新型数学模型预测受污水排放影响的湖泊中活性药物成分时空浓度动态的研发与验证

为解决PFAS（全氟和多氟烷基物质）在包气带(vadose zone)中的滞留与迁移机制问题，研究人员结合现场数据与数学模型(Guo et al., 2020)，首次量化了PFAS通过固-水/气-水界面的吸附动力学及长期淋溶规律。研究揭示了PFOS（全氟辛烷磺酸）和PFOA（全氟辛酸）在动态土壤湿度下的质量再分配机制，为污染场地风险评估和修复策略提供了关键理论支撑。

　　

全氟和多氟烷基物质（PFAS）作为20世纪50年代以来广泛使用的工业化学品，因其持久性和生物累积性成为全球性环境污染物。尤其令人担忧的是，这些物质在包气带（vadose zone，即地表与地下水位之间的非饱和土壤层）中的长期滞留行为。美国环保署（US EPA）2024年新颁布的饮用水标准（NPDWR）将六种PFAS列入管制名单，但如何准确预测这些物质从包气带向地下水的迁移速率，仍是环境科学领域的重大挑战。传统模型难以解释PFAS特有的两亲性（既能溶于水又倾向于吸附在界面），特别是其在气-水界面（air-water interface）的强吸附特性，这导致现有风险评估常低估实际污染风险。

美国亚利桑那大学（University of Arizona）的Ryan Russell和Bo Guo团队联合马克斯·布鲁索（Mark L. Brusseau）等学者，在《Water Research》发表了一项突破性研究。他们首次将现场观测数据与多过程耦合数学模型相结合，解析了PFAS在真实场地包气带中的复杂迁移机制。研究选取美国东北部一处受消防泡沫（AFFF）污染的场地，通过为期2个月的孔隙水采样（suction lysimeters）和40年长期模拟，揭示了界面吸附动力学对污染物运移的关键控制作用。

关键技术方法包括：1）基于HYDRUS模型构建三维非饱和水流场，校准土壤水力参数；2）耦合气-水界面面积动态变化与PFAS吸附等温线；3）采用分级解吸模型（rate-limited desorption）表征固相滞留效应；4）通过人工冲洗实验验证短期质量再分配过程。

主要研究结果

1. 土壤水力参数校准：模型成功复现了20-100 cm深度土壤含水量动态变化（R²>0.85），为后续PFAS迁移模拟奠定基础。

2. 孔隙水浓度验证：PFOS在浅层（20 cm）的模拟浓度与实测值偏差<15%，证实气-水界面吸附是其主要滞留机制；而PFOA的差异提示需考虑慢解吸动力学（kinetic solid-phase desorption）。

3. 长期淋溶预测：40年模拟显示PFOS因强界面吸附基本未下迁，而PFOA、PFHxS（全氟己烷磺酸）和PFBS（全氟丁烷磺酸）的淋溶量被高估1.5-2倍，反映出现有模型对前体物转化（precursor transformation）的刻画不足。

讨论与意义

该研究首次证实包气带中PFAS的时空分布受三重动态平衡控制：1）土壤含水量变化驱动的气-水界面面积波动；2）固相吸附位点的竞争占据；3）慢解吸过程导致的时间依赖性释放。特别值得注意的是，浅层孔隙水浓度数据可反演气-水界面面积（S_aw），这为场地调查提供了新思路。研究建议未来工作应重点量化解吸速率常数（k_des）和前体物转化路径，以提升长期预测准确性。

这项成果不仅为PFAS场地风险评估提供了首个经现场验证的建模框架，更重要的是揭示了传统"平衡吸附"假设的局限性——实际环境中PFAS的归趋往往由非平衡过程主导。美国环保署正考虑将该模型纳入污染场地修复技术指南（ITRC, 2023），这对全球范围内PFAS管控具有里程碑意义。