土壤污染物溶质运移模型研究进展_高川博

两种典型溶质模拟污染物在沙陸土壤中的运移试验研究
陈亮;梁越
【期刊名称】《江苏农业科学》
【年(卷),期】2007(000)006
【摘要】利用NaCl和荧光素钠溶液来模拟不同的可溶性污染物,选用沙性土壤作为介质,在室内进行一维渗流和一维弥散试验,比较在不同水力梯度情况下,不同污染物对不同补给距离测量点的污染情况.同时用蒸馏水对污染土壤进行淋滤,得到不同淋滤水力梯度下的地下水与土壤的修复情况.结果表明,污染物的运移性质与地下水及土壤的修复特性和污染物性质、水力梯度、测点到水源点的距离有直接相关关系.【总页数】5页(P304-308)
【作者】陈亮;梁越
【作者单位】河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京,210098;河海大学岩土工程水利部重点实验室,江苏南京,210098;河海大学岩土工程科学研究所,江苏南
京,210098
【正文语种】中文
【中图分类】S153
【相关文献】
1.UNSATCHEM在土壤溶质反应-运移模拟中的应用 [J], 武桐;刘翔
2.水及溶质在有大孔隙的土壤中运移的研究(Ⅱ):数值模拟 [J], 冯杰;张佳宝;郝振纯;穆开功
3.饱和非均质土壤中溶质大尺度运移的两区模型模拟 [J], 高光耀;冯绍元;黄冠华
4.土壤中不动水体对溶质运移影响模拟研究 [J], 李勇;王超;汤红亮
5.野外非饱和土壤中溶质运移的试验研究 [J], 杨金忠;叶自桐;贾维钊;阎世龙因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

饱和黏性土中污染物运移一维模型试验研究胡钦君;杨会林;张檑【摘要】基于一维室内模型试验,以氯化钠溶液来模拟可溶性污染物,以饱和黏性土为介质,研究了污染物在饱和黏性土中的运移规律,分析了渗透路径的增加导致穿透曲线的相关变化,提出了弥散系数的测定方法.结果表明,随着渗透路径的增加弥散系数逐渐增大,同时证明了污染物与饱和黏性土在接触时间较短的情况下,依然存在较明显的离子的吸附解吸现象.为污染物运移模型的研究及场地的污染情况预测提供参考.【期刊名称】《地下水》【年(卷),期】2016(038)005【总页数】3页(P77-79)【关键词】可溶性污染物;饱和黏性土;弥散系数;吸附解吸【作者】胡钦君;杨会林;张檑【作者单位】天津市勘察院,天津300191;天津市勘察院,天津300191;天津市勘察院,天津300191【正文语种】中文【中图分类】X53由于经济的飞速发展，工业生产规模不断扩大，工业废水未经处理合格便被排放的现象普遍存在。

研究表明，我国七大水系普遍受到不同程度污染，随着地表水的污染、下渗，导致地下水污染问题日益严重[1]。

根据中国地质调查局的相关研究表明，全国90%的地下水遭受了不同程度的污染，其中60%污染严重[2]。

尤其以制造业为主的城市污染情况最为严重。

地下水污染具有过程缓慢、不易发现和难以治理的特点。

污染范围的不断扩大，污染程度的不断加深，引起了社会各界的广泛重视，因此，近年来许多学者对污染物的运移及修复方面做了大量的研究工作。

李霄等人利用室内动态土柱装置，模拟包气带岩性环境，运用弥散系数计算公式，分别计算了以亚粘土和亚砂土为主要岩性的包气带弥散系数[3]。

陈亮等人通过室内一维渗流和弥散试验，研究了不同水力梯度情况下，不同污染物对不同补给距离测量点的污染情况[4]。

谢焰等人将填埋场底部土体污染物浓度的实测值与一维对流弥散解析解的计算值进行了比较，并对30年后的影响深度进行了预测[5]。

本文的目的是通过一维模型试验，研究可溶性污染物在饱和黏性土中的运移规律。

土壤中有机污染物运移的数值模拟方法研究作者：史珍珍，王道军来源：《科技资讯》 2011年第14期史珍珍1 王道军2(1.黑龙江省水文地质工程地质勘察院哈尔滨 150030; 2.黑龙江省林甸县国土资源局黑龙江林甸 166300)摘要:有机物对环境和地下水资源的污染日益严重,它们在土壤水中的运移转化规律被各种物理、化学和生物过程所控制,相应的迁移转化模型主要由对流－扩散方程决定。

地下水数值模拟方法通过有机污染物在包气带及饱水带中运移的调参耦合,可以较好的解决参数选取问题,可以更加准确的模拟出有机污染物在地下介质中的运移情况。

关键词:有机污染物石油污染溶质运移数值模拟中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)05(b)-0124-01近年来,地下水污染问题已引起国内外很多领域学者的高度重视,对造成地下水污染的各个环节进行了分析和研究。

