第十章-溶质运移基本理论

土壤水与溶质的运移Contents5.0 Introduction5.1 Classifying and determining of soil water土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定5.2 Energy status of soil water土壤水的能态5.3 Soil water movement土壤水的运动5.4 Solute transportation in soils土壤中的溶质运移Soil water土壤水是土壤的最重要组成部分之一；在土壤形成过程中起着极其重要的作用，在很大程度上参与了土壤内进行的许多物质转化过程：矿物质风化、有机化合物的合成和分解等；作物吸水的最主要来源；自然界水循环的重要环节；非纯水，而是稀薄的溶液，溶有各种溶质，还有胶体颗粒悬浮或分散其中。

Principal sources of soil water●Precipitation——Rain, snow, hail(雹）; fog, mist(霜)●Ground water——lateral movement from upslope, upward movement from the underlying rock strata.precipitation Surface devoid of vegetationReachdirectly Vegetated surfaceinterceptedcanopyCanopy throughfall andstemflow atmosphereevaporation infiltration Run offSoil waterDrainage and lostEvapotraspirationThe composition of soil waterSoil water contains a number of dissolved solid and gaseous constituents,many of which exist in mobile ionic form,and a variety of suspended solid components.Base cations(Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+)PrecipitationMineral weatheringOrganic matter decomposition Lime and fertilizersourcesH+——a measure of acidity (pH)●CO2Atmosphere ——dissolved in precipitation Soil air ——produced in soil respirationH2O + CO2H2CO3H++ HCO3-Unpolluted rain water: pH>5.6Soil water: pH <5.0●Industrial and urban emission●Organic acids derived from decaying organic material●Released by plants in exchange for nutrient base cations major sourceIron and aluminiumMajor sourcesmineral weatheringacid rainMajor formFe2+, Al3+ionssoluble organic-metallic complexesSoluble anionsNO3-, PO43-Cl-, SO42-HCO3-Mineralisation processesFertilizersAtmosphere sourcesMineral weatheringDissolved organic carbon (DOC) Pollutants (heavy metals et al.)Suspended constitutions☐Small particles of mineral and organic material ☐Often result in discoloration(变污)and increased turbidity(混浊度)of soil water.第一节土壤水的类型划分及土壤水分含量测定Classifying and determining of soil water 一、土壤水分类型及有效性Soil water types and availability土壤水分研究方法能量法数量法从土壤水分受各种力作用后自由能的变化研究水分的能态和运动、变化规律。

第24卷第3期2008年5月水资源保护W ATER RES OURCES PROTECTI ON V ol.24N o.3May 2008 基金项目:国家自然科学基金(50679025);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET Ο04Ο0492);高等学校学科创新引智计划(B08048)作者简介:马建良(1982—),男,山东乐陵人,硕士研究生,研究方向为地下水数值模拟。

E 2mail :maliang @ 一维变密度溶质运移实验及参数推求马建良1,陈　喜1,程勤波2,宋　轩2,鲍振鑫2(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京　210098;2.河海大学水文水资源学院,江苏南京　210098)摘要:通过室内土柱注水实验,观测沙质土壤中氯离子浓度的变化过程。

以变密度水流连续性方程、溶质运移方程和达西方程为基础,运用有限单元法和差分法对这3个方程进行联立求解,建立了一维变密度水流和溶质运移数值模型。

利用实验数据反求变密度渗透系数、弥散系数等水动力参数。

关键词:变密度水流;一维对流—弥散方程;土柱实验;海水入侵中图分类号:O351.2 文献标识码:A 文章编号:1004Ο6933(2008)03Ο0008Ο04Identification of hydrodynamic parameters based on one 2dimensional variable density and solute transport numerical modelMA Jian 2liang 1,CHEN Xi 1,CHENG Q ing 2bo 1,SONG Xuan 2,BAO Zhen 2xin 2(1.State K ey Laboratory o f Hydrology 2Water Resources and Hydraulic Engineering ,Hohai Univer sity ,Nanjing 210098,China ;2.College o f Hydrology and Water Resources ,Hohai Univer sity ,Nanjing 210098,China )Abstract :The concentration of chloride ions in sandy s oil was observed through water 2filling s oil column tests in the laboratory.A one 2dimensional numerical m odel for groundwater f1ow of variable density and s olute transport was developed on the basis of equations of variable density groundwater flow and s olute transport as well as Darcy ’s Law.The equations were s olved using the finite element and finite difference methods.The hydrodynamic parameters for variable density flow ,such as infiltration coefficients and dispersion coefficients ,were calibrated against the observed data.K ey w ords :variable density groundwater f1ow ;one 2dimensional convection 2diffusion equation ;s oil column experiment ;seawater intrusion 20世纪70年代以来我国沿海地区陆续出现海水入侵。

