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。     

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。     

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。     

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。     

降雨淋洗条件下溶质在土壤中运移的初步研究

在自然条件下,降雨淋洗是地表污染物质向下运移而污染地下水的主要途径之一,同时,也是淋洗土壤盐分、影响土壤盐分动态的重要因素之一.因此,研究降雨淋洗条件下土壤中的溶质运移,可为污染物质的处理和田间土壤水盐动态的调控提供理论基础.本文通过室内实验和理论计算对这一问题进行了初步探讨.     

土壤溶质运移CDE模型参数估计的一种新方法——截距法

为了满足日益增长的人口对粮食的需求 ,农用化学物质被广泛应用 ,这些物质可通过各种途径进入土壤 ,因此研究土壤中农用化学物质的运移、转化对于防止水环境污染、促进农用化学物质的高效、发展可持续农业有着重要的意义[1 ] 。对流—弥散方程 (ＣＤＥ)是研究土壤溶质运移的一种经典模型 ,参数的估计是应用ＣＤＥ方程的一个关键问题。传统估计ＣＤＥ方程参数的方法有统计方法和确定性方法两种。统计方法主要包括最小二乘法、最大似然法和矩分析法[2～ 5] ,但由于未知因素太多及初值的选择不当 ,采用统计方法所得参数不唯一[6] ;同时 ,仅靠曲…     

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。     

An analytical solution for advance of solute front in soils

Based on the assumption that solute transport in a semi-infinite soil column or in a field soil profile can be described by the boundary-layer method, an analytical solution is presented for the advance of a solute front with time. The traditional convection-dispersion equation (CDE) subjected to two boundary conditions: 1) at the soil surface (or inlet boundary) and 2) at the solute front, was solved using a Laplace transformation. A comparison of resident concentrations using a boundary-layer method and an exact solution (in a semi-infinite-domain) showed that both were in good agreement within the range between the two boundaries. This led to a new method for estimating solute transport parameters in soils, requiring only observation of advance of the solute front with time. This may be corroborated visually using a tracer solution with marking-dye or measured utilizing time domain reflectometry (TDR). This method is applicable to both laboratory soil columns and field soils. Thus, it could be a step forward for modeling solute transport in field soils and for better understanding of the transport processes in soils.     

A semi‐analytical model for solute transport in layered dual‐porosity media

The vulnerability of groundwater from chemical leaching through soil is a concern at some locations. Because measurements are laborious, time‐consuming, and expensive, simulation models are frequently used to assess leaching risks. But the significance of simulated solute movement through a layered soil is questionable if vertical homogeneity of physical soil properties has been assumed. In the present study, a semi‐analytical model for solute leaching in soils is presented. The model is relatively simple, but it does account for soil layers having different physical properties. The model includes the mobile‐immobile model (MIM) to describe one‐dimensional (1‐D) nonequilibrium, transient solute transport under steady‐state flow conditions. The MIM is rewritten as a second‐order differential equation and solved by a numerical scheme. Differing from fully analytical or fully numerical solutions, the new approach solves the differential equation numerically with respect to time and analytically with respect to distance. Numerical experiments for a single layered soil profile show that the semi‐analytical solution (SA‐MIM) is numerically stable for a wide range of parameter values. The accuracy of SA‐MIM predictions is comparable to that of analytical solutions. Numerical experiments for a multilayered profile indicate that the model correctly predicts effluent curves from finite layered soil profiles under steady‐state flow conditions. The SA‐MIM simulations with typical parameter values suggest that neglecting vertical heterogeneity of flow paths in a layered soil can lead to inaccurate prediction of soil‐solute leaching. The quality of predictions is generally improved if parameter estimates for the different soil layers are considered. However, the mobile‐immobile‐parameter estimates obtained in a number of previous studies may not be transferable to a field situation that is characterized by a slow and steady flow of water. Further field experiments to determine mobile‐immobile parameters under such conditions are desirable.     

求解土壤溶质运移方程的广义迎风差分法

构造了求解土壤溶质运移方程的广义差分格式,对对流项应用了迎风格式,并进行了数值试验及水分和盐分(Cl^-)平衡的检验,并与Hydrus软件(普通Galerkin有限元法)的计算结果进行了比较。从数值计算过程和水盐平衡检验的结果来看,应用广义迎风差分格式后,不仅具有较高的精度,计算量少(空间步长可以取得较大)、计算程序实现简单,而且能有效地克服数值弥散现象。特别地,在土表附近积盐量变化特别剧烈的情况下,不加密节点,也没有出现振荡现象。     

用溶质运移理论评价污水土地处理系统长期运行的处理效果

美国农业部自然资源保护局所推荐的田间水管理模型(DRAINMOD)在模拟分析污水土地处理系统水力负荷时,只从水力角度出发,根据土壤的入渗、蒸发和排水情况来计算污水灌溉量,对污水的处理效果未加考虑。该文利用溶质运移理论对DRAINMOD模型所模拟的水力过程进行排水出流浓度计算。以西安地区为例的模拟结果表明：随着排水间距减小,水力负荷逐渐增大,处理效果明显变差;该方法还可以用来确定污水土地处理系统达到不同水质标准所要求的污水预处理程度。     