污染物在土壤及地下水中迁移转化是十分复杂的,控制因素有:土壤孔隙结构分布的特性参数;土壤孔隙含水率,孔隙水流速、压力水头分布等地下水运动特性参数;污染物的类型,污染源的几何形状及污染物释放方式;污染物的对流及水动力弥散;地球化学和生物化学反应;污染物的衰变及降解;以及水分、污染物浓度的初始及边界条件。

污染物在土壤及地下水中迁移浓度的时空分布,是上述诸因素综合作用的结果[1]。

1 数学建模的理论基础有机污染物迁移模型主要研究三个层次:(1)地表;(2)不饱和层(土壤和母质);(3)饱和层(地下水)。

模型包含两个重要过程—水分循环和污染循坏,每一过程又与很多物理、化学和生物过程相联系。

层次(2)和(3)是目前研究的主要区域。

不饱和层主要由水、土壤或母质颗粒、气体和溶质组成,饱和层则主要是由水、土壤或母质颗粒和溶质组成。

2 有机污染物在土壤中的运移表层土壤中的有机污染物在流动水带动下或随重力向下渗滤,在土壤中逐层分布,最终进入地下水:污染源→表层土壤→犁底层土壤→下包气带土壤→地下含水层。

土壤水分运移模拟研究进展随着气候变化和环境污染日益严重，土壤水分运移模拟研究备受关注。

土壤水分运移对于农业、生态环境和水资源管理具有重要意义。

通过深入研究土壤水分运移规律，可以为农作物的生长发育、地下水资源的管理和环境保护提供科学依据。

土壤水分运移模拟研究是利用模型模拟和分析土壤中水分的运移过程，以研究土壤水分的分布和变化规律。

土壤水分运移模拟研究主要包括土壤水分运移模型的建立和参数优化、模拟方法及技术的改进和应用等方面。

目前，土壤水分运移模拟研究已经取得了许多进展。

一、土壤水分运移模型的建立和参数优化经验模型是利用实验数据建立的经验公式来描述土壤水分运移规律，具有简单、易于应用的特点。

近年来，随着计算机技术的发展，人工神经网络（ANN）和支持向量机（SVM）等机器学习方法在土壤水分运移模型中的应用也得到了广泛关注。

物理模型是基于土壤水分运移规律的数学方程，考虑土壤水分传导、蒸发、蓄水等物理过程，具有较强的物理机理基础。

目前，Richards方程是描述土壤水分运移的最基本的物理模型之一，该模型考虑了土壤孔隙度、湿度和水分势等因素，可较准确地描述土壤水分运移规律。

土壤水分运移模型的参数优化是指通过采集实验数据和现场观测资料，利用参数反演方法来获得模型参数的具体数值，以提高模型的精度和适用性。

参数优化方法包括了常规的试验参数法、优化算法、贝叶斯方法等。

通过参数优化，可以提高模型对土壤水分运移的描述能力，为模拟土壤水分的实际情况提供有力的支持。

二、模拟方法及技术的改进模拟方法及技术的改进是土壤水分运移模拟研究的关键环节。

在土壤水分运移模拟研究中，常用的模拟方法包括数值模拟和实时监测模拟。

数值模拟是利用计算机模拟土壤水分的运移规律，可以对土壤水分在时间和空间上的变化进行较为准确的模拟。

目前，有限元法、有限差分法和有限体积法等数值模拟方法已经广泛应用于土壤水分运移模拟研究中，有效地提高了模拟的精度和可靠性。

2021年第42卷第2期中北大学学报(自然科学版)V o l.42 N o.22021 (总第196期)J O U R N A LO FN O R T H U N I V E R S I T YO FC H I N A(N A T U R A LS C I E N C EE D I T I O N)(S u m N o.196)文章编号:1673-3193(2021)02-0151-08重金属在土壤-地下水中的迁移模型研究以山西㊁陕西黄土高原塬区为例张天玑,王海芳(中北大学环境与安全工程学院,山西太原030051)摘要:随着工业的发展,我国地下水重金属污染问题逐渐突出.以山西㊁陕西黄土高原塬区为研究对象,通过分析影响重金属污染物在黄土迁移中的各个因素,构建黄土高原塬区重金属迁移的概念模型.通过降雨入渗K o s t i a k o v三参数入渗经验模型㊁重金属在土壤非饱和带迁移的一维对流-弥散方程以及重金属进入地下潜水的稀释模型的耦合,重点考虑黄土高原地区降雨条件下,重金属随降雨入渗水分的下渗迁移.将该模型与前人研究的饱和-非饱和带迁移模型进行对比分析,利用MA T L A B软件进行编程对该模型模拟验证.结果表明,该模型具有普适性,可以利用该模型预测土壤风险值,为常规评估与高层次风险预测提供一定的理论支撑.关键词:重金属;地下水;入渗模型;对流-弥散模型;地下水稀释模型中图分类号: X523文献标识码:A d o i:10.3969/j.i s s n.1673-3193.2021.02.011R e s e a r c ho n M i g r a t i o n M o d e l o fH e a v y M e t a l s i nS o i l-G r o u n d w a t e rT a k eL o e s sP l a t e a uA r e a i nS h a n x i a n dS h a a n x i a s a nE x a m p l eZ H A N G T i a n-j i,WA N G H a i-f a n g(S c h o o l o fE n v i r o n m e n t a n dS a f e t y E n g i n e e r i n g,N o r t hU n i v e r s i t y o fC h i n a,T a i y u a n030051,C h i n a)A b s t r a c t:W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f i n d u s t r