溶质运移参数确定研究进展近年来大量化肥、农药的使用和工业、生活污水的排放已经严重的威胁到水土资源质量，因此水土资源的高效管理显得十分重要。

随着数学和计算机技术的迅速发展，数值求解数学模型已经成为预测水与溶质在土壤中的运移和管理水土资源研究中必不可少的工具[1]。

然而在水盐运移模拟计算中，土壤水分运动参数和溶质运移参数的精确确定成为决定水盐运移模拟精度的关键因素。

土壤水分运动参数主要包括非饱和导水率)(θK 、土壤水分扩散率)(θD 和比水容量)(θC ，而且三者之间存在一定的函数关系，即)()()(θθθC D K ⨯=，因此只要知道其中的两个参数便可求出第三个[3]。

土壤水力参数的确定方法主要有直接法和间接法两大类。

直接法是在实验室用土样直接测定，是最传统的一种方法，然而它存在测定需要专门仪器困难和测定参数土样是否能够代表田间情况等问题[4]。

间接法主要包括土壤转换函数方法、分形方法、土壤形态学方法、和经验公式法等[5]。

此类方法的建立均采用某一特定地区的土壤资料，因此在应用时具有一定的局限性。

在模拟土壤溶质运移的模型中对流-弥散模型应用最为广泛，特别是近年来，计算机和计算数学的发展，采用对流-弥散模型数值模拟已经应用到溶质运移的各个方面。

非饱和土壤水动力弥散系数是对流-弥散模型数值计算的关键参数之一，它精度直接影响数值计算精度。

目前国内外确定非饱和土壤水动力弥散系数的方法有：公式法[6]、水平土柱吸渗法[6]、最小二乘法[7]、极大似然法[8]、斜率法[9]、等斜率法[10]、瞬时剖面法 [11]、边界层理论[12]]等。

虽然，在理论上这些方法是相对容易的，然而实际上它是困难的和费时，并且需要专门的仪器。

同时它们是在室内进行测定，结果仅能代表一点的土壤水动力弥散系数，将其应用到田间尺度就会产生很大的误差。

同时，土壤水分运动和溶质运移是同时进行的，因此土壤水分参数和溶质运移参数也应同步测定。

为此，Simùnek J 等[13提出采用数值反演同时求解土壤水分参数和溶质运移参数。

溶质运移的第三类边界条件解释说明以及概述1. 引言1.1 概述在环境科学和土壤污染领域，溶质运移是一项关键的研究内容。

溶质指的是在溶液中可溶解、携带并迁移的物质，在自然界中广泛存在并对环境产生重要影响。

为了准确描述溶质在介质中的迁移过程，我们需要确定边界条件，以便模拟和预测其运动行为。

通常情况下，我们常用的边界条件主要包括第一类和第二类边界条件，它们分别描述了固体/液体接触面上的出入口流量和浓度。

然而，一些特殊情况下会出现第三类边界条件，该种边界条件与第一种和第二种有所不同，并且在一些实际情况中发挥着重要作用。

本文将就这一主题进行深入探讨，并对第三类边界条件进行全面解释和说明。

1.2 文章结构本文共分为五个部分来探讨溶质运移的第三类边界条件。

首先，在引言部分（本节）我们概述了文章的目标和结构安排。

第二部分将详细定义和解释第三类边界条件，包括其特点和背后的影响因素。

第三部分将介绍溶质运移的基本原理，包括扩散作用、对流作用和平衡反应作用。

在第四部分，我们将详细说明和解释第三类边界条件，并探讨其出现情况及影响因素，并通过实际案例分析来评价其应用效果。

最后，在结论部分我们总结了文章的主要观点和结果，并提出了研究的局限性和未来发展方向。

1.3 目的本文旨在全面介绍并探讨溶质运移中的第三类边界条件。

通过对该类型边界条件的定义、解释以及概述，我们旨在增进读者对于溶质运移过程中不同边界条件的理解，并深入剖析第三类边界条件所涉及的问题和应用场景。

通过实例分析，我们将评估该边界条件在实际工程与环境问题中的应用效果，并展望未来研究的方向与挑战。

相信这一篇章能够为读者提供全面且深入的关于溶质运移与第三类边界条件相关内容的知识背景，并激发更多我们对该领域的研究兴趣。

2. 第三类边界条件2.1 定义和解释第三类边界条件是指在溶质运移模型中，不同于已知初始条件或已知边界条件的一种特殊情况。

当存在未知参数或变量时，需要采用第三类边界条件来描述这些变量的行为。