浅埋区土壤水运移模型参数研究

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。

冻融土壤水热盐运移规律研究及数值模拟土壤季节性冻融作用是影响旱寒区农业发展的一个重要因素,尤其是冻融期土壤水盐向上运移将会导致越冬期农田地表积盐,从而影响春季播种。

由于冻融土壤水热盐运移过程的复杂性,其演化机理及模拟一直是旱寒区土壤水热盐运移过程研究的瓶颈,开展这一问题的研究对于全面深入理解旱寒区水循环规律和土壤盐渍化形成机理,科学地进行水盐调控和土壤盐渍化的防治具有重要的现实意义和学术价值。

本文以内蒙古河套灌区为背景,通过室内和田间试验,测定了不同盐分条件下的冻融土壤水热运动参数、水盐运移过程和蒸发过程,分析了水热盐运移规律。

改进了水热盐运移模型(CoupModel)并引入GLUE(Generalized Likelihood Uncertainty Estimation)不确定性分析方法,对冻融土壤水热盐运移模拟不确定性进行了深入分析,取得了如下成果：1)通过室内及野外原位观测试验,测定了含盐冻融土壤水热特性参数,分析了水热参数随水分、盐分及温度的变化规律,建立了含盐冻融土壤水热参数估算模型。

试验结果表明,冻融土壤的比热容与热传导率与土壤负温之间分别呈幂函数和线性关系,土壤冻结曲线受土壤初始含水量、盐分种类与含盐量共同影响。

2)通过室内和野外土柱及测坑试验,研究冻融土壤水热盐运移过程和规律。

研究发现,地下水位的高低影响土壤冻结锋的向下推进速度,不同地下水位及不同土壤初始盐分条件对冻融期内土壤蒸发有显著影响。

高地下水位及高盐分含量为土壤蒸发提供了便利。

3)建立了冻融土壤水热盐运移模型--CoupModel,并结合不确定性分析方法GLUE对冻融土壤水热盐运移特性进行了模拟分析,深入探讨了模拟结果的不确定性。

冻融土壤水热运移模拟存在较大不确定性,而提高试验观测手段及完善模型结构则是减小模拟结果不确定性的有效途径。

基于试验结果对含盐土壤冻结特性的认识,考虑盐分对土壤冻结特性的影响,对CoupModel中土壤冻结曲线模型进行了改进。

基于HYDRUS模型的一维及三维入渗条件下土壤水盐运移规律研究目录摘要........................................................................................................................... (I)Abstract .............................................................................................................. ........................................... III 第一章绪论 (1)1.1 研究的背景及意义 (1)1.2 研究领域国内外研究概况 (1)1.3 论文主要研究内容 (5)第二章试验材料与方法 (6)2.1 试验地概况 (6)2.2 试验材料 (6)2.3 试验设计 (6)2.4 试验方法 (7)2.5 土壤水分和溶质运移参数测定 (8)2.6 HYDRUS模型 (12)第三章一维土壤水盐运移规律模拟 (15)3.1 积水深度对水盐运移的影响 (15)3.2土壤容重对水盐运移的影响 (19)3.3初始含水率对水盐运移的影响 (23)3.4 本章小结 (27)第四章三维点源滴灌土壤水盐运移规律模拟 (29)4.1 容重对三维点源滴灌水盐运移的影响 (29)4.2 滴头流量对三维点源滴灌水盐运移的影响 (33)4.3 本章小结 (35)第五章HYDRUS模型验证 (36)5.1模型验证 (36)5.2 模型中参数的敏感性分析 (39)5.3 HYDRUS模型反推参数 (41)5.4本章小结 (43)第六章结论与展望 (44)6.1 结论 (44)6.2 展望 (45)参考文献 (46)致谢 (49)作者简介 (50)导师评阅表 (51)V基于HYDRUS模型的一维及三维入渗条件下土壤水盐运移规律研究第一章绪论1.1 研究的背景及意义新疆地处我国西北边陲，国土面积166.04×104km2，约占全国国土总面积的1/6。

