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第 l5卷 第 2期
l 9 9 5年 6 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SIN1CA
静 Qz)
Vo】．I5．No 2
Jun．，l 9 9 5
单甲脒等有机污染物多介质环境
的稳态平衡模型构建
常 明 雷志 王 宏 闫 海 颜 文红 T 梅
———— 科 环 ． ．100085) 、
， ． Xf7 f
■ 墨 本文对单甲胩等20种育帆污嚷钧连杼丁物化参数( 弛r-燕汽压．术溶睦． 和船 1的估计．
针对池塘和农田 2十生志系境梅建了猿态平衡遗度多介质环境描学模型 ．模型研究的初步结果表明诙模
型用于蔼 侧有机 污 物 在稳态 平衡每 件下多 开艟环境 中酶度的 分 布有一 定意 义。对 于大 多 救憎 水性 有机
挣 物·在土壤或沉积掬中的 量大于水中 量 ．而水中占量又大于空气中的 量．对于亲水性有机污
物·在环境开艟中 量水平的太小顺序则是承>土壤或沉积物>空气．上述两类有机 物在环境介质
中的 量 水平部 具有 如 下的 序 ：叶>根 >茎 ．所研 究的 20神 有机污染 1蠹在 量体内 的 占量 除 了 2一氯苯和
DEHP外 ．其 它所有 化台物 都差不 事。
。 ：! 翌兰竺’毒 至 兰兰竺里 芊甲目
多介质环境模型是 80年代发展起来的新型环境数学模型“ ．对它的研究已有若干文献报
道”一“。这类模型的特点是可将各种不同环境介质单元内污染物的迁移转化过程与导致污染
物跨介质边界的过程相联系．对有害化学物环境行为的早期评价．人体暴露分析 、环境的科学
管理以及污染的防治等方面具有广泛的应用前景。
单甲脒是我国 80年代新开发的一类高效有机杀虫螨农药。 ．目前国内外对这类农药多介
质环境数学模型的研究还未见报道 为了填补该农药环境行为评价和我国多介质环境数学模
型研究领域的空白·本文着重研究了单甲脒多介质环境的稳态平衡模型。为了确立所建模型的
通用性 ，本研究还涉及了邻苯二甲酸酯 多氯联苯、二醒英和氯代苯酚等共 20种重要的环境有
机污染物 。
作为整个工作的阶段研究成果。本文着重报道单甲脒等有r辛几污染物物理化学参数的计算
结果和稳态平衡多介质环境数学模型的构建。随着研究工作的不断深入．作者还将陆续报道单
甲脒等有机污染物的非平衡稳态多介质环境数学模型、动态的多介质环境数学模型、模型的敏
感度分析 及模型不确定性分析等若干重要的理论和实际问题的研究结果。
l 模型的概化及理论分析 ．
本文模型模拟的环境系统示于图 l和图 2。图 l表示 池塘为代表的水生生态系统 ．该系
统反映了有机污染物在包括大气，水体、水生植物、鱼体和底部沉积物等环境介质单元间的分
布状况。图 2表示简单的农田生态系统 。该系统反映了有机污染物在包括大气、作物 、土壤、土
壤水和土壤气体等环境介质单元间的分布状况。这两种生态系统都是典型的多介质环境体系。
* 国家 自然科学 基金 资助项 目。
收幡 日期 {1993 07 06，晦改幡 收到 日期 ：1094 c)8 18
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2期 叶常明等 ：单甲胖等有机污染物多彳r质环境的稳恋平衡馕型掏建 l93
污染物进入系统之后 、经过一系列的迁 移转化．最后在各个环境介质单元之间达到完全的平
衡 ，即所谓的稳态平衡状态。描述该状态的模型就是本文所说的多介质环境稳态平衡谟墅。
Mackay等人 在解决上述类型的问题时．引入了逸度的概念 ．用逸度代替浓度进行模型
计算 ．即所谓的逸度模型。这种计算的原理是基于：当某一化学物在各个相问的分配达到平衡
时，它们的逸度应相等．即有 f =，2=^⋯⋯，这里 ^ ．^ ．^ ⋯⋯分别代表化学物在相单元 1．
2，3⋯⋯中的逸度．具有压力的单位(Pa)。根据逸度的定义，应有(’：，Z的关系式．式中z是逸
度容量．其单位是 mol／m Pa 从上看出，，只与化学物的性质有关．而 z则既与化学物性质
有关，又与环境介质的特征有关
饲 - 麟型 模拟 环境 秉境之一 (池 塘 )
Fig l Diagrammlttk-~keTeh rot slmuliltin8” ⋯ c pond
圈 z 随 型 模 拟 环 境 最 缱 之 二 c农 田 )
Fig 2 Dl ‘g r {¨1 k {ch for simM~lTing system c：lgricuI_¨nll flel(]
对于图 l和图 2所示的系统．可写出如下的污染物质量平衡方程：
v
．等一 c 一：一c一 + v—K
+∑ ∑Q (‘ 一∑∑Q， 。+∑s，
N 一 7．M ： 7
，≠J．当 f一0时 ．( =( (0)
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生 态 学 报 j5卷
式中C．是单元 中的化学物浓度(mol／m ){s．是单元 i中的污染物源强(mol／h)； 是以单元
为基础、污染物在单元 与单元 』之间质量交换的迁移系数(m／h)；^ 是相应单元问交界面
