半干旱地区典型POPs硫丹环境多介质迁移归趋模拟研究以兰州河谷盆地为例

第33卷第4期2013年4月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.33,No.4Apr.,2013基金项目:国家自然科学基金项目(No.40971267/D010903);教育部“春晖计划”国际合作科研项目(No.Z2008-1-62025)SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.40971267/D010903)andtheChunhuiPlanInternationalCooperationProjectofMinistryofEducationofChina(No.Z2008-1-62025)作者简介:田慧(1989—),女,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:TIANHui(1989—),female,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]田慧,郭强,方利江,等.2013.半干旱地区典型POPs硫丹环境多介质迁移归趋模拟研究———以兰州河谷盆地为例[J].环境科学学报,33(4):1110-1117TianH,GuoQ,FangLJ,etal.2013.Simulationofmultimediatransferandfateofendosulfaninsemi-aridarea:AcasestudyinLanzhou,avalley-basincityinWesternChina[J].ActaScientiaeCircumstantiae,33(4):1110-1117半干旱地区典型POPs硫丹环境多介质迁移归趋模拟研究———以兰州河谷盆地为例田慧1,郭强1,方利江1,毛潇萱1,黄韬1,吴军年1,马建民2,高宏1,∗1.兰州大学资源环境学院,兰州7300002.加拿大环境部科学技术局,多伦多M3H5T4收稿日期:2012-07-02　　　修回日期:2012-09-20　　　录用日期:2012-09-21摘要:以硫丹为研究对象,利用三级多介质逸度模型,对硫丹在半干旱的兰州河谷盆地大气、水体、土壤、沉积物和植物相中的浓度分布进行模拟研究;对硫丹在研究区环境多介质间的迁移通量进行分析,确定其在环境中的主要迁移过程;并结合实际监测数据,对模型的可靠性进行验证;此外,还对除常数之外的20个模型参数进行灵敏度分析,并对较高的模型灵敏度影响因素进行不确定性分析.研究结果表明:土壤、植物和沉积物相是硫丹在兰州河谷盆地环境污染的主要储库;大气平流输入和农药施用是研究区硫丹的主要输入源,沉积物降解和大气平流输出为研究区的主要消耗和输出途径;亨利常数、辛醇-水分配系数等化合物理化性质参数,以及沉积物、土壤有机碳含量等环境参数对模型的灵敏度影响比较显著;模拟浓度与实测浓度相差在一个数量级之内,吻合较好,表明建立的三级多介质逸度模型适用于半干旱的兰州河谷盆地α-硫丹和β-硫丹的环境多介质迁移及归趋行为模拟.关键词:半干旱兰州地区;河谷盆地;硫丹;多介质逸度模型;跨界面迁移;灵敏度分析;不确定性分析文章编号:0253-2468(2013)04-1110-08　　　中图分类号:X131　　　文献标识码:ASimulationofmultimediatransferandfateofendosulfaninsemi-aridarea:AcasestudyinLanzhou,avalley-basincityinWesternChinaTIANHui1,GUOQiang1,FANGLijiang1,MAOXiaoxuan1,HUANGTao1,WUJunnian1,MAJianmin2,GAOHong1,∗1.CollegeofEarthandEnvironmentalScience,LanzhouUniversity,Lanzhou7300002.ScienceandTechnologyBranch,EnvironmentCanada,TorontoM3H5T4Received2July2012;　　　receivedinrevisedform20September2012;　　　accepted21September2012Abstract:TakingLanzhouasthestudyarea,alevelⅢfugacitymodelwasappliedtosimulatetheconcentrationdistributionoftwoendosulfanisomersinfiveenvironmentalcompartmentsincludingair,water,soil,sedimentandvegetation.Meanwhile,thetransferfluxesbetweendifferentcompartmentswereanalyzedinordertoidentifymaintransferprocess.Inaddition,thereliabilityofthismodelwasstudiedbycomparingmodelingresultswithobservationaldata.Forthemodeluncertainty,twentyparametersofthemodelweretestedandthekeyparameterswereidentifiedusingsensitivityanalysis,andtheuncertaintyofthesekeyparameterswasestimated.Thestudyresultsshowedthatthesoil,vegetationandsedimentcompartmentswerethemainreservoirsofendosulfaninLanzhouarea.Furthermore,themaininputsourcesofendosulfaninthestudyareaweretheairinflowanduseofpesticides,whilethesoildegradationandairadvectionoutflowwerethemajorroutesforendosulfandepletioninthestudyarea.Thestudyresultsalsoindicatedthatthephysicalandchemicalpropertiesofendosulfan,suchasHenry′sLawConstantandKOW,aswellastheenvironmentalparametersincludingorganiccarboncontentofsedimentandsoilhadasignificantinfluenceonthemodelsensitivity.Thereliabilityofthemodelwasverifiedbytheagreementbetweencalculatedandmeasuredconcentrationswiththelog-scaledifferenceswithinanorderofmagnitude.Thiscasestudyshowedthatthedevelopedmodelwassuitablefor4期田慧等:半干旱地区典型POPs硫丹环境多介质迁移归趋模拟研究———以兰州河谷盆地为例simulatingthemultimediatransferandfateofendosulfaninthesemi-aridLanzhouarea.Keywords:semi-aridLanzhouarea;valley-basincity;endosulfan;multimediafugacitymodel;multimediatransfer;sensitivityanalysis;uncertaintyanalysis1　引言(Introduction)硫丹(Endosulfan)是一种具有持久性、生物蓄积性、半挥发性、高毒性的典型持久性有机污染物(PersistentOrganicPollutants,POPs)(刘济宁等,2010).2011年4月25—29日,斯德哥尔摩公约第五次缔约方大会将硫丹及其相关异构体列入了公约.硫丹从20世纪50年代中期开始进入市场,由于具有良好的生物活性,曾在世界范围内被广泛使用.据统计,1954—2000年间,硫丹在全球作物的使用量大约为33.8万t,中国从1994年到2004年,总使用量约为25700t(Jiaetal.,2009a;2009b).目前,现在全球至少有60个国家禁止使用硫丹.根据农业部等五部委联合发布的1586号公约,我国自2011年6月15日起,停止受理包括硫丹在内的22种农药新增田间试验申请、等级申请及生产许可申请,停止批准含有上述农药的新增登记证和农药生产许可证,同时,撤销一批高毒农药在果树、蔬菜上的登记,其中包括硫丹在苹果树、茶树上的登记.目前,硫丹已成为环境中普遍存在的一种有机氯农药.袁合金(2009)对浙江省所有地级市土壤的检测发现,在所有有机氯农药中,硫丹的含量仅次于DDTs和HCHs.Lu(2010)研究表明,技术型硫丹是菲律宾蔬菜生产基地土壤中浓度最高的农药类型.同时,在偏远的北极地区大气中也检测到了硫丹的存在(Hungetal.,2010;Gregoretal.,1990;Gregoretal.,1989;Bidlemanetal.,1990;Garbarinoetal.,2002;Hungetal.,2006).Mackay(2001)提出的逸度模型被广泛的应用于有机物归趋行为的研究.李静等(2008)、王喜龙等(2003)和董继元等(2008)研究了苯并(a)芘在大气、水体、土壤和沉积物之间的迁移和归趋规律,指出其主要储库为土壤和沉积物.曹红英等(2004)和高宏等(2008)对HCHs迁移归趋的研究表明,农药施用为其主要来源,土壤降解为主要的消失途径.此外,还有对多环芳烃(汪祖丞等,2011;董继元等,2009;曹红英等,2003)和DDT(董继元等,2009;刘国金等,2007;Lietal.,2006)的迁移归趋研究.但运用逸度模型模拟硫丹在环境相中归趋行为的相关研究较少见报道.国内学者贾宏亮(2010)评估了硫丹在我国土壤和大气中的迁移通量,指出α-硫丹在夏秋季节表现为一次排放特征,冬季呈现二次排放特征;β-硫丹则全年呈现一次排放特征,我国中部、东部及东北部地区可能是硫丹主要的汇.兰州地区是典型的半干旱河谷盆地,处在102°30′~104°30′E、35°5′~38°N之间,属于温带大陆性气候,具有降水少、日照多、光能潜力大、气候干燥、昼夜温差大的特点,年日照时数为2600h,无霜期为180d,年平均降水量250~350mm,并集中分布在6—9月.兰州市域内水资源低于全国平均水平,黄河穿城而过,黄河兰州段全长358.6km.兰州市辖5区(城关、七里河、西固、安宁、红古)、3县(永登、皋兰、榆中),是黄河上游最大的工业城市和西部重要的原材料工业基地.硫丹在兰州每年的平均使用量大约为2.9万t,小麦、苹果及棉花是硫丹施用的主要作物(李向阳,2011).对兰州地区硫丹归趋行为进行研究,对于了解西部干旱半干旱地区硫丹区域归趋行为规律及生态风险具有深远意义,且目前尚未见利用逸度模型对兰州地区硫丹归趋模拟研究的公开报道.因此,本文拟通过三级多介质逸度模型,对硫丹(α-硫丹和β-硫丹)在兰州地区环境中跨界面迁移与归趋行为进行初步模拟,定量计算α-硫丹和β-硫丹在兰州多介质环境相中的浓度分布、迁移通量和降解通量.2　研究方法(Researchm