y,t h e p r o b l e mo f h e a v y m e t a l p o l l u t i o n i n g r o u n d w a t e r i n o u r c o u n t r y b e c o m e s i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t.T a k i n g t h e l o e s s p l a t e a uo f S h a n x i a n dS h a a n x i a s t h e r e s e a r c h o b j e c t,t h r o u g h a n a l y z i n g v a r i o u s f a c t o r s t h a t a f f e c t t h em i g r a t i o n o f h e a v y m e t a l p o l l u t a n t s i n t h e l o e s s, a c o n c e p t u a lm o d e l o f h e a v y m e t a lm i g r a t i o n i n t h e l o e s s p l a t e a u i s c o n s t r u c t e d.T h r o u g h t h e c o u p l i n g o f t h e r a i n f a l l i n f i l t r a t i o nK o s t i a k o v t h r e e-p a r a m e t e r i n f i l t r a t i o n e m p i r i c a lm o d e l,t h e o n e-d i m e n s i o n a l c o n-v e c t i o n-d i s p e r s i o ne q u a t i o n f o r t h em i g r a t i o no f h e a v y m e t a l s i n t h e s o i l u n s a t u r a t e d z o n e,a n d t h e d i l u-t i o nm o d e l o f t h eh e a v y m e t a l s e n t e r i n g t h eu n d e r g r o u n dw a t e r.T h e e m p h a s i s i s o n t h e i n f i l t r a t i o na n d m i g r a t i o no f h e a v y m e t a l sw i t hr a i n f a l l i n f i l t r a t i o nu n d e r r a i n f a l l c o n d i t i o n s i nt h eL o e s sP l a t e a u.T h e m o d e lw a s c o m p a r e d a n d a n a l y z e dw i t h t h e s a t u r a t e d-u n s a t u r a t e db a n d s t u d i e db yp r e v i o u s r e s e a r c h e r s, a n d t h em o d e lw a s s i m u l a t e d a n dv e r i f i e db yp r o g r a m m i n g u s i n g MA T L A Bs o f t w a r e.T h em o d e l i s u n i-v e r s a l a n d c a nb eu s e d t o p r e d i c t s o i l r i s kv a l u e s.T h em o d e l c a n p r o v i d e c e r t a i n t h e o r e t i c a l s u p p o r t f o r r o u t i n e a s s e s s m e n t a n dh i g h-l e v e l r i s k p r e d i c t i o n.K e y w o r d s:h e a v y m e t a l s;g r o u n d w a t e r;i n f i l t r a t i o n m o d e l;c o n v e c t i o n-d i s p e r s i o n m o d e l;g r o u n d w a t e rd i l u t i o nm o de l收稿日期:2020-09-08基金项目:科技部重大专项(2018Y F C1801104)作者简介:张天玑(1993-),男,硕士生,主要从事土壤污染与修复的研究.通信作者:王海芳(1968-),女,副教授,硕士生导师,主要从事土壤污染与控制的研究.0引言根据‘2019中国生态环境状况公报“显示,全国2830处浅层地下水水质监测井中,Ⅰ~Ⅲ类水质监测井占23.7%,Ⅳ类占30.0%,Ⅴ类占46.2%,可见我国地下水质状况较差,地下水污染问题已成为人们关注的焦点问题[1].重金属在降雨等因素作用下会迁移至地下水,地下水作为人类的主要水源之一,在饮用含有重金属的地下水后会直接影响人体健康,严重时会造成人体患病[2].地下水环境一旦受到污染,很难使其恢复至原来的状态[3].