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 a l l e y,N e p a l[J].S c i e n c eo f t h eT o t a lE n v i r o n m e n t,2016,556:23-35.[4]宋新山,吴应玲,陈栋.基于MA T L A B的对流弥散方程的不稳定源解[J].环境科学与技术,2008(11):31-34.S o n g X i n s h a n,W uY i n g l i n g,C h e nD o n g.N u m e r i c a l s i m u l a t i o n f o r v o l a t i l e s o u r c e t e r m s i n 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 nb a s e do n MA T L A B[J].E n v i r o n-m e n t a l S c i e n c e&T e c h n o l o g y,2008(11):31-34.(i nC h i n e s e)[5]陈家军,尉斌.对流弥散方程不同有限元处理方法的比较分析[J].地学前缘,2006(1):236-241.C h e nJ i a j u n,W e iB i n.C o m p a r a t i v ea n a l y s i so nd i f-f e r e n t f i n i t ee l e m e n t t e c h n i q u e s f o ra d v e c t i o n-d i s p e r-s i o n s o l u t i o n[J].E a r t hS c i e n c eF r o n t i e r s,2006(1): 236-241.(i nC h i n e s e)[6]白梅.影响土壤中重金属淋溶的主要因素的研究[D].长沙:湖南农业大学,2011.[7]赖坡,程圣国,陈勇,等.降雨入渗模型的研究方法综述[J].山西建筑,2016,42(26):71-73.L a i P o,C h e n g S h e n g g u o,C h e nY o n g,e t a l.R e v i e wo n r e s e a r c hm e t h o d s o f r a i n f a l l i n f i l t r a t i o nm o d e l[J].S h a n x iA r c h i t e c t u r e,2016,42(26):71-73.(i nC h i-n e s e)[8]方正三.黄河中游黄土高原梯田的调查研究[M].北京:科学出版社,1958.[9]V e z z a r oL,E r i k s s o nE,L e d i nA,e t a l.Q u a n t i f i c a-t i o no fu n c e r t a i n t y i n m o d e l l e d p a r t i t i o n i n g a n dr e-m o v a l o f h e a v y m e t a l s(C u,Z n)i na s t o r m w a t e r r e-t e n t i o n p o n da n da b i o f i l t e r[J].W a t e r R e s e a r c h, 2012,46:6891-6903.[10]Y i p TC,T s a n g DC,N g KT,e t a l.E m p i r i c a lm o d-e l i n g of h e a v y m e t a l e x t r a c t i o nb y E d d s f r o ms i ng l e-m e t a l a n dm u l t i-m e t a l c o n t a m i n a t e d s o i l s[J].C h e m o-s p h e r e,2009,74:301-307.[11]D o u s a r i A,M a b k h o u t M,G a r r o u c h A A,e ta l.G u e d o u a r a n a l y s i s o f t h e c o n v e c t i v e d i s p e r s i v e t r a n s-p o r t i n p o r o u sm e d i a[J].J o u r n a l o fP e t r o l e u m S c i-e n c e a n dE n g i n e e r i n g,2009,66:15-23.[12]M l a y a hA,F e r r e i r aDSE,R o c h aF,e t a l.T h e o u e dm e l lèg u e:m i n i n g a c t i v i t y,s t r e a ms e d i m e n t s a n dd i s-p e r s i o n o f b a s e m e t a l s i n n a t u r a l e n v i r o n m e n t s, n o r t h-w e s t e r n T u n i s i a[J].J o u r n a lo f G e o c h e m i c a lE x p l o r a t i o n,2009,102:27-36.[13]杨孔立,詹良通,陈成,等.利用土柱试验快速测试重金属对流-弥散-吸附参数的方法[J].长江科学院院报,2020,37(6):120-126.Y a n g K o n g l i,Z h a nL i a n g t o n g,C h e nC h e n g,e ta l.R a p i d m e a s u r e m e n t o f a d v e c t i o n-d i s p e r s i o n-a d s o r p-t i o n p a r a m e t e r so fh e a v y m e t a l sb y s o i l c o l u m nT e s t[J].J o u r n a l o fY a n g t z eR i v e r S c i e n t i f i cR e s e a r c h I n-s t i t u t e,2020,37(6):120-126.(i nC h i n e s e)751(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)[14]张德生,张建丰,沈冰.