7、运输与动力学：环境反应建模解析

运输与动力学：环境反应建模解析

1. 引言

在环境中，多种物质参与的生物地球化学反应对环境相关物质的归宿和分布起着重要作用。通过反应，潜在的有害成分可能会逐渐降解，但也可能达到超过环境法规限制的浓度水平。另外，在一个区域内的流动路径上，潜在有害的化学物质也可能作为反应产物出现。

在相关研究中，重点在于对运输和反应的同时作用进行建模。对于数学建模来说，反应相对于所考虑的运输过程是慢还是快至关重要。这里主要关注慢反应，快反应将在后续探讨。

慢反应的特征时间至少与平流和弥散/扩散处于同一数量级。在不同的环境区域，由于长度和速度尺度不同，慢反应和快反应的分类可能有很大差异。例如，在流动的河流中被归类为慢反应的过程，在水生沉积物或含水层中可能是快反应。

不同反应的速率差异很大。根据相关研究，特征时间的下限在$10^{-12}$到$10^{-13}$秒之间。金属络合物中的氢键形成可快至$10^{-10}$秒，大分子络合物形成超过$10^{-7}$秒，水解为$10^{-3}$秒。除非受到特定生物地球化学条件的抑制，导致反应时间大大增加，否则这些过程在所有环境系统中肯定是快速的。

二氧化碳水合作用约为$10^3$秒，氧气对亚铁的氧化约为$10^4$秒。二氧化硫转化并沉积为硫酸或硫酸根在大气中的特征时间分别为10小时和33小时，即约$10^5 - 10^6$秒。农药（西维因）的光解和锰（II）的氧化速度相似。杀虫剂（乙拌磷）的水解和非均相锰（II）的氧化可以在$10^7$秒的时间尺度上观察到。淡水中甲碘化物的水解和均相锰（II）的氧化估计需要一年以上。防污漆成分三丁基锡的降解分三步进行，每一步的特征时间在1.5到3年之间。氨基酸外消旋化是一个极其缓慢的过程，