土壤溶质运移研究动态及展望

土壤溶质运移的研究是目前土壤物理学、环境科学和农业灌溉学的重要研究领域 ,本文根据国内外学者对土壤溶质运移转化方面的研究成果 ,综述了土壤溶质运移研究中的优势流、模型的建立、新的研究手段的采用以及方程参数的确定 ,并简要讨论了土壤溶质运移的发展趋势。     

石砾参数对土壤水流和溶质运移影响研究进展

土壤水流和溶质运移一直是土壤学研究的热点,溶质运移理论主要应用于地下水污染、污染物运移、土壤重金属污染研究等方面。溶质主要通过优先流和基质流进行运移,影响溶质运移因素很多,主要包括土壤结构、质地、水力传导率、体积质量、初始含水量、根系、石砾等。石砾作为土壤质地中的一个分级单位,与溶质运移关系较为复杂。本文综合介绍了石砾基本内涵以及石砾对土壤水流和溶质运移影响研究进展;系统阐述了石砾内部参数(石砾覆盖度、含量、粒径、空间异质性等)和外部参数(根石结构、干湿冻融、耕作等),指出目前研究主要量化土壤表面及土壤表层石砾参数对水文效应、土壤侵蚀、入渗以及径流的影响,然而石砾参数对溶质运移影响研究不够系统,石砾参数与溶质运移关系研究尚处于初步阶段,对土壤深层石砾研究缺乏;归纳了石砾参数研究技术手段及模型;探讨了目前石砾参数对土壤水流和溶质运移影响研究存在的问题以及今后研究趋势。     

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。     

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。     

考虑尺度效应的瞬时输入溶质运移模型及解析解

为探索土壤环境中尺度效应对溶质运移的影响,建立了瞬时输入条件下考虑尺度效应的溶质运移模型。通过Laplace变换和复变函数理论得到了模型的解析解,并利用解析解分析了弥散尺度效应对溶质运移过程的影响。结果表明：随着土壤弥散尺度效应的增强,土壤中溶质浓度分布范围越广,浓度峰运移的距离越大,但浓度峰值越小;随着入口弥散系数（D0）的增加,溶质运移的范围更大,溶质浓度峰值越小,但浓度峰运移的距离几乎没有变化;随着入口孔隙水流速度（v0）的增加,溶质浓度峰运移的距离越大,溶质的运移锋面越远,而溶质浓度峰值及溶质浓度分布范围几乎没有变化。用一维8 m 长土柱中的溶质运移试验资料对所推解析解进行验证,模拟结果与试验结果吻合较好,决定系数可达0.95以上。结果表明所推得的解析解可用来模拟预测较大尺度上溶质运移过程,为土壤环境治理等实际工程提供理论依据。     

一种耦合化学反应的溶质运移模型的应用

土壤中的化学作用对溶质运移具有重要影响．离子交换和络合反应是土壤中常见的化学反应。利用室内土柱出流实验对这两种作用下的土壤溶质运移进行了探讨，用CXTFIT软件模拟了不考虑化学反应时的常规溶质运移；用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行了耦合离子交换和络合反应运移模型的模拟。结果表明，耦合模型的模拟精度更高，从而也初步证明了耦合模型是成功的。     

地下水埋深和灌水频率对土壤溶质(Br-)运移的影响

通过室内均质土柱试验,以Br-为示踪剂,研究了90 mm/15 d和30 mm/5 d两种灌水频率下,1.7,1.2,0.8 m地下水埋深土壤中溶质(Br-)的运移规律。结果表明:不同地下水埋深或同一地下水埋深条件下,高、低灌水频率土壤中溶质运移快慢的趋势是变化的。地下水埋深由深变浅,高灌水频率土壤中溶质(Br-)运移由慢于低灌水频率逐渐转变为快于低灌水频率;高灌水频率土壤中Br-较集中地向下运移,低灌水频率土壤中地下水埋深越大,Br-分布越均匀分散;高灌水频率不利于土壤溶质(Br-)积聚于土表。     

地下水埋深和灌水频率对土壤溶质（Br^-）运移的影响

通过室内均质土柱试验,以Br^-为示踪剂,研究了90 mm/15 d和30 mm/5 d两种灌水频率下,1.7,1.2,0.8 m地下水埋深土壤中溶质（Br^-）的运移规律。结果表明：不同地下水埋深或同一地下水埋深条件下,高、低灌水频率土壤中溶质运移快慢的趋势是变化的。地下水埋深由深变浅,高灌水频率土壤中溶质（Br^-）运移由慢于低灌水频率逐渐转变为快于低灌水频率;高灌水频率土壤中Br^-较集中地向下运移,低灌水频率土壤中地下水埋深越大,Br^-分布越均匀分散;高灌水频率不利于土壤溶质（Br^-）积聚于土表。     

