考虑尺度效应的土壤溶质运移动力学特征分析

[目的]为了了解土壤环境中弥散尺度效应、动力学吸附等作用对溶质运移过程的影响。[方法]应用Laplace变换方法和复变函数理论推得溶质运移动力学模型的解析解。利用De Hoog数值反演方法,验证解析解的正确性,利用解析解分析溶质在土壤中的运移特征。[结果]解析解的计算结果与反演函数Fourier级数项数2 N较大(N=500)时的De Hoog数值计算结果吻合很好;土壤溶质浓度随尺度效应的增强、吸附作用及生物降解作用的减弱而增大;分子扩散、一阶动力学吸附以及吸附相溶质降解作用对溶质运移变化影响较小。[结论]所推求解析解是正确的;土壤溶质运移的弥散尺度效应,溶质在液相和吸附相间的线性分配作用及溶质在液相中的降解作用是影响土壤溶质运移过程的主要因素。     

饱和非均质土壤中溶质大尺度运移的两区模型模拟

目前,用于模拟土壤中溶质运移过程的两区模型(TRM)的研究均集中在实验室的短土柱上,涉及的尺度较小。本研究分别应用两区模型(TRM)、对流-弥散方程(CDE)和分数微分对流-弥散方程(FADE)对1 250 cm长一维非均质土柱中NaCl的运移过程进行模拟,并分析了TRM模型参数的变化特征。结果表明:实验土柱中存在一定的不动水体,与CDE和FADE相比,TRM能更好地描述土柱中不同位置处溶质穿透曲线的提前穿透和拖尾特征,表明TRM对较大尺度条件下非均质土壤中溶质运移的模拟具有更高的精度;应用TRM研究长土柱中溶质的运移问题依然存在弥散系数的尺度效应问题,但TRM的弥散尺度效应小于CDE;TRM中的可动水体含量可以由土壤的有效孔隙率与总孔隙率的比值来确定;而质量交换系数则与对流时间(x/vm)之间存在幂函数的相关关系。     

吸附性土壤溶质运移参数识别的粒子群-差分算法

非饱和土壤水分和溶质运移参数(导水率、扩散率、水动力弥散系数)的识别是进行数值模拟的关键.基于垂直一维非饱和吸附性土壤水分-溶质运移方程,以溴化钾为入渗溶液,分别以土壤含水率和溶质溶度的实测值与计算值标准差最小为优化目标,建立水分-溶质运移参数识别的多目标优化模型.应用权重系数法,将这一多目标优化问题转化为单目标优化问题,采用动态权重、异步时变学习因子的粒子群算法对模型求解.通过土柱实验,测定了220、380和780 min三组时刻的土壤含水率以及钾离子浓度的空间分布值,以前两组数据识别参数,第三组数据进行验证.结果表明入渗780 min权重系数为0.5时含水率以及钾离子浓度的计算值和实测值相关系数分别为0.977和0.952,标准差分别为0.007 4、2.369,实测值和计算值吻合较好,这表明粒子群识别水分和溶质运移参数是可行的.数值模拟表明,权重越大含水率实测和计算值的相关系数越大而浓度实测值和计算值的相关系数越小.     

土壤溶质锋运移的解析解

为了推求土壤溶质锋运移与时间的关系 ,假设土壤溶质运移发生在溶质输入内边界至溶质锋之间 ,应用拉普拉斯变换方法求解输入内边界到溶质锋边界的对流—弥散方程 ( CDE)。溶质锋浓度解与半无限精确解的比较表明 ,在内边界至溶质锋边界内具有良好的一致性。溶质锋运移解的一个重要应用是估计实验室和田间条件的溶质运移参数。这个新的参数估计方法要求土壤中溶质锋随时间运移数据。如果应用有色示踪剂 ,溶质锋运移可以目测 ;如果应用其他示踪剂 ,可以通过 TDR或其它仪器测量示踪剂通量或体积浓度 ,确定溶质锋的深度。这个新的方法简单易行、节省时间 ,而且能够应用到实验和田间条件。     

土壤溶质迁移的指数函数模型

边界层方法是描述土壤溶质迁移的简单方法,通过边界层距离与时间的关系可以估计溶质迁移参数。基于边界层方法,研究了土壤溶质迁移的数学模拟及相应参数估计问题。假定土壤溶质浓度剖面为指数函数,得到了描述溶质浓度分布的指数函数模型。各参数对边界层距离的影响分析表明,应选取较小的孔隙水流速度、短历时推求土壤溶质迁移参数;对不同模型预测土壤溶质分布进行比较,结果表明,在短距离处指数型解与精确解的误差比其它都要小。误差分析表明了指数函数模型的有效性和实用性。     

