計(jì)算 Ar E2和El在土壤-水體系的吸附、脫附和降解符合一級動(dòng)力學(xué)方程Y = Ic，A c表示 At元胞中El或E2濃度在At時(shí)間間隔內(nèi)的變化量，單位為kg/m3冰表示吸附和降解一級動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)，單位為1/s ；c表示在t時(shí)刻元胞中El或E2的濃度，單位為kg/m3 ;發(fā)生吸附、脫附或降解的概率P為P = k A t，即模型中表示E2或El在土壤中吸附、脫附和降解概率的參數(shù)P，等于一級動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)k和時(shí)間步長△ t時(shí)的乘積； 4-5)迭代步長At的計(jì)算 迭代步長為淋溶液流過一個(gè)元胞所需時(shí)間
2.如權(quán)利要求I所述的再現(xiàn)17-3雌二醇土柱淋溶過程的方法，其特征在于，所述土柱淋溶中淋溶液的流動(dòng)方向?yàn)橹亓Ψ较?，即豎直向下。
3.如權(quán)利要求I所述的再現(xiàn)17-3雌二醇土柱淋溶過程的方法，其特征在于，所述土柱淋溶的土柱高不大于lm、不小于Icm, 土柱橫截面直徑不大于20cm、不小于1cm。
4.如利要求I所述的再現(xiàn)170-雌二醇土柱淋溶過程的方法，其特征在于，步驟3)中依據(jù)E2 土柱淋溶的微觀機(jī)理，制定的演化規(guī)則具體為 3-1)當(dāng)t時(shí)刻第i行、第j列的元胞狀態(tài)值為I時(shí)，t+A t時(shí)刻第i行、第j列的元胞狀態(tài)值分別以概率、Pf2演變?yōu)?和2，否則t+ A t時(shí)刻第i+d行、第j列的元胞狀態(tài)值為1，A t表示計(jì)算的時(shí)間間隔，單位為s ;d表示El或E2的遷移的距離，單位為m 為自由態(tài)E2在At時(shí)間內(nèi)演化為自由態(tài)El的概率；jpf2為自由態(tài)E2在At時(shí)間內(nèi)演化為吸附態(tài)E2的概率； 3-2)當(dāng)t時(shí)刻第i行、第j列的元胞狀態(tài)值為2時(shí)，t+A t時(shí)刻第i行、第j列的元胞狀態(tài)值分別以概率pf、演變?yōu)?和1，否則元胞狀態(tài)值為2 為吸附態(tài)E2在At時(shí)間內(nèi)演化為吸附態(tài)El的概率；pf為吸附態(tài)E2在A t時(shí)間內(nèi)演化為自由態(tài)E2的概率；3-3)當(dāng)t時(shí)刻第i行、第j列的元胞狀態(tài)值為3時(shí)，t+A t時(shí)刻第i行、第j列的元胞狀態(tài)值分別以概率、Pf演變?yōu)镺和4，否則t+ A t時(shí)刻第i+d行、第j列的元胞狀態(tài)值為3 'P^為自由態(tài)El在A t時(shí)間內(nèi)被降解的概率為自由態(tài)El在A t時(shí)間內(nèi)演化為吸附態(tài)El的概率； 3-4)當(dāng)t時(shí)刻第i行、第j列的元胞狀態(tài)值為4時(shí)，t+A t時(shí)刻第i行、第j列的元胞狀態(tài)值分別以概率演變?yōu)镺和3，否則元胞狀態(tài)值為4 為吸附態(tài)El在At時(shí)間內(nèi)被降解的概率；Jpf為吸附態(tài)El在A t時(shí)間內(nèi)演化為自由態(tài)El的概 率； 3-5)當(dāng)t時(shí)刻第i行、第j列的元胞狀態(tài)值為O時(shí)，t+A t時(shí)刻第i行、第j列的元胞狀態(tài)值亦為O。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種再現(xiàn)17β-雌二醇(E2)土柱淋溶過程的方法，屬于環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程學(xué)科領(lǐng)域，包含如下步驟1)將土樣均勻填充于土柱裝置中，土柱表層均勻添加E2標(biāo)準(zhǔn)樣品后進(jìn)行淋溶，測定淋出液中的E2、E1濃度并計(jì)算累積淋出量；2)設(shè)定元胞集合大小、邊界和初始化元胞狀態(tài)；3)依據(jù)微觀機(jī)理制定演化規(guī)則；4)計(jì)算模型所需參數(shù)；5)迭代計(jì)算。本發(fā)明利用CA模型的靈活、多樣的優(yōu)勢，從E2在土柱淋溶過程中發(fā)生吸附、解吸及降解、遷移的微觀機(jī)理出發(fā)，建立能夠模擬E2土柱淋溶過程的CA模型，實(shí)現(xiàn)E2在土柱淋溶過程中的動(dòng)態(tài)可視化再現(xiàn)。
文檔編號G06F19/00GK102831312SQ20121029777
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者史江紅, 陳慶彩, 劉曉薇, 吳唯, 張暉, 薄婷 申請人:北京師范大學(xué)