土壤溶质运移模型的研究及应用

土壤溶质运移的研究已成为土壤学、生态学、水资源学以及资源与环境科学等相关学科的基础和前沿研究领域。本文系统地论述了不同尺度下土壤溶质运移模型的研究进展,对其在农业生产、资源利用和环境保护方面的应用进行了简要综述,并就其未来发展趋势进行了展望。     

基于分形理论的土壤优先流运动控制方程

为表征土壤优先流的快速非平衡运动、更准确地预测非饱和带土壤中的水流运动和溶质运移过程,该文在活动流场模型基本理论和土壤优先流表现出的分形特征的基础上,将分形理论引入到连续性模型,根据质量守恒原理建立了描述土壤优先流形式下水流运动和溶质运移过程的控制方程,发展和完善了活动流场模型理论;对比分析了活动流场模型理论与二域模型理论和活动裂隙模型理论之间的联系和区别。研究成果为运用活动流场模型解决优先流条件下土壤水流运动和溶质运移等相关问题提供了参考。     

土壤中离子交换和运移的模拟研究进展

养分离子由粮区淋失和对植物吸收利用的有效性,以及污染性离子对土壤和地下水资源的潜在性污染等问题要求有效地模拟离子在土壤-水系统中的动态。本文就土壤系统中离子交换和运移模拟模型,参数确定,研究现状等进行简要综述。     

The application of classical physics transport theory to water movement in soil: development and deficiencies

The development of soil-water transport theory is essentially that of the application of classical physical theories that were originally derived for the perceived analogous transport of fluids, heat and electricity in continua. Much of soil-water transport theory was developed by Buckingham at the turn of the century, but it took several decades for it to become well understood and established. An inability to solve partial differential equations with water-dependent transport coefficients hampered a rigorous analysis and a proper interpretation of early experiments. The theory has been well proven in the laboratory, but application to the field has been less than successful because of hetereogeneity and macropores. More recent theories based on other principles have not yet received adequate testing. Future work should extend the established theory as well as develop and test new ones.     

THEORY OF TIME RESPONSE OF TENSIOMETERS

The time taken for a tensiometer to reach equilibrium with the soil-water pressure is a function not only of the tensiometer characteristics but also of the soil-water transport properties. When. in an appropriate system of units. the numerical value of the conductance of the tensiometer cup is small compared with that of the hydraulic conductivity of the soil, and the sensitivity of the pressure ‘gauge’ is large compared with the differential water capacity of the soil. then the precision of the measurements is such that the observed response may be indistinguishable from that of a tensiometer in bulk water. referred to as ‘tensiometer limited’. The theory developed in this paper for a hemispherical tensiometer cup shows that tensiometer-limited conditions can be achieved in practice. Moreover. such conditions would often correspond to a rapid response system. It is suggested that it might be advantageous in the design of a field recording system to choose a tensiometer-limited system even if it is not the fastest realisable one in order that its response is completely predictable from the known tensiometer characteristics. independent of the unknown soil properties. which may be changing.     

Adsorption-desorption of trichloroethylene in granular media

Sorption studies were conducted to determine the adsorption and desorption characteristics of a common synthetic chemical, trichloroethylene (TCE) in four granular media; sandy loam soil, organic top soil, peat moss and granular activated carbon (GAC). The results showed that the Freundlich Isotherm satisfactorily represents adsorption and desorption of dissolved TCE in these media and that the organic carbon content is an important factor in both processes. The soil-water partition coefficient (K _oc) for TCE suggests that it will migrate quickly through soil.     