阿特拉津在饱和砂质壤土中非平衡运移的模拟

针对农药阿特拉津在稳定流场饱和砂质壤土中的运移 ,根据平衡与非平衡假设条件下对流—弥散方程数学模型的解析解 ,基于易混合置换实验获得的阿特拉津和示踪溶质Br- 的穿透曲线及批量平衡法求得的阻滞因子 ,应用CXTFIT 2 0软件 ,通过拟合土柱实验中溶质的出流浓度变化 ,估算了模型的有关参数 ,在此基础上模拟分析了实验土柱不同埋深处阿特拉津的出流浓度和累积淋溶量动态 ,结果表明 ,化学非平衡的两点模型对本文实验条件下阿特拉津运移的仿真具有较高的精度     

不同pH值和离子强度下土壤Zn2+/Cd2+/NH4+的运移特征

为探究锌、镉及铵态氮在土壤中的运移特征,该文通过室内土柱混合置换试验,分析了不同 pH 值和离子强度对锌、镉、铵态氮（Zn2+、Cd2+、NH4+）在土壤中运移的影响;获得了示踪剂Br和Zn2+/Cd2+/NH4+的穿透曲线（breakthrough curves,BTCs）,并对试验结果进行了模拟。研究表明：Zn2+/Cd2+/NH4+在土壤中运移时,运移速度：NH4+＞Zn2+＞Cd2+,pH 值越高,Zn2+/Cd2+/NH4+的出流时间越晚,峰值越低;离子强度越大,出流时间越早,峰值越高。描述溶质运移的非平衡两点模型（two-site model,TSM）能够较好地模拟 Zn2+/Cd2+/NH4+在土壤中的运移,pH值越高,模拟得到的分配系数Kd值越大（以Zn2+为例,由3.853增大到4.386）,f值越小（以Zn2+为例,由0.231减小到0.006）,分形系数β值很小且无明显变化规律;离子强度越大,模拟得到的分配系数Kd值越小（以Zn2+为例,由4.023减小到到3.381）,f值及分形系数β值均很小且无明显变化规律。该研究对深入了解Zn2+/Cd2+/NH4+在土壤中的运移机理、提出污染土壤修复措施提供科学依据。     

三江平原典型湿地土壤硝态氮和铵态氮垂直运移规律

选择三江平原小叶章湿地不同水分带上的两种土壤类型(草甸沼泽土和腐殖质沼泽土)为研究对象,运用模拟土柱的方法,研究了两种土壤中硝态氮和铵态氮的垂直运移规律。结果表明:在水分饱和条件下,两种土壤的硝态氮和铵态氮穿透曲线均符合Gauss单峰模型(R2≥0.85),其运移过程主要受粘粒含量的影响;随粘粒含量增加,硝态氮和铵态氮穿透曲线整体上峰值降低,峰面分布变宽,但不同土壤各土层间也存在一定差异,原因与不同土层水分构成、溶质运移方式以及硝化-反硝化作用的差异有关;溶质浓度加倍后,两种土壤0~20 cm土层中硝态氮和铵态氮的穿透曲线也符合Gauss单峰模型(R2≥0.88),但其峰值、形状及出流时间均发生不同程度的变化,原因与浓度改变前后土壤水分构成、溶质运移方式的差异有关,铵态氮还与土壤胶体对其吸附饱和程度的差异有关;两种土壤表层的硝态氮和铵态氮垂向迁移能力较强,当湿地水分增加后将不利于有效氮的保持。     

三江平原典型湿地土壤硝态氮和铵态氮垂直运移规律

选择三江平原小叶章湿地不同水分带上的两种土壤类型（草甸沼泽土和腐殖质沼泽土）为研究对象,运用模拟土柱的方法,研究了两种土壤中硝态氮和铵态氮的垂直运移规律。结果表明：在水分饱和条件下,两种土壤的硝态氮和铵态氮穿透曲线均符合Gauss单峰模型（R^2≥0.85）,其运移过程主要受粘粒含量的影响;随粘粒含量增加,硝态氮和铵态氮穿透曲线整体上峰值降低,峰面分布变宽,但不同土壤各土层间也存在一定差异,原因与不同土层水分构成、溶质运移方式以及硝化-反硝化作用的差异有关;溶质浓度加倍后,两种土壤0～20 cm土层中硝态氮和铵态氮的穿透曲线也符合Gauss单峰模型（R^2≥0.88）,但其峰值、形状及出流时间均发生不同程度的变化,原因与浓度改变前后土壤水分构成、溶质运移方式的差异有关,铵态氮还与土壤胶体对其吸附饱和程度的差异有关;两种土壤表层的硝态氮和铵态氮垂向迁移能力较强,当湿地水分增加后将不利于有效氮的保持。     

