土壤中优势流的几个基本问题研究

优势流是指土壤在整个流边界上接受补给,但只通过少部分土体的快速运移,优势流是一种普遍存在的现象,而不是一种特例,它受许多因素的控制,如土壤中的大空隙,土壤结构,土壤质地,土壤水分含量,土壤初始水分含量,水和溶质的施加速度及溶质的施加方法等,优势流的产生机理主要有2种,一种是由土壤介质的非均质性所驱动的优势流,另一种是由湿润锋的不稳定性所驱动的优势流,目前,优势流的监测方法主要有取于土壤原状上,实验室内的土柱出流试验及梁色示踪试验,尽管优势流的模拟非常困难,但人们仍提出了许多为描述它,今后优势流研究的重点应放在进行大量的综合性野外试验,以获取足够的数据资料来确切地刻划优势流,发展新的观测技术以便在时间和空间上监测优势流,建立新的模型来模拟优势流,从而进一步解决与土壤和地下水污染有关的环境问题。     

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。     

土壤中优势流现象的研究进展

深层土壤和地下水的污染已经引起了人们的普遍关注，大量的研究证明，优势流是导致这一结果的不可忽视的主要因素之一。许多溶质迁移试验证明了土壤中优势流是普遍存在而不是个别的，例外的现象，优势流存在时，水分和溶质能够以比在均质多孔仙质中更快的速度到达更深层次的土壤甚至是地下水，引起土壤和地下水环境的恶化。本文从人们对优势流的认识过程，数学模拟以及优势流与农业生产管理的关系三个方面综述了国际上优势流现象的研     

羟丙基甲基纤维素作土壤改良剂对土壤溶质运移的影响

羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methyl cellulose,HPMC)是一种潜在的土壤改良剂,加入土壤中后具有明显的减渗效果,对缓解黄土高原水土养分的流失具有重要意义。该文通过在土壤中施加不同含量的HPMC,研究HPMC对土壤溶质迁移特性的影响。结果表明:1)HPMC质量分数在0～0.5 g/kg范围内,饱和导水率随HPMC添加量增大而逐渐减小,0.5g/kg组相比未添加HPMC的空白组降低37.3%;土壤中保守性溶质的运移速度显著降低;随HPMC添加量增加,溶质的初始和完全穿透时间明显推迟,穿透总历时延长;2)CDE方程和两区模型均能较好地模拟在土壤中添加不同含量HPMC时溶质的运移状况,2种模型的拟合曲线也均能与实测曲线较好吻合,但两区模型的模拟精度更高。3)基于两区模型的参数拟合结果,随HPMC添加量的增加,平均孔隙水流速越小,水动力弥散系数、弥散度和质量交换系数均增加,而土壤可动水体的含水量比率逐渐减少。     

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。     

表征土壤水分持留曲线的几种模型的适应性研究

土壤水分持留曲线指的是土壤体积水分含量与压力水头之间的关系,在研究土壤水分流动和溶质运移中有着非常重要的作用。由于它们之间的关系复杂,难以从理论上推导出确切的关系式;但通过大量的试验研究,人们已提出了许多经验公式来描述它,其中比较常用的有:Brooks-Corey（1964）模型,Gardner（1970）模型,van Genuchten（1980）模型和 Gardner-Russo（1988）模型等。在这些模型中都含有许多待求的参数。本文借助于最小二乘法,形成了确定这四个模型中的参数所对应的非线性方程组,并用Picard迭代求解它们。最后,用数值例子说明了这四种模型对不同类型土壤的适应性。     

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。     

基于电阻率层析成像技术的农田土壤优先流原位动态监测

针对现有观测技术无法原位监测和判别农田土壤优先流类型、发育位置和演化过程的问题,该研究采用电阻率层析成像技术对野外大尺度条件下的NaCl溶液入渗过程进行原位监测,根据不同时刻监测的剖面视电阻率分布对试验区域的土壤结构分布特征进行分析,对优先流通道发育位置、优先流类型和演化过程进行识别,同时对电阻率层析成像技术识别优先流的精度进行研究。结果表明,试验区域的土壤结构性质不均匀,水平方向5.0～10.0 m范围内的土壤较水平方向0～5.0 m范围内的土壤更为密实;入渗过程中在试验区域土壤疏松区水平方向4.0～5.0 m区间中有非均质指流形成;该指流通道在灌入NaCl溶液9～14 min完全形成,在灌入NaCl溶液60 min时完全退化成基质流;幂函数模型可用来建立剖面视电阻率与Cl-浓度之间的关系。研究成果对农田土壤优先流发育位置与演化过程的原位监测与识别以及防治因水和溶质优势入渗而引起的资源浪费、环境污染和工程地质灾害等具有参考价值。     