所以,研究重金属在土壤非饱和带的迁移转化,预测污染物进入地下水的浓度具有重要的理论与现实意义[4].现阶段研究人员解决环境污染问题的一个重要技术方法是将所研究的环境系统行为抽象为一个数学模型,这是进行定量研究工作的基础[5].黄土高原塬区土壤表面重金属向地下水的迁移中,降雨的入渗水分对土壤重金属淋失具有显著影响[6].国内外已经研究出很多降雨入渗模型,如G r e e n-A m p t㊁S m i t h-P a r l a n g e㊁H o r t o n㊁K o s-t i a k o v模型等[7].K o s t i a k o v模型计算简单,能够有效描述短期范围的降雨入渗过程.方正三[8]对K o s t i a k o v公式和H o r t o n公式进行了修正,用于研究在暴雨条件下黄土高原地区土壤渗透与时间的关系.研究土壤包气带污染问题的主要模型包括经验模型[9-10]㊁对流-弥散模型[11-14]和随机模型[15-16].其中,对流弥散方程是最常用㊁最基本的描述溶质运移的数学模型[17].S u n等[18]对4种土壤进行了小土柱渗透试验和溶析仪实验,以对流-扩散方程为基础建立了锑在土壤中的迁移模型,对流-弥散模型可以解释锑在土壤中的迁移过程.对污染物迁移至地下水的研究方面,钟茂生等[19]采用三相平衡模型和S E S O I L模型耦合地下水稀释模型对北京市不同水文地质条件下的69种有机污染物和农药推导了基于保护地下水的土壤通用筛选值.基于此,本文将入渗模型㊁对流-弥散模型和地下水稀释模型进行耦合,描述污染物基于降雨入渗条件向地下水的迁移过程.最后利用MA T L A B编程对该模型进行了验证.1重金属污染物在土壤中运移的影响因素重金属污染物易溶于水,土壤中的微生物很难将其降解,重金属污染物一旦进入土壤就会发生持久性的污染.重金属在土壤中的迁移会受到自身理化性质,土壤对流㊁扩散和弥散作用,土壤质地,土壤水分等因素的影响.土壤质地的粘土含量越高,土壤中存在的自由水分含量和土壤空隙都会相应降低,重金属在土壤中运移就会受到限制[20];而土壤含水量越高,对流和扩散作用就越大.对于黄土高原地区,降雨量少,土壤表面蒸发量大,重金属进入土壤后的迁移主要受降雨入渗水分的影响[21].2塬区水文地质条件黄土高原塬区含水层岩性为离石组粉土质黄土中夹带有多层古土壤及钙质结核层,结构疏松且空隙㊁裂隙发育,其下部三门组粉质粘土,结构相对较密实,空隙㊁裂隙不甚发育,构成黄土塬区的隔水底板[22].黄土高原塬区潜水主要分布在较大的黄土塬体中,在塬面宽度大于400m时均存在潜水,深度一般在50m~80m.黄土高原塬区潜水补给的最主要来源为大气降水.黄土塬区宽阔有利于降雨下渗,黄土颗粒细密.野外渗水试验显示黄土的垂直渗透系数为2.1m/d~7.8m/d,透水性较好[22].3降雨入渗条件下污染物运移模型的构建3.1概念模型黄土高原地区降雨稀少,降雨多集中在每年的夏季,蒸发强烈,研究区土壤表面到潜水面的厚度为H,土壤中污染物向下迁移主要依靠降雨入渗的垂向迁移,存在的微弱侧向流动可忽略,故可将非饱和带概化为垂向一维流.假设土壤包气带是均质各向同性的,污染物运移模型为对流-弥散方程,模型上边界设定为定浓度边界,下边界设定为零浓度边界.污染物迁移模型见图1.251中北大学学报(自然科学版)2021年第2期图1 研究区污染物迁移概念模型图F i g .1 C o n c e p t u a lm o d e l d i a g r a mo f p o l l u t a n tm i g r a t i o n i n t h e s t u d y ar e a 3.2 降雨入渗模型在降雨条件下的降雨入渗量采取K o s t i a k o v 三参数入渗经验模型,该模型是很多国家地区使用的入渗模型,研究比较成熟且入渗参数的物理意义明确[23],模型如下I (t )=ξt α+K st ,(1)式中:I (t )为t 时刻的累积入渗量,c m ;ξ为入渗系数,表示入渗开始后第一个单位时间末扣除K s 后的累积入渗量,c m ;α为入渗指数,表示土壤入渗速度的衰减速度;K s 为土壤相对稳定入渗率,也称为饱和导水率[24-25],是在单位土壤势梯度下饱和土壤的入渗速度或非饱和土壤入渗达到相对稳定阶段的入渗速度,c m /m i n .降雨入渗条件下,由降雨强度及根系吸附作用得到的土壤包气带空隙水实际平均流速v 为[26]v =q θ=J w ξ-C E T θ,(2)式中:ξ为降雨入渗系数;J w 为降雨入渗速度;C E T 为植物蒸腾系数;θ为包气带平均体积含水率;q 为包气带渗流速度.由于黄土高原地区干旱少雨,植被稀少,忽略植被蒸腾作用,省去由于植物蒸腾作用消耗的水量项,将式(1)代入式(2)得v =J w [I (t )-K st ]θtα.(3) 由于黄土高原塬区土壤地下水补给主要为大气降雨,污染物进入表土层后,随着降雨入渗的土壤水分向地下迁移.由于各地区土壤质地不同,降雨入渗量也不相同,从美国E P A 获取到各种土壤质地的饱和导水率值,见表1,根据研究区土壤质地条件即可知研究区土壤饱和导水率,利用式(2)可求得土壤孔隙水流速.表1 土壤质地对应的饱和导水率值T a b .1 S a t u r a t e dh y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y v a l u e s c o r r e s p o n d i n gt o s o i l t e x t u r e土壤质地饱和导水率/(m ㊃a-1)土壤质地饱和导水率/(m ㊃a-1)砂土1830粉砂质粘壤土13壤砂土540粘壤土20砂壤土230砂质粘土10粉砂壤土120粉质粘土8壤土60粘土5砂质粘壤土403.3 污染物在土壤非饱和带迁移模型3.3.1 模型推导过程污染物在土壤中的运移主要考虑对流㊁分子扩散和机械弥散3个物理过程以及土壤对污染物的吸附作用.