不同溶质及矿化度对土壤溶液盐离子的影响

中国西北旱区水源短缺已成为农业生产的重要限制因素,如何科学有效地利用微咸水资源对于提高灌区水资源利用效率和保障粮食安全生产具有十分重要的意义。该研究以甘肃省秦安县果园粉砂质黏壤土为研究对象,基于土壤水分特征曲线的测定方法,采用蒸馏水(CK)和不同矿化度(1, 3, 5, 10 g/L)的NaCl、Na2SO4两种类型的盐溶液对土壤饱和浸泡8～12 h后离心,收集不同转速下的释水溶液,研究不同吸力(pF分别为1.0,1.49,2.01,2.71,3.49,4.09)条件下土壤释水溶液盐分离子的组成。结果表明:不同矿化度的NaCl和Na2SO4对释水溶液电导率、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+的影响差异均达极显著(p0.01)或显著水平(p0.05)。相同矿化度的NaCl和Na2SO4在土壤释水过程中对不同盐分离子的影响不同。同为1g/L的NaCl和Na2SO4,NaCl中的Cl-置换土壤中HCO3-的能力要强于Na2SO4中的SO42-。在土壤水吸力(pF)小于2.01时,高矿化度(3 g/L)的NaCl对于土壤溶液中Ca2+的解离具有促进作用,且促进能力随着矿化度的增大而增大;在土壤水吸力(pF)大于2.01时,加入溶液中的Cl-和SO42-均具有抑制土壤中HCO3-的解离,加入溶液中的Cl-具有抑制土壤中SO42-的解离,加入溶液中的SO42-具有抑制土壤溶液中Cl-的解离,低矿化度(1 g/L)的NaCl对于土壤溶液中Ca2+的解离具有抑制作用。不同矿化度的NaCl和Na2SO4,对土壤溶液中Mg2+的解离具有促进作用。因此,从微咸水利用于盐渍化土壤改良的角度来看,对于苏打型盐土,可尝试用含Cl-和SO42-的盐水灌溉;对于硫酸盐型盐土,可尝试用含Cl-的盐水灌溉;对于氯化物型盐土,可尝试用含SO42-的盐水灌溉。     

撒施肥料一维畦灌地表水流与溶质运移模型构建与验证

模拟撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移过程可为采用先进的畦灌液体施肥方式提供对比依据。该文基于湍流理论垂向流速线性与对数分布规律及不可压缩流体力学连续方程,构造沿畦长及任意垂向断面的非均布流速场和溶质浓度场,建立起撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移模型,并利用典型畦灌施肥试验结果,检验该模型的模拟效果。结果表明,建立的模型不仅具有在撒施肥料状况下较好模拟地表水流运动和溶质浓度时间变化过程的能力,还具备较佳的水量和溶质质量守恒性,从而为评价撒施肥料下的畦灌施肥系统性能及与其它施肥方式下的畦灌施肥系统性能对比,提供了实用的数值模拟工具。     

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.     

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。     

土壤溶质迁移至地表径流过程的室内模拟试验

关于土壤溶质迁移到地表径流,现有研究大多是概念性的认识,对迁移过程中各个部分的定量研究却很少。该文为了量化研究土壤溶质迁移流失过程及其作用机理,通过设计2种水文条件即土壤水分饱和和土壤渗流条件,其中土壤渗流条件设置了2种水头（5 cm,10 cm）,采用人工模拟5组不同地表径流流速,分别研究土壤溶质迁移到地表径流过程中4种途径：土壤侵蚀、伯努利效应、扩散和对流。试验结果表明了伯努利效应导致土壤溶质迁移量增加;特别是在土壤水分饱和条件下,当地表径流流速从55 mL/s升到 200 mL/s时,伯努利效应引起的土壤溶质流失通量占总流失通量的比例从14%升到53%,在土壤水分饱和条件下,混合层深度小于5 mm;但是在土壤渗流条件下,混合层深度随着水头的高低和径流流速的大小而变化。土壤溶质迁移过程同地表径流流速和地下水位高低有着重要关系。     

淮安市化工企业地下水污染预测与风险评价

[目的]评价地下水污染风险,为同类建设项目及企业自环评的地下水污染预测与风险评价提供一种简单有效的新方法。[方法]建立基于过程模拟的溶质运移数学模型,对特征污染物高锰酸盐指数和镍的污染水平和污染范围进行预测,提出以保护地下水为目标的风险评价方法,以某化工厂为案例进行地下水污染风险评价。[结果]突发事故后100d,高锰酸盐指数最大迁移距离11.6m,镍最大迁移距离10.8m,分别超出厂界范围8.8和8.0 m;监测井2属较高污染风险等级,监测井3属中等污染风险等级。[结论]特征污染物在地下水中的扩散速度快,对水质影响严重,因而运行期须对污染源加强跟踪监测、定期检查污水池防渗性能。