硝态氮垂直运移过程中的影响因素研究

用模拟土柱的方法对黄淮海平原主要土壤类型中硝态氮垂直运移的影响因素进行了研究。结果表明:在水分饱和条件下,硝态氮的垂直运移过程主要受土壤粘粒含量的影响,随着粘粒含量的增加硝态氮出流的时间推迟,硝态氮的穿透曲线的峰值变低、峰面分布变宽;在非饱和条件下硝态氮的穿透曲线变得不规则,有明显的拖尾现象,硝态氮运移的时间增长,穿透曲线变得平缓;示踪剂的流速对硝态氮运移有较大的影响,流速大的穿透曲线峰值高于流速小的穿透曲线峰值,且出流的时间和达到平衡的时间提前;不同价态阳离子由于带的电荷量不同,对硝态氮运移略有影响,表现为与硝态氮结合的高价阳离子产生的穿透曲线的峰值略高于低价阳离子;不同浓度的硝态氮示踪剂对硝态氮运移也有影响,在重力势和溶质势的共同作用下,浓度越高出流速度越快,穿透曲线峰值也高,完成出流的时间也迅速。     

Retention and Transport of PAH-Degrading Bacterium <Emphasis Type="Italic">Herbaspirillum chlorophenolicum</Emphasis> FA1 in Saturated Porous Media Under Various Physicochemical Conditions

Dispersal of functional microorganisms is a rate-limiting process during in situ bioremediation of contaminated soil and groundwater. In this work, series of column experiments were conducted to investigate the retention and transport behaviors of Herbaspirillum chlorophenolicum FA1, a promising bacterial agent for bioremediation, in saturated porous media under conditions of different combinations of grain size, solution pH, solution ionic strength (IS), and humic acid (HA) concentration. Experimental data showed that the mobility of FA1 in saturated porous media was strongly dependent on the physicochemical conditions. The breakthrough curves (BTCs) indicated that the amounts of FA1 in the effluent increased with increasing in sand size, solution pH, and HA concentration, but decreased with increase of solution IS. The shape of retention profiles (RPs) was hyper-exponential. The amounts of retained bacteria in the media also varied with the experimental conditions with opposite trends to that of effluent. Both experimental BTCs and RPs were simulated by a mathematical model that accounted for deposition kinetics to better interpret the effects of physicochemical conditions on FA1 deposition dynamics. Findings from this study showed that fate and transport of the functional bacterium FA1 in porous media strongly relied on the environmental conditions. Both experimental and modeling results can provide guidelines for field application of functional bacteria for soil and groundwater remediation.     

Solute transport in aggregated porous media: Comparing model independent and dependent parameter estimation

In many studies on solute transport soil column experiments arc used to obtain the transport characteristics for Convection-Dispersion-Models. Early breakthrough of the solute pulse has been attributed to a non-equilibrium in phase exchange. It is a standard procedure to determine several model parameter values from such breakthrough curves (BTC). This investigation is focused on the physical significance of simultaneously fitted parameter values used in the convection and diffusion-controlled mass transfer model (mobile — immobile phase concept). Saturated column experiments were conducted with solid phases consisting of porous and solid glass beads. One set of model parameter values was obtained from the breakthrough curves by simultaneous optimization and a second set was determined by independent measurements of individual parameter values. Both sets of parameter values described the BTCs equally well but deviated substantially from each other. These discrepancies were analysed in terms of local parameter sensitivities.     

不同CDE模型对硒在黄绵土中运移特性的模拟研究

污染物在土体运移是影响土体和地下水污染的一个重要的因素。为了研究不同因素对亚硒酸根离子在土体中运移的影响,在室内不同实验条件下,采用垂直土柱易混置换法对亚硒酸根离子在黄绵土土柱中的运移进行了研究,获得了不同容重及不同土柱高度条件下亚硒酸根离子的穿透曲线,通过STANMOD软件,应用确定性平衡CDE数学模型和确定性非平衡两区模型对穿透曲线进行拟合,研究结果表明:容重增大,阻滞因子R值减小,弥散系数D值则是先增大后减小;随着土柱高度的增加,弥散系数D值减小,而阻滞因子R变化不大。非平衡两区模型对于亚硒酸根离子运移参数的拟合优于平衡模型。穿透曲线能较好地反映出离子在土壤中运移的参数值,曲线越靠近y轴、初始穿透时间越小则弥散系数D越大;曲线越平缓则R值越大。     