考虑吸附和降解时溶质在土壤中运移的对流-弥散模型及其准解析解[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2009,37(3): 187-192.Z h a n g D e s h e n g,Z h a n g J i a n f e n g,S h e nB i n g.Q u a s i-a n a l y t i c a l s o l u t i o nf o ra d v e c t i o n-d i s p e r s i o n m o d e lo fs o l u t e t r a n s p o r t t h r o u g hs o i l s u n d e r s t e a d y s t a t e f l o w[J].J o u r n a l o fN o r t h w e s tA&F U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n),2009,37(3):187-192.(i n C h i-n e s e)[15]H a r t e rT,Y e hT CJ.F l o wi nu n s a t u r a t e dr a n d o mp o r o u sm e d i a,n o n l i n e a r n u m e r i c a l a n a l y s i s a n dc o m-p a r i s o n t o a n a l y t i c a l s t o c h a s t i cm o d e l s[J].A d v a n c e si n W a t e rR e s o u r c e s,1998,22(3):185-195.[16]Y e hTCJ.S t o c h a s t i cm o d e l i n g o f g r o u n d w a t e r f l o wa n ds o l u t et r a n s p o r ti n a q u i f e r s[J].H y d r o l o g i c a lP r o c e s s e s,1992,6:369-395.[17]李广辉,魏世强.土壤溶质运移特性研究进展[J].土壤通报,2003(6):576-580.L iG u a n g h u i,W e i S h i q i a n g.P r o g r e s s i n t h e s t u d y o f s o i l s o l u t e t r a n s p o r t i n s o i l-w a t e r s y s t e m[J].C h i n e s e J o u r n a l o f S o i l S c i e n c e,2003(6):576-580.(i nC h i-n e s e)[18]S u nZJ,S h a n g g u a nY X,W e iY,e t a l.As t u d y o na n t i m o n y m i g r a t i o ni ns o i l su s i n g a na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k m o d e la n dac o n v e c t i o n-d i s p e r s i o nd i f f u s i o nm o d e l[J].E c o l o g i c a lM o d e l l i n g,2018,389:1-10.[19]钟茂生,姜林,贾晓洋,等.基于保护地下水的北京市土壤通用筛选值推导[J].环境科学研究,2014, 27(8):888-897.Z h o n g M a o s h e n g,J i a n g L i n,J i a X i a o y a n g,e ta l.D e r i v a t i o no fs o i ls c r e e n i n g v a l u e sf o r g r o u n d w a t e rp r o t e c t i o n i nB e i j i n g[J].R e s e a r c ho fE n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s,2014,27(8):888-897.(i nC h i n e s e) [20]G o v eL,C o o k eC M,N i c h o l s o nF A,e t a l.M o v e-m e n t o fw a t e r a n dh e a v y m e t a l s(Z n,C u,P b a n dN i) t h r o u g hs a n da n d s a n d y l o a ma m e n d e dw i t hb i o s o l i d s u n d e r s t e a d y-s t a t eh y d r o l o g i c a l c o n d i t i o n s[J].B i o r e-s o u r c eT e c h n o l o g y,2001,78(2):171-179. [21]韩张雄,万的军,胡建平,等.土壤中重金属元素的迁移转化规律及其影响因素[J].矿产综合利用, 2017(6):5-9.H a nZ h a n g x i o n g,W a n D e j u n,H uJ i a n p i n g,e ta l.M i g r a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fh e a v y m e t a l s i ns o i la n d i t s i n f l u e n c i n g f a c t o r s[J].M u l t i p u r p o s eU t i l i z a-t i o no f M i n e r a lR e s o u r c e s,2017(6):5-9.(i nC h i-n e s e)[22]张立荣.甘肃陇东黄土高原黄土潜水水文地质特征浅析[J].西部探矿工程,2009,21(7):157-159.Z h a n g L i r o n g.A n a l y s i so n t h eh y d r o g e o l o g i c a l c h a r-a c t e r i s t i c s o f l o e s s p l a t e a ui nL o n g d o n g,G a n s u[J].W e s t-C h i n aE x p l o r a t i o nE n g i n e e r i n g,2009,21(7): 157-159.