本发明属于地下水中纳米颗粒类污染物迁移模拟，特别是涉及一种基于多观测点的纳米颗粒在饱和多孔介质中迁移能力评估方法。
背景技术：
1、随着纳米材料及其产品的大量使用和废弃，人工纳米颗粒已成为一种高环境暴露风险污染物。越来越多的证据已经证实人工纳米颗粒的环境暴露不仅会直接抑制植物、微生物和动物的生长，还会引发肺和胸膜纤维化、脑损伤、心血管疾病以及全身性免疫疾病等不良人体健康效应。进入环境的人工纳米颗粒被认为是一种新型污染物。土壤是污染物的主要归趋地，纳米颗粒在水中具有很强的分散性，在适宜的条件下可随水流进行长距离迁移，加剧地下水安全问题。掌握人工纳米颗粒在地下环境中的归趋和迁移对于监测和控制其暴露风险至关重要，尤其对地下水资源和土壤的生态风险评估意义重大。
2、柱实验可以对环境变量和边界条件进行灵活控制，使其成为在实验室环境中重建近似自然状态下含水层的动态地下水条件的理想工具。通过柱实验得到纳米颗粒穿透数据，结合质量平衡的计算和数值模拟，能够获取关键的迁移参数，进而评估纳米颗粒的迁移能力。实验室常用的介质柱直径为1-3厘米，长度为10-16厘米。
3、在多孔介质柱中，纳米颗粒的迁移和滞留行为及其机制在柱的不同部位呈现出显著的差异性。纳米颗粒在多孔介质中的迁移过程受到显著的筛分效应影响，这些效应与颗粒的形状、电荷、化学组成以及多孔介质的孔隙结构和化学组成的异质性密切相关。纳米颗粒在迁移过程中性质的动态变化同样会影响其迁移和滞留行为。
4、目前的饱和多孔介质柱实验，将制备好具有一定浓度的纳米颗粒悬浮液从柱体一端进入从另一端流出，从常规尺寸的饱和多孔介质柱实验获取的这些穿透浓度数据只能用以表征纳米颗粒在介质柱两端之间的环境行为，往往无法有效反映纳米颗粒的真实归趋，从而影响迁移性的准确评估，特别是对于深度大的土壤环境中纳米颗粒的归趋性、穿透能力曲线、滞留曲线的评估误差更大。
技术实现思路
1、本发明目的是为解决现有技术中的问题而提出了一种基于多观测点的纳米颗粒在饱和多孔介质中迁移能力评估方法，在不影响饱和多孔介质柱原有的理化环境条件下，实现了对纳米颗粒在饱和多孔介质柱内不同深度迁移能力、滞留参数等环境行为的定量评估；为达到上述目的所采取的技术方案是：
2、一种基于多观测点的纳米颗粒迁移能力评估方法，包括如下步骤：
3、步骤a：制备纳米颗粒悬浮液备用，选取一个目标实验柱，在目标实验柱内填充有多孔介质，目标实验柱内为完全水饱和状态；
4、步骤b：根据实验需要，确定目标实验柱内自下而上共有i个观测点，每个观测点处的高度值为hi，然后选取i个辅助实验柱，每个辅助实验柱的高度值与每个hi相对应，每个辅助实验柱的内径与目标实验柱的内径相等，且在辅助实验柱内均填充有与目标实验柱内参数相同的多孔介质，辅助实验柱内为完全水饱和状态；
5、步骤c：向目标实验柱、每个辅助实验柱内注入相同体积的步骤a中所制备的纳米颗粒悬浮液，测得目标实验柱和每个辅助实验柱中穿透纳米颗粒浓度和目标实验柱内不同深度的滞留纳米颗粒浓度；
6、步骤d：对目标实验柱和i个辅助实验柱进行不同组合共分为j个分组，然后根据步骤c中测得的目标实验柱和每个辅助实验柱中穿透纳米颗粒浓度，得出每个分组中目标实验柱或者辅助实验柱中穿透纳米颗粒浓度；
7、步骤e：在环境土壤物理模拟软件中以目标实验柱为对象设置参数，然后输入步骤d中每个分组中目标实验柱或者辅助实验柱中穿透纳米颗粒浓度数据进行模拟，运用逆向拟合算法推求迁移参数，当模拟的穿透曲线与实测的穿透数据之间拟合度r2最优时所对应的迁移参数即为最优拟合迁移参数，其中，迁移参数包括k和smax，k值是颗粒沉积常数(min-1),smax值是指介质表面能够吸附或保留的最大纳米颗粒浓度(ug/g)；
8、步骤f：然后在环境土壤物理模拟软件中输入步骤e中已获取的每个分组的最优拟合迁移参数，采用直接正向算法来反演出每个分组中纳米颗粒的滞留曲线；
9、步骤g：根据步骤f获取的滞留曲线获得在步骤a中所确定的每个观测点处纳米颗粒的滞留反演值，并在这些反演值与步骤c中目标柱的滞留纳米颗粒浓度实测值之间进行拟合度r2计算，以评价各分组反演的准确度性；
10、步骤h：将步骤g中拟合度r2最高的分组作为最佳滞留曲线模拟分组，通过该分组反演的滞留曲线对纳米颗粒迁移能力进行评估。
