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。     

柑橘地土壤溶质优先运移研究

通过室内原状土柱与重塑土柱对比实验,应用溶质穿透曲线研究柑橘地土壤优先流及溶质优先运移的特征。结果表明:柑橘地原状土柱土壤穿透曲线表现出了上升阶段的拐点现象,是优先流与基质流共同作用的结果。原状土柱土体穿透曲线下降初期较陡,并表现出了较长的拖尾特征,重塑土柱下降趋势相对稳定。存在优先路径的土体出流速率稳定性较差,变异系数较大,其平均出流速率是重塑土柱出流速率的3.5倍。优先流作用使溶质相对浓度到达峰值的时间缩短了37.7%,此时造成的溶质运移量却是平衡基质流所造成的溶质运移量的2.5倍,因此优先流能够导致土壤溶质的快速大量迁移。     

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.     

一维非饱和土壤溶质运移的有限体积法数值模拟

应用有限体积法对非饱和土壤一维溶质运移模型进行数值求解,模拟了土壤水分运动和溶质运移的动态过程.并以实测数据验证了模拟结果的合理性与有效性.通过对有限体积法和有限差分法进行比较,说明了有限体积法能很好地避免有限差分方法中常常出现的数值弥散和数值振荡现象,因此在模拟土壤溶质运移规律的研究中.该方法是一种很好的数值方法.     

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。     

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。     

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.     

地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移数值模拟研究述评

地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移规律是解决土壤盐渍化、地下水污染等环境与生态问题的基本理论基础,基于多孔介质水和溶质运移基本方程的数值模型是研究包气带物质运移的重要手段。通过深入分析土壤水和地下水之间的相互关系,强调在地下水埋深小于其极限埋深的情况下应把地下水作用耦合到包气带水和溶质运移模型中。该文概括总结了现有研究把地下水作用与土壤水模型相耦合的方法,并分析了各种方法的优缺点。在回顾现有土壤水分运动参数和溶质运移参数确定方法的基础上,归纳了包气带水和溶质运移模型从“点”尺度向“田块”尺度扩展的途径,随机方法仍将是今后的研究热点,并有望应用于实践。     

土壤非均匀水流运动和溶质迁移显色示踪方法研究

根据碘-淀粉显色原理示踪土壤非均匀流动,探讨非均匀水流运动和溶质迁移描述方法。在1.0m×1.0m尺度上开展试验,60mm碘离子溶液入渗后,在70cm深度内逐层开挖剖面,剖面中水流经过的区域喷洒淀粉溶液后显色,采用图像分析和率定的方法建立了土壤显色和碘离子浓度之间的关系。采用环状直方图,从浓度空间分布和信息量两个方面对流动非均匀性进行了描述。碘-淀粉显色示踪方法较好地显现了非均匀流动模式,环状直方图分析表明,浓度分布的离散程度随浓度值的减小而增加,描述流动的非均匀性需要考虑水平和垂直方向上流动非均匀特征,非均匀流动的相似性随着距离的增加而明显下降。     

海水作景观水引起河道两岸地下水污染研究

利用天津市滨海新区具有较发达的河网和方便的入海通道,将海水引入河道作景观水是改善水环境的措施之一。该文利用垂向二维变密度水流和溶质运移的数值模型,计算了河道中不同海水水位时两岸地下水的溶质污染扩散趋势和范围,并分析了采取暗管向河道底部两侧含水层注水的工程措施对地下水污染的控制作用。结果表明：河道高水位运行时,海水入侵两岸现象明显;低水位时盐分能控制在一定范围内;对于低水位运行并考虑暗管注水,盐分只向河床底部运移,基本不向两岸扩散。     

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。     

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。     

Novel lysimeter techniques — a basis for the improved investigation of water,gas, and solute transport in soils

For many years lysimeters have been proven to be effective tools in assessing and predicting the effects of current land use and future land use changes in catchment areas on both water and solute balances. Although due to the diverse aspects of mass transport modelling, many different types of lysimeters exist, water and solute balances are by no means fully understood, especially in post‐mining areas. To tackle this problem, a new piece of equipment has been developed which enables the actual weight of a lysimeter to be precisely measured. The newly designed device, which has been used for one of the experiments described in this paper, permits the weighing of for example a 2 m³ lysimeter vessel with an accuracy down to 30 g. The second newly developed appliance presented here is the GAMS (Gas‐Migration‐Simulator). Basically comparable to a lysimeter, the difference is that the GAMS allows the detailed investigation of soil‐gas migration processes and their dependence on parameters like the diffusion coefficient and the gas permeability of the soil, alterations of the groundwater level and on various external influences such as changes of the actual meteorological conditions. These two newly developed techniques are described in this paper, and their respective suitability is demonstrated on the basis of data sets recorded during initial experiments.