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。     

Lead and soil properties distributions in a roadside soil: Effect of preferential flow paths

Preferential flow is the non-uniform movement of water and solutes through soils that bypasses a portion of the soil matrix. It limits the effective sorbing capacity of the soil and it has been related to a reduced solute residence time accounting for an increased risk of groundwater contamination. A dye tracer experiment and a subsequent soil sampling procedure in three adjacent soil profiles were performed in a moderately Pb contaminated roadside soil aiming to make visible different flow domains, to test whether preferential flow paths influence the metal content depth distribution, to study differences in selective soil properties resulting from flow domains and, lastly, to investigate whether preferential flow induces changes in the solid phase distribution of lead. Identified preferential flow domains showed greater lead concentration along with lower pH and greater amounts of both inorganic and organic C contents than unstained soil matrix domains. The ratio humic acids (HAs) to fulvic acids (FAs) contents was significantly lower in the preferential paths than in the matrix domains which might be related with sizable differences in the humification process. Lastly, based on the three-step BCR sequential extraction procedure, it has been shown that preferential flow phenomena induce differences in metal distribution between both identified flow domains. While lead content in the soluble and exchangeable (FI) as well as bound to organic matter fractions (FIII) were greater in the matrix than in the preferential flow domains, the amount of metal bound to Fe, Al and Mn (hydr)oxides (FII) was significantly greater in the preferential flow domain than in the matrix one. This indicates that more stable lead sorption mechanisms, thus leading to a lower metal mobility, might partially be responsible for the larger amount of total metal content found associated to the preferential flow paths. Overall, our results suggest that preferential flow domains may behave as metal storage compartments in the soils due to differences in soil properties promoted by means of the heterogeneous water flow distribution.     

土壤优先流模型理论与观测技术的研究进展

优先流是土壤中常见的和重要的水流运动和溶质运移形式。由于土壤优先流的形成和影响因素众多、表现形式多样,加之土壤优先流的快速非平衡特征明显以及土壤高度的空间变异性,准确描述和模拟土壤优先流的时空变化特征一直以来都是土壤水文学界的热点问题和难点问题。该文从优先流的定义、表现类型、形成和影响因素、模型理论与观测技术等5个方面综述了土壤优先流的研究进展,指出该领域今后的主要研究方向为建立土壤优先流的统一判别标准、提升优先流模型理论的有效性、发展优先流的专用观测技术设备。文章对深入研究土壤优先流具有参考价值。     

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。     

耦合基质区与裂隙网络的土壤优先流模型及验证

该文旨在通过分析土壤裂隙存在下的土壤优先流运动模式与特点,建立耦合基质区与裂隙网络的土壤优先流模型(crack preferential flow model,CP模型)。用控制体积有限元法求解两区土壤水分运动的基本方程,采用整体法将土壤基质水流运动方程和三维土壤裂隙网络区水流运动方程耦合。模拟与试验结果表明,增加降雨或灌溉强度能促进激活裂隙通道作为优先流通道,有利于优先流形成。CP模型及耦合方法较好地描述出了优先流运动的特点,模拟与实测的土壤饱和度均方根误差为0.016~0.025,决定系数均在0.78以上(P0.05),偏差为0.020~0.026,一致性指标为0.918~0.938。与等效连续体模型(Richards模型)相比较,CP模型模拟裂隙存在情况下土壤水流非均匀性规律更有效。研究丰富了土壤优先流理论,对提高农田水分利用率具有重要的意义。     