11、优选的，在步骤b中，所述i＝3、4、5或者6，所述目标实验柱、每个辅助实验柱的底部为液体流入口，以液体流入口为基准向上确定每个观测点的高度值hi。
12、优选的，步骤c中，对目标实验柱内在步骤a中所确定的每个观测点处的滞留纳米颗粒浓度进行实测的方法如下：在对目标实验柱顶部穿透的纳米颗粒悬浮液收集完成后，打开目标实验柱入口处的盖子，对柱内的多孔介质进行等距离切割，然后将各柱段转移至装有去离子水的试管中，待沉积的纳米颗粒从多孔介质表面分离后测得各柱段的纳米颗粒滞留浓度，各柱段质心位置则为各柱段滞留浓度相对应的介质深度。
13、优选的，在步骤d中，对目标实验柱和i个辅助实验柱进行的具体组合方式为：
14、从目标实验柱和i个辅助实验柱共i+1个对象中，分别选出1个，2个，……，i个，i+1个对象作为一个分组，共分为j个分组，即
15、优选的，在步骤e中，在环境土壤物理模拟软件中以目标实验柱情况设置参数包括目标实验柱的柱长、每个观测点位置、流速、孔隙度、水动力弥散系数。
16、优选的，在步骤h中，纳米颗粒迁移能力进行评估方式具体为，在最佳滞留曲线模拟分组的滞留曲线上，当浓度降低为背景浓度值所对应的饱和多孔介质深lmax作为评估纳米颗粒的迁移能力。
17、优选的，步骤h中所述饱和多孔介质深lmax的确定方法为，在最佳滞留曲线模拟分组的滞留曲线上寻找10-2μg/g纳米颗粒浓度对应的介质深度即为饱和多孔介质深lmax。
18、本发明所具有的有益效果为：本发明提供了一种基于多观测点的纳米颗粒在饱和多孔介质中迁移能力评估方法，其核心是通过目标实验柱、每个辅助实验柱相互配合同时开展实验，在不影响饱和多孔介质柱原有的理化环境条件下，实现了对纳米颗粒在饱和多孔介质中迁移和滞留等环境行为的定量评估，从而提高其迁移能力评估的可靠性。
19、另一方面，本发明基于环境土壤物理模拟软件，利用不同观测点组合下的实验数据拟合得到迁移参数，并将其作为已知值输入到环境土壤物理模拟软件中反演滞留曲线，可以获取最优的观测点组合及确定该组合下的迁移能力评估值lmax，该方法可广泛运用于纳米污染物在饱和多孔介质中迁移能力的定量评估。
1.一种基于多观测点的纳米颗粒迁移能力评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于多观测点的纳米颗粒迁移能力评估方法，其特征在于，在步骤b中，所述i＝3、4、5或者6，所述目标实验柱、每个辅助实验柱的底部为液体流入口，以液体流入口为基准向上确定每个观测点的高度值hi。
3.根据权利要求1所述的基于多观测点的纳米颗粒迁移能力评估方法，其特征在于，步骤c中，对目标实验柱内在步骤a中所确定的每个观测点处的滞留纳米颗粒浓度进行实测的方法如下：在对目标实验柱顶部穿透的纳米颗粒悬浮液收集完成后，打开目标实验柱入口处的盖子，对柱内的多孔介质进行等距离切割，然后将各柱段转移至装有去离子水的试管中，待沉积的纳米颗粒从多孔介质表面分离后测得各柱段的纳米颗粒滞留浓度，各柱段质心位置则为各柱段滞留浓度相对应的介质深度。
4.根据权利要求1所述的基于多观测点的纳米颗粒迁移能力评估方法，其特征在于，在步骤d中，对目标实验柱和i个辅助实验柱进行的具体组合方式为：
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于多观测点的纳米颗粒迁移能力评估方法，其特征在于，在步骤e中，在环境土壤物理模拟软件中以目标实验柱情况设置参数包括目标实验柱的柱长、每个观测点位置、流速、孔隙度、水动力弥散系数。
6.根据权利要求1至4任一项所述的基于多观测点的纳米颗粒迁移能力评估方法，其特征在于，在步骤h中，纳米颗粒迁移能力进行评估方式具体为，在最佳滞留曲线模拟分组的滞留曲线上，当浓度降低为背景浓度值所对应的饱和多孔介质深lmax作为评估纳米颗粒的迁移能力。
7.根据权利要求6所述的基于多观测点的纳米颗粒迁移能力评估方法，其特征在于，步骤h中所述饱和多孔介质深lmax的确定方法为，在最佳滞留曲线模拟分组的滞留曲线上寻找10-2μg/g纳米颗粒浓度对应的介质深度即为饱和多孔介质深lmax。