积(m )；V．是单元 i的体积(m )；( 0是在与单元 』处于平衡时．单元 中的污染物浓度，井有
G =CiH ，H ，是从单元 i到 』的分配系数{ 是单元 i中发生反应的速率常数 (1／h)lq是符
号指示、当反应是降解时 。 一一1。当反应生成污染物时 =l{Q 和 Q 是相应的对流体积流
速(m ／h)。
在稳态时．方程(1)的左边为零．右边第一项中c =Ci，这时方程变成：
∑ ．一∑∑Q ，￡一∑∑Q ．，一∑V．K． c． (2)
l～ l 1 — 1 I 一 1 -。 l
设 S一25S ，井将C=fZ代入上式，(2)式变成逸度表示的多介质环境稳态横型：
S一∑ ∑0， 互，一∑ ∑Q Zf,一∑V K~a,Z， (3)
如果 只考虑污染物在各介质单元间的分布．反应过程与迁移相比可以忽略的话．公式还可
以简化 为
N
S=∑∑Q 互 一∑∑Q z (4)
在稳卷平衡条件下． 一 ．Q =Q，一 ．．上式可写为
旦
s一 f,zy． (5)
这时z 已包括在z．之内。
2 模型的参数估算
参数是模型计算的重要支柱。逸度表达的多介质环境摸型的主要优点之一是模型所用的
各种参数可以通过化学物的结构参数来计算。根据横型的要求，本工作对如下的参数进行丁计
算。
2．1辛醇／水分配系数 Kmv
辛醇／ak分配系数是有机污染物多介质环境数学模型研究中的最基础参数。Kow表示化
学物 自身在有机相和水之间的分配顺向。其有低 Kmo值的污染物是相对亲水的．具有相对高
的水溶度，小的土壤或沉积物吸附系数以及小的生物浓缩因子。相反．具有高 Kow值的有机污
染物则表现出很强的憎．水性。本文利用分子碎片常数法计算化合物的 ．其基本公式是：
IogKaw(新化合物)=IogKtrw(相似化学物)±碎片常数(，)士结构固子(，) (6)
从与文献报道实测值进行比较。发现计算的 log Kow 与实测的 log Kmo之间的平均绝对误差
仅为 0．13，平均相对误差为 3．9％(表 1)。
2．2 蒸气压
蒸气压 的计算公式如下 ：
： ] ㈩
式中n 是沸点；(K)；了1是蒸气压为 时的温度 (K)；常数 (、。⋯ 18 0．1 9T ；参数 j 一般
为 0．97；△ 6是沸点时的蒸发热； 是气体常数．为 1．987；~Hz,b的计算公式是
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2期 叶常明等：单甲眯等有机污染物多彳r质环境的稳态平衡模型构建 195
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生 态 学 {
式中 可查表求得，pc=a／(27b )． 和 b是范簿华常数。
2．3 水溶 度 S
大多数化台物的水溶度来 自文献报道的实测值 ．几个化台物是用下式计算的“
l。gS 一 一 0．922 IogKow 十 4．184
2．4沉积物或土壤的吸附系数 Koc
除了文献可查到的实测值外．其它化学物的 Koc用如下的公式计算。
Koc 一 0．41K ow
2．5 鱼体的浓缩因子 BCF
BCF的计算公式为
IogBCF ； 0．76logKot——0．23
利用上式计算的 V⋯S K 和 BCF一并列于表 2。
寰 2 单甲臃等有机污染物的物化参数计算结果
’umbfe 2 The~aAeulate~l results of plwic—ehemi~~ pmrmmete~
(8)
(9)
(L0)
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3 逸度容量 z值的计算
如前所述．逸度容量不仅与化学物的性质有关．而且与环境介质的特征有关 ．因此在计算
化学物的逸度容量时．应分别针对不同的环境介质考虑问题。
水中逸度容量 zw“
Z 一S／V
大气中逸度容量 “
Z 一^I／ 丁
土壤或沉积物逸度容量 zsn “
zⅫ 一 O．001 5p K 。
鱼体中逸度容量
Z，= BCFp，Z ，
p ：土 壤密度 一2．5
p， 鱼体密度一1．0
植物根中逸度容量 z*。
Z 一(O．82+0．O1 4Kow)z ． ． ：根的密度一0．83
植物茎中逸度容量 磊
衰 3 单甲脒荨有机污集物的遵度容量及逸度计算结果
Table 3 The calculated results of fugacity eapeci and fugacity
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生 态 学 报 s昔
Z (0．82—0．O065K~nv)Z ． Ps：茎 的密度 一0．83 ．
植物叶 中逸度容量 Z 。
ZL一 0．18Z +^ 0．80Z + 0．02Ko~v
根据表 2所列数据和上述公式计算的 z z 2 和 磊 列于表 3
估算逸度 ，最方便的方法是从具有有限体积边界的作物的化学物 总含量．根、茎、叶的 z
值，利用 m一，( +磊+z )式进行。 是总含量，本文假定为 lO0~g。
4 稳态平衡模型的计算结果
利用稳态平衡摸型及表 3的数据．很容易计算出有机污染物在各种环境介质中的浓度分
布．计算结果列于表 4。