对流引起的溶质通量与土壤水流通量和水中溶质浓度有关,溶质对流通量可表示为J c =qC ,(4)式中:J c 为溶质的对流通量,m o l ㊃m -2㊃s -1;q为水通量,m /s ;C 为单位体积土壤水中溶质的量,m o l /m 3㊁k g/m 3或g /L ,即溶质浓度.由于土壤水流通量可表示为q =vθ,(5)所以,式(4)可写J c =vθC ,(6)式中:v 为平均空隙流速,m /s ;θ为土壤体积含水量,m 3/m 3.由于机械弥散和扩散在土壤中会引起溶质浓度的混合和分散,且微观流速不易测定,弥散和扩散结果不易区分,所以,将两者联合作为水动力弥散.用菲克第一定律表示的扩散作用为J s =-D sd C d x,(7)351(总第196期)重金属在土壤-地下水中的迁移模型研究(张天玑等)式中:J s为溶质的扩散通量,m o l㊃m-2㊃s-1或k g㊃m-2㊃s-1;D s为溶质的有效扩散系数, m2/s;d C/d x为浓度梯度.土壤溶质扩散可表示为J s=-θD s d C d x,(8)式中:D s为扩散系数.机械弥散为J h=-θD h d C d x,(9)式中:D h为机械弥散系数,m2/s.将式(8)与式(9)联立可得到水动力弥散通量为J s h=-θD d C d x,(10)式中:D为水动力弥散系数.污染物等溶质在进入水土环境后,土壤固液相快速发生吸附㊁解吸作用,在很短时间或瞬间就能达到平衡状态.假设土壤中所吸附的溶质量和土壤溶质浓度是线性关系,采用H e n r y吸附模型(线性吸附)表示土壤与污染物之间的吸附S=K d C,(11)式中:S为单位土壤吸附污染物的量;K d为污染物分配系数.土壤溶质运移主要是对流和水动力弥散(机械弥散和扩散)作用的结果,联立式(4)和式(10)可得出溶质通量为J=-θD d C d x+q c.(12)假设土壤三维空间内一单元六面体A B C D-E F G H(见图2)为一单位容积土壤体,其边长为Δx㊁Δy㊁Δz.在Δt时间内,污染物进出单元体的变化符合质量守恒原理,无源汇项存在,即进出该单元体的污染物的量的差等于Δt时段内该单元体内污染物质量的变化.图2污染物进入六面体单元示意图F i g.2S c h e m a t i c d i a g r a mo f p o l l u t a n t s e n t e r i n gt h eh e x a h e d r a l u n i t设进入六面体上界面A B C D面溶质通量为J x,则Δt时间内由上界面进入的污染物的量为m x=J xΔyΔzΔt,(13)流出六面体下界面E F G H面的溶质通量为J'x=J x+∂J x∂xΔx,(14)Δt时间内流出下界面E F G H的溶质量为m'x=J x+∂J x∂xΔxΔyΔzΔt.(15)在Δt时间内沿x轴方向的污染物流入与流出单元体的污染物质量差值为Δm x=J xΔyΔzΔt-J x+∂J x∂xΔx㊃ΔyΔzΔt=-∂J x∂xΔxΔyΔzΔt.(16)同理,在Δt时间内,沿y轴和z轴方向的污染物流入与流出质量之差为Δm y=-∂J y∂yΔxΔyΔzΔt,(17)Δm z=-∂J z∂zΔxΔyΔzΔt.(18)所以,在x,y,z3个方向上溶质流入量与流出量的总差量为Δm=-∂J x∂x+∂J y∂y+∂J z∂zΔxΔyΔzΔt.(19)根据质量守恒定律,Δt时间内该单元体中溶质量的变化为流入与流出单元体中的溶质质量的差值,即为∂(θC)∂tΔxΔyΔzΔt=-∂J x∂x+∂J y∂y+∂J z∂zΔxΔyΔzΔt.(20)将式(20)两边除以ΔxΔyΔzΔt得∂(θC)∂t=-∂J x∂x+∂J y∂y+∂J z∂z.(21)利用爱因斯坦求和约定表示为∂(θC)∂t=-∂J i∂x i.(22)在一维条件下∂(θC)∂t=-∂J x∂x.(23)将式(12)代入式(23)得一维条件下的对流弥散方程为∂(θC)∂t=∂∂xθD x∂C∂x-∂q x C∂t.(24)一维条件下考虑污染物在土壤的吸附交换项,则式(24)变为451中北大学学报(自然科学版)2021年第2期ρ∂S ∂t +∂(θC )∂t =∂∂x θD x ∂C ∂x-∂q x C ∂t.(25) 将式(5)和式(11)代入式(25),考虑对流㊁水动力弥散和吸附作用,污染物在黄土高原塬区土壤非饱和带中迁移的一维水动力-弥散方程为1+ρK d θ∂C ∂t =∂∂x D x ∂C ∂x-v x∂C ∂x,(26)式中:ρ为土壤质量密度;θ为土壤的体积含水率;C 为土壤中污染物浓度;D x 为垂直方向上水动力弥散系数.将阻滞因子引入方程,降雨因素以源汇项考虑,则式(26)变为R d ∂C ∂t =D x ∂2C ∂x2-v ∂C ∂x +Q ,(27)式中:R d 为阻滞因子;Q 为降雨导致的源汇项.3.3.2 模型边界条件及解析解研究区污染源主要为连续或短期释放源,并且考虑降雨和污染物在土壤中的吸附,且输入浓度为一个常量,根据水文地质概念模型可将边界条件定为如下表示:初始条件C (x ,t )t =0=C i ,-ɕɤx ɤ+ɕ;(28)边界条件C (0,t )=C 0,0<t <t 0,0,t >t 0,(29)∂C (x ,t )∂t x =ɕ=常数,0ɤt ɤɕ.(30) 根据初始条件和边界条件,式(27)的解析解为C (x ,t)=C i +(C 0-C i )A (x ,t )+B (x ,t ),0<t <t 0,C i +(C 0-C i )A (x ,t )+B (x ,t )-C 0A (x ,t -t 0),t >t 0.