(i nC h i n e s e)[23]雷志栋,杨诗秀,谢森传.土壤水动力学[M].北京:清华大学出版社,1988.[24]李红星,樊贵盛.非饱和土壤有压入渗经验模型研究[J].太原理工大学学报,2009,40(4):383-387.L iH o n g x i n g,F a n G u i s h e n g.S t u d y o nae m p i r i c a lm o d e l o f t h e p r e s s u r e dw a t e r i n f i l t r a t i o n i n t ou n s a t u-r a t e ds o i l s[J].J o u r n a lo f T a i y u a n U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,2009,40(4):383-387.(i nC h i n e s e)[25]岳海晶.土壤入渗模型参数的线性预报模型研究[D].太原:太原理工大学,2016.[26]陈家军,王浩,全向春,等.一种用于突发性场地污染模拟的解析模型[J].地球科学与环境学报,2012, 34(1):72-78.C h e nJ i a j u n,W a n g H a o,Q u a n X i a n g c h u n,e ta l.S t u d y o n a n a n a l y t i c a lm o d e l f o r t h e a s s e s s m e n t o f a c-c ide n t a l p o l l u t i o n[J].J o u r n a l o fE a r c hS c i e n c e sa n dE n v i r o n m e n t,2012,34(1):72-78.(i nC h i n e s e)[27]U S E P A.S o i ls c r e e n i n gg u i d a n c e:t e c h n i c a lb a c k-g r o u n d d o c u m e n t[R].W a s h i n g t o n D C:U n i t e dS t a t e s E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n A g e n c y,1996: 32-80.[28]姜利国,梁冰.非饱和-饱和区域中重金属污染物运移数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报,2007(S2): 74-76.J i a n g L i g u o,L i a n g B i n g.N u m e r i c a la n a l o g s i m u l a-t i o no fh e a v y m e t a l p o l l u t i o nt r a n s p o r ti n v a r i a b l y s a t u r a t e d f l o w[J].J o u r n a l o fL i a o n i n g T e c h n i c a lU-n i v e r s i t y,2007(S2):74-76.(i nC h i n e s e) [29]李锡夔.饱和-非饱和土壤中污染物运移过程的数值模拟[J].力学学报,1998(3):3-5.L iX i k u i.N u m e r i c a lm o d e l l i n g o f p o l l u t a n t t r a n s p o r i nu n s a t u r a t e d/s a t u r a t e ds o i l s[J].A c t a M e c h a n i c aS i n i c a,1998(3):3-5.(i nC h i n e s e)[30]刘培斌,丁跃元,张瑜芳.田间 维饱和 非饱和土壤中氮素运移与转化的动力学模式研究[J].土壤学报,2000(4):490-498.L i uP e i b i n,D i n g Y u e y u a n,Z h a n g Y u f a n g.T h e s t u d-y o f1-d i m e n s i o ns a t u r a t e d-u n s a t u r a t e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fn i t r o g e nt r a n s p o r ta n dt r a n s f o r m a t i o nf o r t h ef i e l d c o n d i t i o n s[J].A c t a P e d o l o g i c a S i n i c a, 2000,37(4):490-498.(i nC h i n e s e)(下转第164页)851中北大学学报(自然科学版)2021年第2期[6]P h a r m a c e u t i c aJ.1,3-D i h y d r o-1-[3-(1-p i p e-r i d i n y l)p r o p y l]-2H-b e n z i m i d a z o1-2-o n e s a n d r e l a t e d c o m-p o u n d s[P].U SP a t e n t:U S4066772A,1978. [7]成都卡迪夫科技有限公司.一种胃动力药物多潘立酮的合成方法:中国,C N201510982504.2[P].2016-05-04.[8]王超.帕潘立酮的合成[D].上海:华东理工大学,2011.[9]J a p a n e s e p h a r m a c o p o e i a[M].T o k y o:M i n i s t r y o fH e a l t h,L a b o u r a n d W e l f a r e,2016.[10]王冬,卢丹,张兴哲.超高效液相色谱-质谱联用法测定多潘立酮的含量[J].中国药物价,2019,36(2):97-100.W a n g D o n g,L uD a n,Z h a n g X i n g z h e.D e t e r m i n a t i o n o f d o m p e r i d o n eb y U P L C-M S/M S[J].C h i n e s e J o u r-n a l o fD r u g E v a l u a t i o n,2019,36(2):97-100.