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。     

不可提取态有机质对菲和萘的吸附过程的影响

土壤对疏水性有机污染物的吸附实际上是土壤中矿物和有机质两部分共同作用的结果。土壤有机质的作用相当重要，因为与矿物相比，它通常对疏水性有机污染物具有较大的热力学亲合力。因此，土壤吸附有机污染物机理的研究主要是从土壤有机质的角度进行的。土壤有机质组成复杂，主要包括非特异性有机质和腐殖质，其中腐殖质约占有机质总量的50％-80％，包括胡敏酸、富里酸和胡敏素。早期的实验研究认为疏水性有机污染物在土壤有机质相中表现为线性分配，可以用平衡分配系数来描述。但是，随着实验研究的深入，平衡分配模型不能合理解释疏水性有机污染物的一些吸附特征，如非线性吸附、溶质竞争吸附以及解吸过程的滞后现象等。后来，Weber和Huang提出土壤吸附有机污染物的三端元模型。同时Pignatello和Xing提出双模式吸附模型。都认为土壤有机质存在明显的不均匀性，并且提出了“软碳”与“硬碳”的概念。     

降雨－径流－土壤混合层深度研究进展

降雨－径流－土壤混合层深度是模拟表层土壤－水－化学物质混合体内微观机制和宏观行为的一个重要参数。该文对混合层深度的基础理论以及实际应用等进行了综述,探讨了存在的问题和今后的方向研究。混合层深度受降雨因素、下垫面条件和溶质性质等影响,有关的概念和模型主要包括完全混合深度、不完全混合深度、有效作用深度、有效传递深度和等效径流迁移深度等,一般均采用示踪法和率定模型法确定，主要用于模拟土壤溶质随地表径流迁移过程、估算非点源污染物输出负荷和衡量土壤养分有效性。今后应扩大试验模拟和理论研究的尺度和对象，加强混合层深度和溶质径流迁移过程对近地表土壤水文条件和土壤侵蚀的响应研究，用混合层深度模型或确定各区域适宜的深度值代替非点源污染模型中的1.0 cm深度，以提高模拟精度。     

(土娄)土水分入渗、再分布过程反应性溶质(NH4+)运移特征研究

利用土柱切割法研究Lou土水分入渗、再分布过程反应性溶质（NH4^ )运移特征。在水分入渗初期，土壤剖面溶质分布曲线为斜线，随入渗时间延长，土壤剖面溶质分布曲线上部逐渐出现垂直于横坐标的垂直线段。与水分入渗、再分布相比，溶质（NH4^ )入渗、再分布明显滞后；水分入渗深度增加，水溶质入渗距离比增加，溶质入渗滞后程度增大。入渗液浓度增大，溶质入渗滞后程度及溶质入渗阻滞因子减小，相应的土壤吸持溶质的反应速率常数增大，表观活化自由能减小。不同再分布时间的土壤剖面溶质分布曲线具有交点（溶质再分布等浓度点），且该交点随入渗液浓度增大而加深。水分再分布过程中，溶质再分布等浓度点的土壤溶质吸持量基本不变，而其上部的土壤吸持量减小，下部的土壤吸持量增大。     

1,2,4-三氯苯/四氯乙烯和1,2,4,5-四氯苯在土壤/沉积物上的竞争吸附

在多种有机污染物共存的水-土壤/沉积物体系,疏水性有机污染物(HOCs)的吸附/解吸行为与其在单溶质吸附体系有很大的不同[1～7]。共溶质的存在,可能改变主溶质的迁移能力、生物有效性和毒性[2],因此,针对多污染物复杂体系修复方案就会更加复杂,清除污染物的目标也变得更为困难。已有研究表明,竞争吸附发生在土壤/沉积物自然有机质(NOM)的硬碳部分[1～4,8]。但是基于具体的竞争吸附机制尚存在不少疑问,在以前的关于多溶质组分体系的竞争和取代实验研究中也存在一些不同的结果,譬如有些研究人员报道了共存溶质之间存在竞争现象,并且已经吸附的溶质会被另一种溶质取代的现象[9,10],而相反的研究结果也屡见     

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Cr(VI)在非线性Langmuir吸附条件下的径流流失试验与模拟