土壤溶质运移参数估计图解方法

基于土壤中溶质运移的对流 弥散方程 (CDE)提出了溶质运移参数估计的图解方法。根据土柱溶质运移“穿透曲线”(BTC)数据计算通量浓度随时间变化 (dc/dt)。应用绘图软件 ,例如MicrosoftExcel,绘制出t1 5dc/dt和dc/dt相对于时间的变化曲线。这两条曲线都是单峰曲线 ,并被用于估计CDE中延迟因子(R)和弥散系数 (D0 )。设计算例和穿透实验数据被用于校正图解法估计参数的精度和稳定性。参数估计的稳定性由估计参数对它们平均值的标准差评价 ;参数的估计精度与CXTFIT法和等斜率法比较。结果表明图解法具有较高的精度和较好的稳定性 ,特别是对于运移参数R的估值。图解法是一个确定性方法 ,它具备确定性方法中估计参数唯一性特点 ,克服了统计方法中需要给定参数初值的缺点。因此 ,这个方法是土壤溶质运移参数估计的可选方法之一。     

Modeling Surfactant LAS Influenced PAHs Migration in Soil Column

The objective of the present work was to study the transport of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in artificially contaminated and oil field soil columns while Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS) was used as leaching solvent. Through soil column leaching experiments, the through curves (BTCs) of the tracer (Br^?) and PAHs were obtained. The batch equilibrium experiments were conducted. The partition coefficients, and the retardation factor (R) were calculated. Nonlinear least-squares optimization approach was used to fit BTCs of Br^? and PAHs. The symmetrical BTC for Br^? was fitted using equilibrium convention-dispersion equation (CDE) model, and the physical and hydrodynamic parameter, i.e. the dispersion coefficient (D) was calculated. Based on these, the equilibrium and non-equilibrium CDE models were applied to fit the asymmetrical and tailing BTCs of PAHs. Results showed that two-site CDE model is better in fitting the observed data. The concentration distributions of PAHs with leaching time at different depth in the soil column were also estimated using two-site CDE model.     

利用溶质锋信息估计溶质迁移参数方法分析

获取土壤溶质迁移参数是利用数学模型预测土壤溶质迁移过程的前提。本文根据对流弥散方程（Convective-dispersive equation，CDE）的一级近似解，建立了土壤溶质迁移过程中溶质锋随时间变化的函数关系，并以时域反射仪（Time domain reflectometry，TDR）为手段、Cl-为对象，通过与土壤溶质穿透曲线（Breakthrough curve，BTC）拟合法相比较，研究了利用该函数关系确定溶质迁移参数的可行性。研究结果表明，两种方法估计的R比较接近，而溶质锋信息法估计的水动力弥散系数D小于穿透曲线拟合法。TDR探测的溶质锋滞后于理论溶质锋，是导致利用溶质锋信息估计水动力弥散系数D偏小的原因之一。将溶质锋信息法估计的迁移参数代入CDE计算的土壤溶质穿透曲线与实测土壤溶质穿透曲线比较发现，风沙土中计算的穿透曲线整体滞后于实测穿透曲线，但两者的穿透过程基本一致，蝼土中计算的初始、完全穿透时间与试验穿透曲线一致，但穿透过程有所差异，说明溶质锋信息法估计的迁移参数具有一定的可应用性，在估计水动力弥散系数的精度方面有待提高。     

土壤水流通量对饱水带溶质运移参数的影响

The transport processes of solutes in two soil columns filled with undistrubed soil material collected from an unsaturated sandy aquifer formation in Belgium subjected to a variable upper boundary condition were identified from breakthrough curves measured by means of time domain reflectometry(TDR),Solute breakthrough was measured with 3 TDR probes inserted into each soil column at three different depths at a 10 minutes time interval.In addition,soil water content and pressure head were measured at 3 different depths.Analyteical solute transport models were used to estimate the solute disperison coefficient and average pore-water velocity from the observed breakthrough curves,the results showed that the analytical solutions were suitable in fitting the observed solute transport,The dispersion coefficient was found to be a function of the soil depth and average proe-water velocity,imposed by the soil water flux.the mobile moistrue content on the other hand was not correlated with the average pore-water velocity and the dispersion coefficient.