(i nC h i n e s e)[11]陆涛.有机化学[M].第7版.北京:人民卫生出版社,2011.[12]耿晶,吕玲燕,冯星月,等.超高效液相色谱串联质谱法测定不同厂家生产的多潘立酮片中多潘立酮的含量[J].中国医药导报,2019,16(7):33-36.G e n g J i n g,LüL i n g y a n,F e n g X i n g y u e,e t a l.D e t e r-m i n a t i o no f d o m p e r i d o n e i nd o m p e r i d o n e t a b l e t s p r o-d u ce db y d if f e r e n tm a n u f a c t u r e r s b y u l t r a p e r f o r m a n c e l i q u i d c h r o m a t og r a ph y t a n d e m m a s s s p e c t r o m e t r y[J].C h i n aM e d i c a lH e r a l d,2019,16(7):33-36.(i nC h i-n e s e)[13]严春腾.克霉唑缩合反应的改进[J].中国医药工业杂志,1985,16(11):28.Y a nC h u n t e n g.I m p r o v e m e n t o f t h e c o n d e n s a t i o nr e-a c t i o no fc l o t r i m a z o l e[J].P h a r m a c e u t i c a l I n d u s t r y,1985,16(11):28.(i nC h i n e s e)[14]李萌.新型苯并咪唑衍生物的合成研究[D].长春:长春工业大学,2017.[15]B o i k o vA V,S a v e l e vR V,P a y o rV A,e t a l.D E Mc a l i b r a t i o n a p p r o a c h:o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t[J].J o u r n a lo f P h y s i c s C o n f e r e n c e S e r i e s,2019,1210(1):012025.[16]L i XX,W a n g XL,C h e nYD,e t a l.O p t i m i z a t i o n o fc o m b i n ed p h y t o re m e d i a t i o nf o rh e a v y m e t a l c o n t a m i-n a t e dm i n e t a i l i n g sb y a f i e l d-s c a l e o r t h o g o n a l e x p e r i-m e n t[J].E c o t o x i c o l o g y a n d E n v i r o n m e n t a lS a f e t y, 2019,168:1-8.(上接第150页)[6]潘颜楠,杨鹏.北斗导航系统应用前景分析[J].电子元器件与信息技术,2019(1):42-44.P a nY a n n a n,Y a n g P e n g.A p p l i c a t i o n p r o s p e c t a n a l-y s i s o f B e i d o un a v i g a t i o n s y s t e m[J].E l e c t r o n i cC o m-p o n e n t a n dI n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y,2019(1):42-44.(i nC h i n e s e)[7]马越.卫星导航与5G移动通信融合架构与关键技术研究[J].电脑知识与技术,2019,15(24):38-39.M aY u e.R e s e a r c ho n t h e f u s i o n a r c h i t e c t u r e a n dk e y t e c h n o l o g i e so fs a t e l l i t e n a v i g a t i o n a n d5G M o b i l ec o m m u n i c a t i o n[J].C o m p u t e rK n o w l ed g ea n dTe c h-n o l o g y,2019,15(24):38-39.(i nC h i n e s e) [8]杨羊,马玉秋.电动汽车智能充电系统控制策略研究[J].电气传动,2019,49(12):64-70.Y a n g Y a n g,M aY u q i u.R e s e a r c ho n c o n t r o l s t r a t e g y o f e l e c t r i c v e h i c l e i n t e l l i g e n t c h a r g i n g s y s t e m[J].E-l e c t r i cD r i v e,2019,49(12):64-70.(i nC h i n e s e) [9]荣雅洁.电动汽车充电桩智能状态监测系统的设计与实现[D].济南:山东大学,2020.(上接第158页)[31]G r i f t BVD,G r i f f i o e n J.M o d e l l i n g a s s e s s m e n t o f r e-g i o n a l g r o u n d w a t e r c o n t a m i n a t i o n d u e t o h i s t o r i cs m e l t e re m i s s i o n s o fh e a v y m e t a l s[J].J o u r n a lo fC o n t a m i n a n tH y d r o l o g y,2008,96(1-4):48-68.[32]魏峰.稳态条件下土壤溶质运移特征解析分析[D].西安:西安理工大学,2015.[33]王振兴.重金属C r(Ⅵ)迁移模型及健康风险动态评价预警研究[D].长沙:中南大学,2011. [34]张德生.土壤溶质运移数学模型研究[D].西安:西安理工大学,2004.461中北大学学报(自然科学版)2021年第2期。