汾河流域下游不同土地利用方式下优先流区与基质流区土壤团聚体稳定性分析

优先流是水分和溶质在土壤中非均质性运移的普遍现象,但对其形成的优先流区和基质流区土壤团聚体稳定性的研究还较少。为了阐明土壤团聚体破碎机制的差异,研究以汾河流域下游农田、撂荒地和果园3种土地利用方式为对象,采用野外染色示踪法与Le Bissonnais(LB)法分析了土壤染色区分下优先流区与基质流区土壤团聚体稳定性特征。结果表明:土壤染色率主要分布在0—30 cm土层,在10—30 cm土层果园显著高于撂荒地。LB处理的>0.25 mm团聚体含量和平均重量直径(MWD)在不同土地利用方式下表现为果园>农田>撂荒地,相对消散指数(RSI)和相对机械破碎指数(RMI)则有相反的趋势。优先流区在10—20 cm土层比基质流区具有更强的团聚体稳定性以及抵抗消散作用和机械破坏能力。土壤染色率与快速湿润的MWD呈显著负相关,与RSI呈显著正相关。研究表明果园比农田和撂荒地具有更好的优先流特征和团聚体稳定性,并且优先流区抗团聚破碎能力比基质流区更强,这将有利于维持优先流途径稳定性。     

Two models for the leaching of a non-reactive solute to a mole drain

Two models of solute leaching to a mole-pipe drainage system are described. The first model is research-oriented. It simplifies two-dimensional water and solute flow to a mole drain by dividing the soil between the mid-mole plane and the mole into notional compartments. Solute movement between compartments is assumed to occur by convection and mechanical dispersion. Within each compartment a mobile and immobile solute phase is defined, with diffusion occurring between them. Rainfall intensity (over approximately hourly intervals) and basic soil hydraulic data are needed as inputs. An explicit finite-difference solution to the water and solute mass-balance and flux equations is used. The second simpler model is management-oriented. It uses daily time steps, and assumes the soil solution behaves as if it were well-mixed system. It requires only daily rainfall and evaporation data, the drainage coefficient of the mole-pipe system, and the soil macroporosity as inputs. In both models a source/sink term accounts for additions of solute in rainfall and fertilizer, and extraction by plant uptake. The models were used to simulate leaching losses of chloride to a mole-pipe drainage system in a silt loam under pasture, following the application of potassium chloride to the soil surface. The first model simulated leaching better immediately after ertilizer application, and during bypass flow induced by heavy rain. However, both models were able to simulate the measured losses over a 2-year period equally well.     

三峡库区花岗岩林地土壤特性与“优先路径”的关系

 “优先路径”是指土壤中植物根系穿插而产生的根孔、动物的运动通道和居穴、由于土壤膨胀收缩形成的裂隙,以及因湿润锋不稳定所形成的指状渗透通道等。通过在长江三峡曲溪小流域花岗岩林地坡面开挖土壤剖面,测定了“优先路径”在剖面的分布状况,并采取土壤样品,对土壤的物理特性用筛分法进行了室内测定。结果表明:剖面中距地表以下82～110cm范围内,土壤密度最小,其毛管孔隙度也较小,显示出其土壤中存在有较多非毛管孔隙构成的“优先路径”。“优先路径”在距地表以下80～100cm范围内,分布比较集中。该范围内含有较多粗颗粒物质,有利于“优先路径”的形成。“优先路径”的存在,使该层土壤稳渗速率较其他土层得以大幅度提高,土层内快速运动的水流,又加速了“优先路径”的形成与发展。“优先路径”的存在,影响着土壤物理特性,而土壤物理性质,对“优先路径”的形成与发展,也有较大影响。     

土壤裂隙及其优先流研究进展

土壤在干燥脱水的过程中易收缩产生裂隙。裂隙的产生是土壤性质与外界条件等多种因素综合作用的结果,其形态结构也非常复杂,难以准确描述。裂隙能够作为优先流的路径,增加农田水分和养分的流失以及地下水污染的风险。本文总结和归纳了裂隙产生的影响因素、裂隙的表征指标与测定方法、裂隙导致的优先流的研究方法、裂隙对优先流的影响和模拟等方面的研究进展。今后应进一步加强裂隙产生机理的全面深入的研究;构建和完善裂隙三维指标体系及其测定方法;推进裂隙导致的优先流的定量化和数学模拟研究;加大田间原位裂隙及其优先流的研究。