农业水土工程学科的任务与发展趋势

回顾了农业水土工程学科的发展过程,阐述了该学科的内涵及其研究对象,就该学科的主要研究任务发展趋势进行了讨论,提出了几点关于促进农业水土工程学科发展的建议。     

微纳米曝气滴灌系统中气泡传输特性及其影响因素分析

微纳米曝气滴灌系统的水、气和溶解氧传输特性不明，限制了其在农业领域的应用。该研究旨在探索微纳米气泡在滴灌管内的传输特性，为微纳米曝气滴灌系统科学运行提供理论依据。设计0.06～0.22 MPa之间的5个滴灌系统工作压力，0.60、1.50、2.40 L/min 3个进气速率，并以不曝气为对照，通过测量滴灌管首部、中部、末端滴头的水、气出流量及水中溶解氧浓度，分析三者沿滴灌管的传输特性和均匀性，以及进气速率和工作压力对其的影响规律。结果表明：1）微纳米曝气时所有处理的滴头平均出水流量达到额定流量的98.5%及以上，出水均匀度达到96%及以上，且两指标在所有曝气和不曝气处理之间的差异均未达到显著性水平（P<0.05）。2）在适中的工作压力范围内（0.10～0.18 MPa），曝气滴灌系统平均出气流量和均匀度分别在0.13～0.23 L/h、85.50%～92.41%之间，两指标分别随进气速率的提高而提高和降低；而过高或过低的工作压力（0.22 、0.06 MPa）会导致个别滴头出气流量异常高，最终提高滴灌系统平均出气流量的同时却大大降低了出气均匀度。3）微纳米曝气滴灌系统的溶解氧浓度较不曝气有明显提高，且所有处理的溶解氧均匀度均达到95%以上；溶解氧浓度沿管道传输方向呈增大趋势，随进气速率的提高呈单峰变化；在1.5 L/min进气速率组合0.14 MPa工作压力时，滴灌系统溶解氧平均值达到最高14.45 mg/L。综合考虑水、气和溶解氧传输效果，微纳米曝气滴灌最佳运行参数为1.5 L/min进气速率组合0.14 MPa工作压力，根据出气均匀度大于85%和溶解氧均值大于12 mg/L确定适宜的工作压力范围为0.10～0.18 MPa，进气速率范围1.5～2.4 L/min。该研究可为微纳米曝气滴灌系统科学运行提供理论依据。     

中粉质壤土泥浆排水固结规律研究

泥浆的排水固结变化对水坠坝筑坝过程中坝体排水系统的合理布设具有重要的指导作用。将中粉质壤土以1∶1,1.5∶1和2∶1的土水比制成泥浆,并将制得泥浆分别填充在高度为50,100,150和200cm的聚乙烯波纹管中,对其排水量、上析水量、下渗水量和固结沉陷量等指标进行测定。结果表明,同一土水比的泥浆,上述指标随着泥浆填充高度的增加而增大;同一泥浆填充高度,上述指标随着土水比的增大而减小。泥浆的排水量、固结沉陷量主要集中于前24h,排水量最大可占总排水量的89.48%,固结沉陷量最大可占总固结沉陷量的93.24%。因此,在实际筑坝过程中土水比较小时,应注重坝体泥浆的前期排水,并加强表层排水;土水比较大,充填高度较小时,可考虑不布设坝体泥浆表层排水措施,而要加强下渗水的排水措施。     

近年黄河下游输沙功能的时空变化及其影响因素分析

黄河下游河道输沙功能受自然和人为因素的扰动,对黄河的入海泥沙通量产生深远影响。为探明近年来黄河下游河道输沙功能的演变及其主导因素,基于黄河下游河段各站点2007—2020年实测径流与泥沙资料,计算历年黄河下游河道输沙功能,并结合流域降水、水土保持和引水引沙的变化情况讨论了各因素对输沙功能演变的影响。结果表明:黄河下游河道输沙功能指标在2007—2020年显著下降了约57%,其中花园口—高村段输沙功能指标和其降幅均高于高村—艾山段和艾山—利津段; 黄河下游河道输沙功能演变的主导因素是河床粗化、水土流失综合治理面积增加和引水量增大,三者的相对贡献率分别达37.6%,21.6%,17.5%。河床粗化与引水量增大使输沙功能减弱,与水土流失综合治理对输沙功能的增强作用相反,三者综合作用下黄河下游河道输沙功能近年来呈退化趋势。     

Using soil survey information to characterize the soil-water state*

Uses of soil for a wide variety of purposes are largely governed by interactions between soils and climatic conditions. The soil-water state at any given moment depends on the hydraulic properties of the soil horizons, the weather and soil drainage. Emphasis in this presentation is on the manner in which the soil-water state is being characterized in the context of land evaluation. Land evaluation is concerned with the assessment of land performance when used for specified purposes (FAO, 1976). Current and future developments in land evaluation are discussed, emphasizing the particular input of soil survey when using computer simulation models for the soil-water regime. The soil-water regime plays a key role in land evaluation, as it governs the soil-water state at any given time during the year.