土壤水分运移模拟研究进展随着全球气候变化的加剧，水资源的运用和管理问题日益突显。

土壤作为水分的重要储存和传输介质，对水资源的管理和利用起着至关重要的作用。

因此，研究土壤水分运移规律，有助于科学有效地利用水资源，提高土壤水分利用率，促进可持续发展。

近年来，土壤水分运移模拟研究在国内外得到了广泛的关注。

本文将综述土壤水分运移模拟研究的进展，并探讨未来的发展方向。

土壤水分运移模拟研究始于上世纪六十年代，当时主要采用经验公式和经验模型进行水分运移模拟。

随着计算机技术的发展和对土壤水分运移过程认识的不断深入，土壤水分运移模拟研究逐渐转向利用数学模型来模拟和分析土壤水分运移规律。

目前，土壤水分运移模拟研究已经进入到基于物理学原理的过程模型时代。

二、土壤水分运移模拟的数学模型目前，常用的土壤水分运移模拟数学模型主要包括物理过程模型和经验统计模型两种类型。

1.物理过程模型物理过程模型是基于土壤水分传输过程的物理学原理，采用连续方程和边界条件来描述土壤水分以及水分运动过程。

其中最常用的物理过程模型包括Richard方程、Green-Ampt方程、Brooks-Corey模型、Van Genuchten模型等等。

其中，Richard方程是应用最为广泛的一种土壤水分运移模拟模型，它描述了土壤中的洛伦茨力、重力和毛细力对水分的影响，是一种基于不可压缩流体的连续方程。

2.经验统计模型经验统计模型基于观测数据，通过统计学方法建立起来的模型。

它主要是针对在实际工作中观测数据不够充分的情况下，采用一定的数学方法来推算和模拟土壤水分运移规律。

其中，常见的经验统计模型包括水分平衡方程、水分运移守恒方程、线性滤波器等。

土壤水分运移模拟的研究和应用主要分为两个方面：1.数值仿真数值仿真是通过数学模型对土壤水分运移过程模拟和预测。

数值仿真的方法主要包括有限元法和有限体积法等。

2.水文模拟水文模拟是通过建立水文模型来模拟土壤水分运移过程，以预测降雨和地下水的响应。

不同系统温度对蓄水单坑土壤水氮运移参数影响试验研究与模型验证的开题报告摘要：本文旨在研究不同系统温度对蓄水单坑土壤水氮运移参数的影响，并验证相应的模型，为相关领域的研究提供参考。

