[发明专利]一种再现17β-雌二醇土柱淋溶过程的方法

摘要

本发明涉及一种再现17β-雌二醇(E2)土柱淋溶过程的方法，属于环境科学和环境工程学科领域，包含如下步骤：1)将土样均匀填充于土柱装置中，土柱表层均匀添加E2标准样品后进行淋溶，测定淋出液中的E2、E1浓度并计算累积淋出量；2)设定元胞集合大小、边界和初始化元胞状态；3)依据微观机理制定演化规则；4)计算模型所需参数；5)迭代计算。本发明利用CA模型的灵活、多样的优势，从E2在土柱淋溶过程中发生吸附、解吸及降解、迁移的微观机理出发，建立能够模拟E2土柱淋溶过程的CA模型，实现E2在土柱淋溶过程中的动态可视化再现。

主权项

1.一种再现17β-雌二醇(E2)土柱淋溶过程的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将土样均匀填充于土柱装置中，土柱表层均匀添加E2标准样品后，用CaCl₂溶液进行淋溶，控制淋溶的流速及流量，并收集淋出液，测定淋出液中的E2、雌酮(E1)浓度并计算累积淋出量；2)设定元胞集合大小、边界和初始化元胞状态用m×n的二维网格空间代表E2淋溶的土柱，每个网格被E2或E2的转化物E1或土壤颗粒和淋溶液所填充，m为二维网格的行数，n为二维网格的列数，即定义元胞集合为Cellset＝{Cell_m×n}，表示该元胞集合中有n个元胞领域，每个元胞领域中含有m个元胞空间；设定元胞状态集合为Cell_i，j(t)＝{0，1，2，3，4}，表示t时刻第i行、第j列的元胞状态值为0或1、2、3、4；当元胞状态值为0时，表示该元胞为空，没有E1和E2存在；当元胞状态值为1时，表示该元胞中存在自由态的E2；当元胞状态值为2时，表示该元胞中存在吸附态的E2；当元胞状态值为3时，表示该元胞中存在自由态的E1；当元胞状态值为4时，表示该元胞中存在吸附态的E1；开始进行E2淋溶时，E2首先被均匀的施加到土柱的上表面，此时m×n的二维网格第一行元胞状态值均为1，即为模型运算的初始状态；模型计算的上边界为m×n的二维网格的第一行，下边界为m×n的二维网格的最后一行，即第m行；当t时刻E1或E2存在于第m行的某个元胞中时，存在的E1或E2视为在t时刻随淋溶液流出；3)依据E2土柱淋溶的微观机理，制定演化规则4)模型参数的计算方法4-1)单位元胞中E2和E1质量Δm的计算初始状态时，质量为M的E2均匀分布在m×n二维网格第一行的n个元胞内，因此单位元胞内E2的质量Δm＝M/n，单位为kg；由于E1和E2摩尔质量相差很小，当E2转化为E1时，单位元胞内E1的质量亦为Δm＝M/n；4-2)Δt时间内E1或E2的迁移距离及扩散率的计算迁移距离包括扩散距离和随淋溶液流动的距离，因此Δt时间内E1和E2在淋溶液中迁移距离为和和为E1和E2在Δt时间内扩散距离的标准偏差，单位为m；Normrnd(0，σ_x)表示符合均值为0、标准差为σ_x的正态分布的随机数；Round表示四舍五入求整函数；u表示淋溶液的淋溶流速，单位为m/s；Δt·u表示淋溶液在Δt时间内流动的距离；其有效扩散系数计算公式为D’＝σ_x²/2Δt，单位为m²/s；4-3)判断概率事件的发生与否通过在[1，10⁵]区间内产生一个均匀分布的随机数，判断该随机数是否在概率区间[1，p*10⁵]内来判断事件发生与否，Boole＝(Rand int([1 10⁵])≤p·10⁵)，Boole为布尔变量，当Boole值为1时该事件发生，当Boole值为0时该事件不发生；Rand int([1 10⁵])表示在区间[1，10⁵]内产生符合均匀分布的随机数；4-4)吸附、脱附和降解速率常数的计算E2和E1在土壤-水体系的吸附、脱附和降解符合一级动力学方程Δc表示元胞中E1或E2浓度在Δt时间间隔内的变化量，单位为kg/m³；k表示吸附和降解一级动力学速率常数，单位为1/s；c表示在t时刻元胞中E1或E2的浓度，单位为kg/m³；发生吸附、脱附或降解的概率p为p＝k·Δt，即模型中表示E2或E1在土壤中吸附、脱附和降解概率的参数p，等于一级动力学速率常数k和时间步长Δt时的乘积；4-5)迭代步长Δt的计算：迭代步长为淋溶液流过一个元胞所需时间H为土柱高度，单位为m；5)迭代计算按步骤2)设定元胞集合大小和初始化元胞状态，对和参数赋予区间[0，1]上的初值，然后遵循步骤3)中的演化规则以时间步长Δt对m×n个元胞进行迭代计算，迭代计算中用步骤4)中的计算方法计算模型参数；每迭代计算一次，就输出该时刻E2和E1在土柱中的空间分布状态以及土柱瞬时淋出浓度和累积淋出量，土柱瞬时淋出浓度和累积淋出量计算公式为C(t)=Δm·Σj=1n(cellm,j≠0)u·s·Δt]]>和SM(t)=Σt′=Δtt(C(t′)·u·s·Δt),]]>C(t)为t时刻淋出液中E2或E1的浓度，单位为kg/m³；s为淋溶土柱的横截面积，单位为m²；表示第m行所有的元胞中元胞状态值不为0的个数；SM(t)为E2或E1的累积淋出量，单位为kg；当完成一次迭代并输出C(t)和SM(t)后，将下边界即第m行所有元胞的状态值赋值为0，进行下一次迭代，直到迭代截止时刻t停止计算；然后将结果和步骤1)中E2土柱淋溶瞬时淋出浓度和累积淋出量数据进行比对，用试错法对和参数进行校正，然后按照5)中迭代方法再次进行迭代计算，直到E2和E1瞬时淋出浓度和累积淋出量实测数据和模型模拟数据相对偏差小于5％后停止试错法迭代，由此实现E2土柱淋溶过程的动态、可视化再现。