针对重金属铬(Cr)污染严重的现象,基于简单的二层非完全混合模型,将降雨时农田土壤与积水整个系统分为混合区及混合区以下两个部分,根据水量平衡原理和溶质质量守恒定律,研究土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。试验模拟的田间地表径流是由降雨引起的,根据降雨期间土壤与雨水相互作用情况,将降雨过程分为4个阶段分别求解进行研究。利用室内模拟降雨-径流试验所得数据进行模拟计算,并通过敏感性分析和模型参数对径流流失量的影响分析,阐明模型参数对土壤中吸附性溶质径流流失规律的影响。研究结果表明:此二层非完全混合模型能预测土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。该模型对入渗水溶质与土壤混合层溶质之间的非完全混合系数γ非常敏感,对土壤混合层溶质与地表积水-径流水溶质之间的非完全混合系数α不敏感,对Langmuir吸附方程中的参数B、C也不敏感。其中γ和α对模拟径流流失过程的影响主要作用于降雨前期,而Langmuir吸附方程中的参数B对模拟过程的影响作用于降雨前期,C也主要作用于降雨前期,但对后期的影响比其他参数更大。试验数据显示地表径流中溶质含量很低,说明该次试验中混合层溶质进入地表积水-径流层量很少,而模拟α值很小,与实际情况吻合,同时也说明,土壤中流失的污染物重金属Cr(VI)大多存在于地下排水中。     

土壤Cr(Ⅵ)在非线性Langmuir吸附条件下的径流流失试验与模拟

针对重金属铬(Cr)污染严重的现象,基于简单的二层非完全混合模型,将降雨时农田土壤与积水整个系统分为混合区及混合区以下两个部分,根据水量平衡原理和溶质质量守恒定律,研究土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。试验模拟的田间地表径流是由降雨引起的,根据降雨期间土壤与雨水相互作用情况,将降雨过程分为4个阶段分别求解进行研究。利用室内模拟降雨-径流试验所得数据进行模拟计算,并通过敏感性分析和模型参数对径流流失量的影响分析,阐明模型参数对土壤中吸附性溶质径流流失规律的影响。研究结果表明:此二层非完全混合模型能预测土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。该模型对入渗水溶质与土壤混合层溶质之间的非完全混合系数γ非常敏感,对土壤混合层溶质与地表积水-径流水溶质之间的非完全混合系数α不敏感,对Langmuir吸附方程中的参数B、C也不敏感。其中γ和α对模拟径流流失过程的影响主要作用于降雨前期,而Langmuir吸附方程中的参数B对模拟过程的影响作用于降雨前期,C也主要作用于降雨前期,但对后期的影响比其他参数更大。试验数据显示地表径流中溶质含量很低,说明该次试验中混合层溶质进入地表积水-径流层量很少,而模拟α值很小,与实际情况吻合,同时也说明,土壤中流失的污染物重金属Cr(VI)大多存在于地下排水中。     

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。     

土壤溶质运移特性研究进展

可溶性化学物质(土壤溶质)在土壤中的运移和分布已成为近年来研究的热点。本文综述了近年来土壤溶质运移机理、吸附模型、溶质运移数学模型等方面的研究进展。     

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。     

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。     

多孔介质中多组分反应性溶质运移的研究进展

溶质在多孔介质中的运移,必然受到多组分反应的影响,并且此种情况下能用水动力方程和多组分化学平衡方程进行描述。本文回顾了此研究领域的运移模型、数值模拟、可应用的计算软件和相关的问题,并在此基础上,提出目前土壤多组分反应性溶质运移仍存在的问题。     

塿土水分入渗、再分布过程反应性溶质(NH_4~ )运移特征研究

利用土柱切割法研究（土娄）土水分入渗、再分布过程反应性溶质（NH4 ）运移特征。在水分入渗初期,土壤剖面溶质分布曲线为斜线,随入渗时间延长,土壤剖面溶质分布曲线上部逐渐出现垂直于横坐标的垂直线段。与水分入渗、再分布相比,溶质（NH4 ）入渗、再分布明显滞后;水分入渗深度增加,水溶质入渗距离比增加,溶质入渗滞后程度增大。入渗液浓度增大,溶质入渗滞后程度及溶质入渗阻滞因子减小,相应的土壤吸持溶质的反应速率常数增大,表观活化自由能减小。不同再分布时间的土壤剖面溶质分布曲线具有交点（溶质再分布等浓度点）,且该交点随入渗液浓度增大而加深。水分再分布过程中,溶质再分布等浓度点的土壤溶质吸持量基本不变,而其上部的土壤吸持量减小,下部的土壤吸持量增大。     