本文将对该领域的研究背景、目的和意义进行介绍，并分析该研究的方法和步骤。

接下来，本文将详细介绍研究中所使用的实验设备和样品来源，并讨论实验设计和参数测定。

最后，本文将总结该研究的意义和预期成果。

研究背景：土壤水文过程和土壤中的氮循环过程对生态环境的影响非常重要。

蓄水单坑是一种常用的土壤水文实验方法，可以模拟土壤水文过程和土壤中的氮循环过程，并研究它们之间的相互作用。

不同系统温度对蓄水单坑土壤水氮运移参数的影响研究，在水文学和生态学领域具有广泛的应用价值，可以为相关领域的研究提供参考。

研究目的和意义：本研究的目的是研究不同系统温度对蓄水单坑土壤水氮运移参数的影响，并验证相应的模型。

本研究的意义在于，可以为水文学和生态学领域的研究提供参考，增加对土壤水文过程和土壤中的氮循环过程的认识，为环境保护和农业生产提供科学依据。

研究方法和步骤：1. 实验设备和样品来源：本研究将在实验室中建立蓄水单坑实验装置，选择一些土壤样品作为实验样本。

2. 实验设计和参数测定：根据不同系统温度的要求，设计相应的实验方案，并通过实验测定相关的土壤水氮运移参数。

3. 模型验证和数据处理：根据实验数据，建立相应的土壤水氮运移模型，并进行验证和数据处理。

预期成果：本研究预期可以通过实验测定和模型验证，研究不同系统温度对蓄水单坑土壤水氮运移参数的影响，并提供相关的实验数据和模型结果。

这些成果可以为水文学和生态学领域的研究提供参考，增加对土壤水文过程和土壤中的氮循环过程的认识，进一步探究这些领域的发展方向。

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。

地下水运移的物理模拟实验方法研究人类需要清洁的水资源，然而水资源时空分布极不均匀，并且随着经济发展和城镇化进程的加快，水资源短缺问题日益严重。

作为地表水的重要补充，地下水在人类生活中占据越来越重要的地位。

因此地下水资源的勘查评价具有重大的现实意义和深远的战略意义。

近年来，物理模拟技术逐渐受到各国的重视，并已在水文地质领域中发挥出重要作用。

在此背景下，我们设计了“杭州市地下水运移物理模拟实验”，旨在进一步了解物理模拟技术在水文地质领域的应用前景，为地下水勘查开发提供一种新方法。

本文以软件模拟为主要手段研究了地下水运移规律及其影响因素。

1材料与方法1．1地下水运移数值模拟研究对象：在x=0 ℃、y=20。

时，土体平衡含水率ρ1为0．05、ρ2为0．20，其中ρ1、ρ2的相对含水量分别为30％、 40％，临界孔隙度和临界压缩系数分别为0．07、 0．10。

1mpa，求得三种土体的抗剪强度与临界孔隙度如下： La1=8．20kPa， La2=7．56kPa， Pd2=7．86kPa， Pd2=临界孔隙度=临界压缩系数（ 0．10）与孔隙直径D（ 0．1）的乘积。

1．2实验设备与材料系统软件1．3实验步骤分别建立groundwater运移数学模型及液体运移数学模型。

根据边界条件及含水率变化情况，利用软件模拟水力坡度、流速等参数。

将固体颗粒在不同含水率下的运移方程分别写出后，导入计算机，求得不同含水率下土颗粒在含水率0．5～1％范围内的运动特征，结合本次实验，依据现场测定的土颗粒密度和临界孔隙度对其进行修正，最终求得含水率为0．5～1％时土颗粒的运移过程。

对所得的运移曲线和运移过程进行修正，即可得到结果，此外，还计算了不同含水率下土颗粒的质量。

2结果与分析1．4实验方案选择（ 1）初始含水层选取实验场地位于杭州市临安区某块农田，为亚粘土，天然孔隙度为65％。

结合该区土体类型和含水率变化特点，选取长度为50m的100m平面，该面上约有80亩面积，在其下面为水稻田。