(31)A (x ,t )=12e rf c R d x -v t 2(D R d t )1/2 +12e x p (v x /D )e rf c R d x +v t 2(D R d t )1/2.(32)B (x ,t)=rR d t +(R d x -v t )2v e r f c R d x -v t 2(D R d t )1/2-(R d x +v t )2ve x p (v x /D )e rf c R d x +v t 2(D R d t )1/2.(33)3.4 污染物进入饱和地下潜水模型污染物随土壤水分进入潜水时,与地下潜水混合后被稀释,污染物浓度会随之降低.污染物进入地下水与地下水混合稀释后的浓度预测模型主要采用箱式模型来完成.C g w =C p/D A F ,(34)式中:C gw 为混合稀释后污染物的质量浓度,m g /L ;C p 为污染物接触潜水面时的浓度,m g /L ,通过对流-弥散方程进行确定;D A F 为地下水稀释因子.地下水稀释因子D A F 也可以根据当地的地下水水文地质条件计算求得[27],公式如下D A F =1+K i D I L,(35)D =(0.0112ˑL 2)1/2+H g w 1-e x p-L I K i H g w,(36)式中:K 为含水层导水率,m /a ;i 为水力梯度,m /m ;D 为混合区深度(污染物与地下水混合的深度),m ;I 为地下水渗透速率;L 为污染源到监测点的水平距离;H g w 为含水层厚度.4 模型的优势与对比分析目前,对于重金属在非饱和-饱和土壤中迁移的整体性模型研究还不多.姜利国等[28]考虑了重金属在地下水中的对流㊁弥散㊁吸附以及微生物降解作用,在非饱和-动理论及溶质运移理论基础上建立了非饱和-饱和区域内水流方程与重金属污染物运移方程耦合的数学模型.李锡夔[29]提出了一个考虑了污染物运移的对流㊁机械逸散㊁分子弥散㊁吸附㊁蜕变㊁不动水效应的模拟饱和-非饱和土壤中污染物运移过程的数值模型.利用算例验证了在一二维条件下污染物的运移状况.刘培斌等[30]建立并验证了在排水条件下田间一维饱和-非饱和土壤中氮素运移与转化的耦合模型,模型中考虑了有机质的矿化㊁氮素的吸附㊁硝化㊁反硝化㊁氨气挥发及作物根系吸氮等氮素转化作用过程,同时也考虑了土壤温度和湿度对氮素转化的影响.G r i f t BV D 等[31]研究出一种模型方法来评估污染物对地下水和地表水负荷的影响,耦合非饱和带淋溶模型和三维地下水运移模型,采用质量平衡方法对3个冶炼厂附近的3个不同集水区进行了污染物预测模拟.依据以上论述,目前国内外在该方面的研究主要是实验室结合土柱实验或对厂区小范围内重金属在土壤-地下水中的迁移模型研究,无法推广使用.本文所建立的模型针对不同的暴露情景,选取黄土高原塬区为研究对象,将降雨入渗模型㊁对流弥散方程与地下水稀释模型进行耦合,该耦551(总第196期)重金属在土壤-地下水中的迁移模型研究(张天玑等)合模型充分考虑降雨㊁水文㊁地质及污染物特征等因素.在污染物进入土壤后用一维对流-弥散方程进行描述,给定具体的边界条件即可计算得到污染物迁移至潜水面的污染物浓度.污染物进入地下水后用地下水稀释模型描述,充分考虑研究区的水文地质条件,进而计算污染物与地下水混合稀释后的浓度.将土壤饱和导水率与土壤质地结合在一起确定饱和导水率.前人研究的模型的计算方法都比较复杂,考虑的因素太多不易操作,很少考虑水文地质及降雨等因素.5数学模型验证假设土壤中污染物的环境背景值为零,地表除污染源以外无任何流体进入模拟区域.参考文献[32-34],设置相应参数为:土壤质量密度ρ= 1.6g/c m3,土壤的体积含水率θ=0.4c m3/c m3;垂直方向上水动力弥散系数D x=400c m2/d;土壤水平均孔隙流速v=20c m/d;液相和吸附相间溶质分配系数为1.17c m3/g;模拟深度为潜水埋深x=50m;模拟时间为365d.初始条件与边界条件:C(x,0)=0,x>0;C(0,t)=8.96m g/L,0<t<10;C(0,t)=C(x,10),tȡ10;C(ɕ,t)=0,t>0.利用MA T L A B编程模拟污染源存在10d时的重金属污染物运移过程,分别获得10d,20d, 40d时土壤中重金属污染物质量浓度分布及50m 深度处运移时间与重金属浓度之间的关系图,如图3~图6所示.图310d时重金属与包气带深度的关系曲线F i g.3 T h e r e l a t i o n s h i p c u r v e b e t w e e nh e a v y m e t a l s a n d t h ed e p t ho f t h e e n c a p s u l a t e d z o n e a t10d a ys图420d时重金属与包气带深度的关系曲线F i g.4 T h e r e l a t i o n s h i p c u r v e b e t w e e nh e a v y m e t a l s a n dt h e d e p t ho f t h e e n c a p s u l a t e d z o n e a t20d a y s图540d时重金属与包气带深度的关系曲线F i g.5 T h e r e l a t i o n s h i p c u r v e b e t w e e nh e a v y m e t a l s a n dt h e d e p t ho f t h e e n c a p s u l a t e d z o n e a t40d a y s图650m深度处重金属与运移时间的的关系曲线F i g.6 T h e r e l a t i o n c u r v eb e t w e e nh e a v y m e t a l s a n dm i g r a t i o n t i m e a t d e p t ho f50m从模拟结果看出,当污染源是瞬时污染源时,在释放重金属污染物阶段,重金属浓度分布随着距离的增加而减小,直至在空间分布上趋于稳定.