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农药在土壤中的传输和反应
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Aldicarb为商业杀虫剂, 被使用在各种农作物中, 其中包括棉花, 甜菜, 柑橘, 马铃薯, 和菜豆. 普通人可能通过摄入被aldicarb污染的水和食物而受其影响.
这个例子研究的动力降解和其有毒副产品, 研究有毒成份空间浓度分布和降解时间的比例. 第一个模型中化学物质包含在水池中, 视为一个完美的混合系统. 第二个模型追踪随着农药从水池中浸入土壤的详细分布和通过地面在水中的传输.
描述aldicarb降解路径的动力反应被导入地球科学模块溶质传输应用模式. 在COMSOL Multiphysics中溶质传输与理查德方程描述的流体流动相耦合.
Aldicarb降解转化为相应的亚砜和砜(两者都有毒), 并且通过水解为肟和腈而解毒. 其反应链如图4-17所示. 有毒的化学物种通过LD50值来标识, 由实验老鼠测试致命剂量 (mg/kg)的一半表示. 如上所述, 亚砜和砜模拟aldicarb相对也是有毒的.
第 j 个单分子反应图有比值形式的表达式
注意这个例子中浓度的单位为kg/m3 和速率常数表示为1/天.
一个更详细的模型, 假设aldicarb从水池向相对干的土壤移动. 在土壤中, aldicarb根据图4-17给出的机理分解. 另外, 杀虫剂和其衰减产物通过平移, 扩散, 吸附, 挥发作用传输.
水位于地面上的环形水池中. 土壤被分层并位于岩石上. 水从环形水池底部向土壤中流动. 环形水池中水池已知. 没有流体通过环形水池的垂向壁面或者外表面.
图4-18: 土体和环形水池的几何结构.
Aldicarb随着水从水池中以恒定浓度向土壤流动. 在土壤中, 化学反应和被土壤颗粒吸附. Aldicarb和aldicarb亚砜挥发到大气中. 吸附, 生物降解, 和挥发过程与水体浓度成线性比例关系. 土壤初始时为纯净的其化学反应的浓度为0. 在环形水池外地表, 挥发到大气的挥发度为ca和casn. 垂向轴为对称轴. 其他边界条件设置如溶质可以随流体流动自由离开土体. 可以建立2D轴对称模型并追踪10天内的溶质传输.
图4-19给出aldicarb和所有衰减产物的浓度曲线. 10天后只有少量的aldicarb存在. 图4-20给出大部分有毒成分aldicarb, aldicarb 亚砜, 和aldicarb砜的浓度瞬态变化, 以及这三部分的总变化(见 图4-17对LD50值). 考虑总的分布, 甚至数月后污染级别仍然较高.
以下结果源自在COMSOL Multiphysics中空间和时间相关模型.
图4-21给出0.3天(左)和1.0天(右)后土壤中的流体流动. 图形给出土壤随时间的湿化. 如箭头所示, 水池下面流体的速度相对较高.
10天以后aldicarb分布显然达到稳态条件. 这个时间量级由理想反应模型预测得到. 结果也说明考虑aldicarb源污染相对限于局部区域. 换句话说, aldicarb亚砜可以在较长的时间影响相当大的土体.
1. J. Bear, J, Hydraulics of Groundwater, McGraw-Hill Inc., 1978.
2. M.Th. van Genuchten, “A closed-form equation for predicting the hydraulic of conductivity of unsaturated soils,” Soil Sci. Soc. Am. J., vol. 44, pp. 892–898, 1980.
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