考虑水迁移率动态变化改进土壤溶质地表流失模型

农田土壤溶质的地表径流流失是农业面源污染的重要组成部分,为了更加有效预测和控制农田土壤溶质的流失,该文将水迁移率考虑为随土壤侵蚀变化而变化的函数,并修改Hydrus-1D代码数值求解土壤溶质的地表径流浓度值。利用两组已经发表的试验数据对改进的模型进行校验,研究结果表明该文模拟值与观测数据的相关系数r≥0.81,残差绝对均值和均方根差与原模型的模拟值相比,分别平均减少了35.42和60.77 mg/L,该文改进的模型能更好地模拟土壤溶质的地表径流流失规律。该文的研究成果将为实际预防和控制农业面源污染提供参考。     

林地土壤优势流的染色方法研究

优势流对水和溶质在土壤中的运移有很大影响,不仅影响到它们的预测,甚至使定量测定水和溶质复杂化。在野外用亚甲蓝作染色剂来研究灰棕紫泥土中的优势流现象,并进一步研究在自然降雨情况下,降雨和地表径流对优势流的影响。结果表明:亚甲蓝能被土壤颗粒强烈吸附,但由于优势流的存在,染色的最大深度仍是平均深度的3倍;染色面积随深度的增加呈变小的趋势,且呈波浪式的波动变化;灰棕紫泥土中优势流的空间路径,呈明显的"T"字形;降雨具有把地表污染物带入地下的作用,而地表径流具有稀释表层污染物的作用;亚甲蓝可用于研究优势流对可吸附性污染物在土壤中迁移的影响。     

二维虚拟土壤中溶质迁移行为的数值模拟研究

利用Voronoi图逐级碎裂方法,在二维正方网格上构造出不同等级的虚拟土壤来仿真具有丰富孔隙结构的真实土壤,并借助于随机行走模型,数值模拟了溶质粒子在该虚拟土壤中的迁移行为。结果表明,溶质粒子表现出反常扩散行为。对有偏倚的随机行走模型,其均方位移与时间呈正比关系∝tK,即扩散系数D=K-1,长时间的K值更大,溶质粒子扩散更快;首次穿越时间满足正态对数分布,说明溶质粒子迁移是一阶随机过程;由连续时间随机行走理论,发现溶质粒子扩散非费克现象明显。同时发现不同的土壤孔隙结构及随机行走类型所对应的拟合参数不同,即它们也影响溶质粒子的迁移行为。该研究有利于人们从理论上定性理解和预测水及溶质在有大孔隙土壤中的迁移,保护地下水环境。     

CaSO4改良苏打碱土的离子吸附交换过程分析与数值模拟

分析CaSO4改良苏打碱土的机理可以为其替代品（脱硫石膏、粉煤灰和磷石膏等）的田间应用提供理论依据。本文通过土柱试验构建了综合考虑离子吸附交换以及土壤水力传导度动态变化的多离子溶质运移方程,并利用UNSATCHEM软件进行了数值模拟。结果表明：CaSO4改良碱化土壤是一个伴随着离子吸附交换反应的复杂过程,同时受到土壤理化特性动态变化的影响,利用UNSATCHEM多离子溶质运移模型能够准确地模拟土壤溶液中Ca^2＋和Na^＋的迁移转化、土壤胶体Na^＋和土壤溶液中Ca^2＋的吸附交换过程,且其精度较高。同时,CaSO4改良苏打碱土并不是一个短期过程,要想使其彻底改良,一是需要不断淋洗,二是通过分次施加CaSO4,使碱化土壤在长期的一段时间内都保持一定的Ca^2＋源,以增加CaSO4的持续改良效果。     

CaSO4改良苏打碱土的离子吸附交换过程分析与数值模拟

分析CaSO4改良苏打碱土的机理可以为其替代品(脱硫石膏、粉煤灰和磷石膏等)的田间应用提供理论依据。本文通过土柱试验构建了综合考虑离子吸附交换以及土壤水力传导度动态变化的多离子溶质运移方程,并利用UNSATCHEM软件进行了数值模拟。结果表明:CaSO4改良碱化土壤是一个伴随着离子吸附交换反应的复杂过程,同时受到土壤理化特性动态变化的影响,利用UNSATCHEM多离子溶质运移模型能够准确地模拟土壤溶液中Ca2 和Na 的迁移转化、土壤胶体Na 和土壤溶液中Ca2 的吸附交换过程,且其精度较高。同时,CaSO4改良苏打碱土并不是一个短期过程,要想使其彻底改良,一是需要不断淋洗,二是通过分次施加CaSO4,使碱化土壤在长期的一段时间内都保持一定的Ca2 源,以增加CaSO4的持续改良效果。     

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。