溶质在水体和多孔介质中迁移的研究进展

溶质在水体和多孔介质中迁移的研究进展张富仓西北农林科技大学水利与建筑工程学院溶质在水体和多孔介质中迁移的研究进展溶质运移研究的是溶于水体或多孔介质中的溶质运移的过程、规律和机理。多孔介质中的液相部分不是纯水，是含有各种无机、有机溶质的溶液。这些物质在多孔介质中的运移状况不仅与多孔介质中水的流动有关，而且与溶质的性质及在随水移动过程中所发生的物理、化学和生物化学过程有密切关系。因此，对溶质运移的研究不仅是土壤物理学研究内容的一部分，也是土壤化学的研究对象之一。因此，也可以说土壤溶质运移所涉及的学科范围，是属于土壤学科中土壤物理和土壤化学两个分支的交叉。从水文和水文地质学科角度，则属于土壤水文学或包气带水文学的范畴。从环境科学角度，则环境土壤或环境水文学的研究对象。溶质在水体和多孔介质中迁移的研究进展研究范围肥料运移:

N(NO3-、NH4+)、P(H2PO4-)、K+

等

盐分运移:

Cl-、

CO32

-、SO42-、Br-、Ca2+、

Mg2+、

Na+等污染物迁移:

非水相流体(LightandDensenon-aqueousphaseliquids(LNAPLsandDNAPLs)：汽油,柴油,润滑油、碳氢化合物；溶剂、工业洗涤剂、三氯乙烯TCE、四氯乙烯PCE、三氯甲烷TCA、甲苯、煤焦油等等

小生物实体(Biologicentities)：病毒(viruses),细菌(bacteria)

辐射元素(Radioactiveelements)：镭(Ra)、铍(Be)、氦(He)等天然放射性物质重金属元素：汞(Hg)、铅(Pb)、铜(Cu)等

溶质在水体和多孔介质中迁移的研究进展学科领域农业水土工程:

土壤水动力学、地下水动力学等

土壤学:

土壤物理学、土壤环境化学等环境学：农业环境保护学、环境化学等生态学：生态化学、生物化学等地球科学：工程地质学、水文地质与工程地质学水利学科：水环境科学、灌溉科学、河流动力学等一、溶质在多孔介质中迁移的理论问题历史背景:

1.20世纪前：重点研究溶质在多孔介质中物理（数量、吸附、解吸）和化学变化。

2.20世纪以后：Slichter（1905）：水和溶质在多孔介质中不是以相同的速率移动.

3.20世纪40年代：色层分离理论的发展证实了Slichter的说法。50-60年代：Lapidus和Amundson（1952），Nielsen和Biggar(1960,1961,1962）和Bresler和Nielsen（1962，1963）根据色层分离理论，通过实验提出了易混合置换理论----水动力弥散理论。水动力弥散理论：多孔介质中溶质的迁移是由对流、扩散和弥散三种机制综合作用的结果溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况一、溶质在多孔介质中迁移的理论问题历史背景:

4.70年代以后：实验室------田间,空间变异性，许多新理论和模型相继提出。

5.在我国：80-90年代，实验室介绍和探索；90以后逐步走向田间。水动力弥散理论:1.毛管理论:研究单个毛管或毛管束中可溶性溶质的驱替现象。

Taylor（1953）：

DL为纵向弥散系数，D0为分子扩散系数，为毛细管内的平均流速。2.统计理论:研究单个流体质点在多孔介质中的运动时的分布，某流体质点沿单个路径的时间平均视为大量流体质点在空间的平均。溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况一、溶质在多孔介质中迁移的理论问题水动力弥散理论:2.统计理论:溶质在均匀多孔介质中运动满足以下形式的对流-弥散方程：为水动力弥散系数，为介质水孔隙流速，c为溶质的浓度，为由于溶质的吸附、沉淀、化合、分解等作用而引起的溶质质量的变化。Bear（1973）在基于随机统计理论的基础上，引入了表征体元（REV）的概念，采用空间平均化的方法，提出了描述多孔介质的弥散系数的表达式为：和分别为介质的纵向和横向弥散度。溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况一、溶质在多孔介质中迁移的理论问题水动力弥散理论:3.随机理论:用传统的水动力弥散理论建立的水动力弥散方程不能较好的描述区域溶质运移的弥散问题，即微观水动力弥散理论不能用于宏观弥散过程。Gelhar（1978）、Mathron和Marish（1980）、Smith和Schwartz（1980，1981a,b）、Simmson（1982）、Jury（1982a,b；1986a,b）Dagan（1982，1984，1989）、Gelhar（1983）等做了开创性的研究。90年代以后：分形方法（Berkow和Scher，1995；Kemblow和Wen，1992；Neuman，1995），随机图分析方法（Christakos和Hristopulos，1995）等溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况一、溶质在多孔介质中迁移理论的研究状况溶质在多孔介质中的迁移机理:1.水动力弥散（Hydrodynamicdispersion）:a.机械弥散和扩散都引起了土壤中溶质的混合和分散，在实际应用中常将两者的作用叠加起来，称为水动力弥散（hydrodynamicdispersion）。

Dsh为水动力弥散系数（cm2s-1），是含水量和平均孔隙水流速的函数。溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况一、溶质在多孔介质中迁移理论溶质在多孔介质中的迁移机理2.对流（Convection）溶质随运动着的水面移动的过程。

Jc=q.cq=v.

溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况一、溶质在多孔介质中迁移理论溶质在多孔介质中的迁移机理3.土壤溶质运移的基本方程

土壤溶质运移是对流和水动力弥散（机械弥散和扩散）作用的结果

:

根据连续性原理和质量守恒定律:上式为稳态水流情况下土壤溶质运移的基本方程溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法活塞流（Pistonflow）NaCl溶液NaCl溶液NaCl溶液水水NaCl水NaClNaCl水溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法易混合置换（miscibledisplacement）TimeC/Co01StartTimeC/Co01StartAB溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法易混合置换（miscibledisplacement）溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法易混合置换（miscibledisplacement）t=t1t=t2t=t3C/Co=0C/Co=1溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法易混合置换（miscibledisplacement）TimeC/Co01StartTimeC/Co01StartAB溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法易混合置换（miscibledisplacement）t=t1t=t2t=t3C/Co=0C/Co=0溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法易混合置换（miscibledisplacement）溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法易混合置换（miscibledisplacement）溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法易混合置换（miscibledisplacement）溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法易混合置换（miscibledisplacement）SmallLysimeter LargeLysimeterFieldtransect溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况二、溶质运移的研究方法其它方法（miscibledisplacement）蠕动泵土壤陶土板收液管供液瓶马氏瓶水平土柱水室入渗溶液非饱和流饱和流溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况三、溶质运移的优先流大孔隙流（MacroporeFlow）溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况三、溶质运移的优先流指流（FingerFlow）指流的进程指流（FingerFlow）是在均质土或层状结构土壤中由不稳定湿润锋引起的的水流沿柱状途径的优先流动溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况三、溶质运移的优先流漏斗流（FunnelFlow）非饱和细质土层非饱和粗质土层水流线漏斗流（FunnelFlow）通常是指在细质土壤剖面中存在粗质土壤的斜夹层，当水分到达斜层将沿夹层表面流动，到达夹层下端则以漏斗的形式垂直向下流动形成漏斗流土壤溶质运移数学模型土壤溶质运移数学模型对流-弥散方程（convectiondispersionequation）(CDE)动水-不动水模型（两区模型）（mobile-immobilemodel）随机对流模型（溪管流）（streamtubemodel）(STM)随机连续模型（stochastic-continuumequation）(SCE)几种典型的模型土壤溶质运移数学模型

m

Cm

t=

vm

m

Cm

m

Dm

Cm

(Cm

Cim)Incompletesolutemixing动水-不动水模型（两区模型）土壤溶质运移数学模型Modelingsolutetransportinamacroporoussoil动水-不动水模型（两区模型）土壤溶质运移数学模型随机对流模型（溪管流）国外溶质运移专家介绍一、研究机构和单位UniversityofArizonaArthurWarrickSoil,WaterandEnvironmentalScience

MartinusTh.vanGenuchtenSalinityLaboratoryUSA亚利桑那州国外溶质运移专家介绍一、研究机构和单位DavidE.Elrick

DepartmentofLandResourceScience,UniversityofGuelphCANADAIowaStateUniversityWilliamJury衣阿华州国内溶质运移研究介绍一、研究机构和单位清华大学：1985，雷志栋，谢传森、杨诗秀等北京农业大学（中国农业大学）：1985，石元春、李韵珠，陆锦文、黄元仿、黄冠华、秦耀东、任理、左强、冯绍元等武汉水利水电学院（武汉大学）：杨金忠（1986），黄康乐（1986，1987），张仁铎、蔡树英、叶自桐、张瑜芳、沈荣开西安理工大学：王文焰、王全九等中国农科院：徐明岗等内蒙古农业大学：陈亚新、时海滨等西北农林科技大学：张一平、吕家珑、邵明安、张富仓等国内溶质运移研究介绍二、研究进展研究方法和参数确定：雷志栋，谢传森、杨诗秀、李韵珠，陆锦文、杨金忠、张富仓等数学模型发展：张仁铎、杨金忠、任理、陈亚新、时海滨、

邵明安、黄康乐等实验室研究：王文焰、王全九、张一平、吕家珑、徐明岗、杨金忠、张富仓等田间研究：李保国、黄元仿、黄冠华、秦耀东、左强、冯绍元、蔡树英、叶自桐、张瑜芳、沈荣开等国内溶质运移专家介绍雷志栋薛禹群林学钰石元春国内溶质运移专家介绍张仁铎任理左强杨金忠国内溶质运移专家介绍杨金忠李