SWD5土壤溶质运移

1、土壤水动力学 (Soil Water Dynamics)第5章 土壤溶质运移 (Soil Solute Transport)尚 松 浩清华大学 水利水电工程系 水文水资源研究所Email: 土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移第5章 土壤溶质运移n土壤溶质运移及其基本方程n土壤溶质运移的其它分析方法n土壤溶质运移的数值模拟 参考文献：李韵珠，李保国. 土壤溶质运移. 北京：科学出版社, 1998土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移5.1 土壤溶质运移及其基本方程n土壤溶质n土壤溶质运移的对流与弥散n溶质运移的对流弥散方程n土壤中溶质运移与水分运动的关系土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移5.1.1

2、土壤溶质n土壤液相是包含各种溶质的水溶液u有机溶质：t可溶性有机物：氨基酸、腐殖酸、糖类、有机金属离子络合物t有机污染物：酚类、苯胺类、硝基苯类、有机氯农药、有机磷农药、阿特拉津、丙烯腈和丙烯醛u无机溶质：t八大离子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、CO32-、 HCO3-t其它微量离子：Fe3+、Cu2+t无机污染物：铅、镐、汞等重金属元素；氟、砷和硒等非金属元素；无机氮u溶质形态：离子态、水合态、络合态土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n土壤溶液中溶质的来源：u自然来源：t降水带入的可溶盐：滨海地区，火山喷发，工业废气t土壤基质中盐分溶解t土壤生物活动：游离的氨基酸、

3、糖类等可溶性有机物t地下水中的盐分随潜水蒸发的迁移u人工来源：灌溉、排污、农药及化肥的施用土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n土壤溶液的性质：u浓度与活度：t浓度: 质量浓度(kg/m3)、摩尔浓度(mol/m3)t离子活度：实际溶液中离子的有效浓度或热力学浓度t离子强度：u导电性u酸碱性u氧化还原性土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n土壤溶质的物理、化学、生物变化过程：u溶解与沉降u吸附与交换u水解与络合u氧化还原u生物化学过程：有机质分解，氮素转化un土壤溶质的运移u对流随土壤水分运动的运移u扩散土壤溶液浓度梯度所引起的溶质运移u弥散土壤孔隙中水的微观流速的不均匀性 所产生的运移土壤水动力

4、学 第5章 土壤溶质运移n土壤溶质运移研究的意义u土壤盐碱化发生规律与防治u土壤污染粮食、生态u地下水污染土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移5.1.2 土壤溶质运移机理 对流、分子扩散与机械弥散n对流(Convection)：溶质随土壤水分的运动而运移u溶质对流通量：Jc=qc=vctq：土壤水通量tc：土壤水溶液的质量浓度tv=q/：土壤水溶液的平均孔隙流速u对流作用下溶质的穿透时间：tL=L/v=L/q土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n分子扩散(Molecular diffusion) ：不同浓度的溶质间在浓度梯度的作用下产生的质量交换 u原因：分子不规则热运动（布朗运动）u趋势：高浓度

5、低浓度u溶质的分子扩散符合Fick第一定律：t自由水溶液：t土壤水溶液：tJd分子扩散通量；Ds扩散系数zcDJd00zcDJsd土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移u溶质扩散系数Ds ：随土壤含水率的减小tDs()=D0tDs()=D0 a exp(b) b=10, a=0.0010.005土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n机械弥散(mechanical dispersion)：又称对流弥散(convection dispersion)，由于土壤水流和土壤孔隙结构相互作用使溶质在土壤孔隙中运移和分散的过程u产生原因：土壤孔隙不均匀，流速方向和大小不同，使得溶质在水流运动中分散u溶质的机械弥散

6、通量：u机械弥散系数Dh(v)： Dh(v)=|v|t经验常数与土壤质地、结构有关t机械弥散系数还与空间尺度有关 zcvDJhh)(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n水动力弥散(hydrodynamic dispersion)：u综合考虑分子扩散与机械弥散u溶质的水动力弥散通量：t水动力弥散系数(综合扩散弥散系数)：Dsh(v,)u当土壤水流速度较大时，机械弥散作用超过扩散作用；土壤溶液静止时，只有分子扩散作用zcvDzcvDDJshhssh),()()(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n溶质的混合置换：u置换流体 (Displacing fluid)u被置换流体 (Displaced f

7、luid)u穿透曲线 (BTC: Breakthrough curve)活塞流实际流动00.20.40.60.8100.511.52相对体积相对时间土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移5.1.3 溶质运移的对流弥散方程n土壤溶质通量：n溶质运移连续方程(一维，不考虑源汇项)n一维溶质运移方程： 根据水流连续方程： 对流弥散方程：CDEzcvDqcJJJshshc),(zJtc)(zqczcvDztcsh)(),()(zcqzcvDztcsh),(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n稳定流情况下：土壤含水率 、水流通量q、平均孔隙流速v均为常数，Dsh(v,)为常数，CDE简化为线性PDE，在一些

8、简单情况下可以求出解析解：n考虑源汇项：uSc单位时间、单位体积土壤中由于化学、生物作用所生成（消失减少）的溶质质量zcvzcvDtcsh22),(cshSzqczcvDztc)(),()(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n考虑溶质的动态储存(沉淀与溶解)：n流动区、非流动区双区模型：um、im土壤水流动区和非流动区的含水率ucm、cim土壤水流动区和非流动区的溶质浓度uvm土壤水流动区的平均孔隙流速u流动区和非流动区之间溶质迁移：u质量迁移系数 cshcSzqczcvDztc)(),()(zqczcvDztccmmmmshimimmm)(),()()(immimimcctc土壤水动力学 第

9、5章 土壤溶质运移5.1.4 土壤溶质运移与水分运动的关系n土壤水分运动对溶质运移的影响u水流通量q影响溶质对流u土壤含水率 、水流通量q（土壤平均孔隙流速v=q/）影响溶质的水动力弥散u土壤溶质的源汇项、动态储存一般与有关cshcSzqczcvDztc)(),()(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n溶质对土壤水分运动的影响u溶质势： s=-cRT/(wgM) 水流通量： f0选择系数：t1：完全选择，溶质不能通过(半透膜)；t0：溶质能通过，溶质势对水流无影响t粘土层存在一定的半透膜作用，非粘土中一般可以忽略溶质势的影响u溶质的存在导致土壤导水率的降低1)(0zfzKqsm土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n土壤溶质运移模型的其它问题：u二维、三维：u多组分溶质反应运移u参数：t尺度效应t纵向弥散系数、横向弥散系数u土壤水盐耦合运移：t水、溶质方程联合求解t忽略溶质对水分运动的影响：先求解水流方程，然后求解溶质运移方程土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移5.2 土壤溶质运移的其它