这是因在靠近污染源处,污染源浓度较大,经过一段时间的弥散,浓度会逐渐减小,因弥散速度较小,在短时间内,重金属只能弥散很短距离,较651中北大学学报(自然科学版)2021年第2期深土壤中污染物浓度较少.当重金属污染源不存在后,重金属在土壤各深度处的分布先迅速增加然后减小,这是因为在没有新的污染源进入时,重金属浓度逐渐减小,重金属迁移过程中浓度梯度会越来越小,使某一点的重金属浓度有一个积累的过程,然后又进行释放,这与宋新山等[4]的研究基本吻合.6结论研究重金属在饱和-非饱和土壤中迁移的整体性模型不多,本研究将降雨入渗与重金属所在饱和非饱和土壤作为一个整体考虑,通过将入渗模型㊁对流-弥散模型和地下水稀释模型进行耦合,达到计算基于保护地下水的土壤风险值的目的.与前人研究的饱和-非饱和带迁移模型进行对比分析,本模型考虑了降雨以及当地水文地质条件,模型操作简单,普适性强.利用MA T L A B软件编程对模型在给定初始条件及边界条件下进行了验证,与前人研究结果基本吻合,能够预测污染物在包气带的迁移规律以及重金属到达潜水面的浓度.本次分析只以我国黄土高原塬区为研究对象,后期研究应该对我国各个地区地下水进行污染调查,选择典型样地,并结合当地水文地质条件㊁气候条件㊁地下水类型和埋深条件建立场地暴露概念模型,为后期重金属的地下水质量评估提供理论支撑.参考文献:[1]H o uD Y,L iG H,N a t h a n a i lP.A ne m e r g i n g m a r-k e t f o r g r o u n d w a t e rr e m e d i a t i o ni n C h i n a:p o l i c i e s,s t a t i s t i c s,a n df u t u r eo u t l o o k[J].F r o n t i e r so fE n v i-r o n m e n t a l S c i e n c s&E n g i n e e r i n g,2018,12(1):16.[2]刘晓丽,梁冰,薛强.地下水环境中有机污染物迁移转化动力学模型的研究[J].工程勘察,2003(1):26-30.L i uX i a o l i,L i a n g B i n g,X u eQ i a n g.O n t h e d y n a m i c sm o d e l o fo r g a n i cc h e m i c a l t r a n s p o r t i n g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t[J].G e o t e c h n i c a l I n v e s t i g a t i o n&S u r-v e y i n g,2003(1):26-30.(i nC h i n e s e)[3]S h r e s t h aS,S e m k u y uDJ,P a n d e y V P.A s s e s s m e n to f g r o u n d w a t e rv u l n e r a b i l i t y a n dr i s kt o p o l l u t i o ni nK a t h m a n d uV 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土壤中溶质运移的研究现状及问题
徐冰;郭克贞;王耀强;吕志远;佘国英
【期刊名称】《内蒙古水利》
【年(卷),期】2003(000)003
【摘要】随着土壤盐渍化和环境问题的日益突出,以研究土壤水中的溶质在土壤中运移过程、规律和机理的土壤溶质运移理论已被环境科学、土壤科学、农田灌溉等各个相关领域学者关注.简要介绍了土壤溶质运移理论的发展过程和国内外学者数十年来关于土壤溶质运移的研究成果,对数值模拟的研究现状、数值计算方法的应用、水动力弥散系数和延迟因子2个重要参数的测定等内容进行了一定评价,讨论了目前土壤溶质运移理论研究的不足之处.
【总页数】3页(P20-21,28)
【作者】徐冰;郭克贞;王耀强;吕志远;佘国英
【作者单位】内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古,呼和浩特,010018;水利部牧区水利科学研究院,内蒙古,呼和浩特,010010;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古,呼和浩特,010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古,呼和浩特,010018;水利部牧区水利科学研究院,内蒙古,呼和浩特,010010【正文语种】中文
【中图分类】S152.7+2
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5.非饱和土壤中溶质运移对流占优问题的通量校正运移解法 [J], 徐绍辉;张佳宝;刘建立
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土壤水分运移模拟研究进展【摘要】本文主要探讨了土壤水分运移模拟研究的重要性、背景和研究意义。