衰 4 单甲辟等有机污集袖多升质模型的浓度计算值(rag／1)
Table 4 The model otlcuhtlon resu!ts
从表 4看出．对于大多数憎水性有机污染物，在土壤或沉积物中的含量要大于水中含量．
而水中含量又高于大气中含量(浓度含量)。鱼体对这些污染物的富集作用是十分明显的。在
植物悻内其浓度含量水平的大小顺序一般是叶>根>茎。对于亲水-陛有机污染物 ．其浓度含量
水平的大小顺序是水>土壤或沉积物>大气 ；在植物体内浓度含量水平的大小顺序虽然也是
叶>根>茎·但相差幅度不大；鱼怍对它的富集系数亦1：大。如单 甲脒和单 甲脒盐酸盐．南于它
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们的水溶度相差很大 ，虽然在化学结构上 比较相似 ，但其玎境行为具有很大的差异 。另外对邻
苯二甲酸酯类系列化合物的计算结果进行比较，这种规律性反映的就更为明显
5 结论
通过对单甲脒等 20种有机污染物在池塘和农田两十生态系统的多介质环境循环模型的
初步研究结果表明．本文所构建的稳态平衡逸度模型用来预测有机污染物在稳态平衡条件下
的多介质环境中的浓度分布是有效的，模型计算所得分布规律与实际环境的规律是吻合的。研
究结果还说明，这种浓度分布不仅取决于有机污染物本身的物理化学性质．而且还与环境介质
的特征有关。
从对单甲眯等 20种有机污染物模型参数的估算研究以及与某些实测值的 比较表明t本文
所估算的各种参数基本上是可用的．其误差范围是一般环境数学模型允许的 随着研究工作的
进一步深入，模型的结构及其使用功能将会得到进一步的完善和扩大。
本文所涉及的两个生态系统研究对于废水处理的氧化塘和土地处理系统的设计具有十分
重要的理论和实践意义
参 考 文．献
1 Chone Y．M odeling of Poll~TKn[TTan~port nd Accumulation in H M ．ItimeIli~L Envi~onment． he“ 口 ~；e~hemi一
衄 f ， ltydrdogic P 【tN their P “埘 Coumil 0n Envi r⋯ ntal Qu~llity，W a~hinglon-D C September 25-
Ig84
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200 生 态 学 报
THE ESTABI ISHMENT OF STABLE EQUll IBRIUM
M ODEL OF M ONOCARBOXOLDEHYDE AND OTHER
ORGANIC POLLUTANTS IN M ULTIM EDIA ENVIRONM ENT
Ye Changming Lei Zhifang W ang Hong Yan Hal Yan W enhong Ding M e
cR⋯ ^c r￡c ￡ ire 口 Sciem~s．Chlne~e Acader,~v ，Scie．ce,．H~ijiag．1Ot~O85】
15卷
The physico—chemical parameters(Kow ．eveporation pressure—water soiubility·Koc and
BCF)of monocarhoxoIdehyde and other 19 organic poihtants were estimated and fagacity
approach model of multimedia elv Jrollment at stable equilibrium for pold and agricul rural
field ecosystems was made．The primary reauhs show tha r the model prediction for COnaell—
tration distribution of organic pol Lutants in m LI]timedia environmel~t at stable ectuilibrium
condition is feasible．For hydrophobic organic chemicals．the concentration in soil or sediment
> water> air．For hydropholic organic chemicals—the concentration in water> soil or sedi‘
rftent> air．In plants．the concentration of both types of chemicals in leaf> roots> stem．In
sh．the contents of a¨ invoI d ahemica】s are not tO0 diifferent．
Key words：organic po Llutants．muhimedia environment—stable equilibrium
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