首先介绍了土壤水分运移模拟模型的发展历程，从而揭示了数值模拟方法在土壤水分运移研究中的重要应用。

然后重点分析了不同地区土壤水分运移差异的模拟研究以及气候变化对土壤水分运移的影响。

最后探讨了土壤水分运移模拟研究在农业生产中的应用，指出了未来发展方向和与实地观测结合的研究方法。

结论部分强调了土壤水分运移模拟研究对可持续发展的重要性，为推动农业生产效率和生态环境的保护提供了科学支持。

通过本文的研究，将有助于深入了解土壤水分运移机理，并为未来的研究和实践提供有益启示。

【关键词】土壤水分运移模拟研究, 土壤水分, 模型, 数值模拟, 地区差异, 气候变化, 农业生产, 可持续发展, 发展方向, 实地观测, 研究方法, 研究意义1. 引言1.1 土壤水分运移模拟研究进展的重要性土壤水分运移模拟研究是农田水管理和土壤保护的重要领域，在农业生产和生态环境保护中具有重要意义。

随着气候变化和人类活动的影响，土壤水分运移状况对农作物生长和土壤水分利用效率产生直接影响。

通过模拟研究土壤水分运移过程，可以更准确地了解土壤水分变化规律，为合理施肥、灌溉和田间水分管理提供科学依据。

土壤水分运移模拟研究还可以帮助预测土壤水分时空分布情况，为制定有效的土壤保护政策和水资源管理措施提供支持。

通过模拟分析不同气象条件下土壤水分运移的变化规律，可以更好地应对极端气候事件的发生，保障农作物生长和生态系统健康。

土壤水分运移模拟研究是建立可持续农业生产和生态环境保护的基础，具有重要的现实意义和应用价值。

通过深入研究土壤水分运移过程，可以为提高农业生产效率、降低灌溉水耗、改善土壤质量和推动农业可持续发展提供重要科学依据。

1.2 土壤水分运移模拟研究的背景土壤水分运移模拟研究的背景可以追溯到20世纪初，随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，人们开始尝试使用数学模型来描述和预测土壤中水分的运移过程。