SWD5土壤溶質(zhì)運(yùn)移

1、土壤水動(dòng)力學(xué) (Soil Water Dynamics)第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移 (Soil Solute Transport)尚 松 浩清華大學(xué) 水利水電工程系 水文水資源研究所Email: 土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n土壤溶質(zhì)運(yùn)移及其基本方程n土壤溶質(zhì)運(yùn)移的其它分析方法n土壤溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)值模擬 參考文獻(xiàn)：李韻珠，李保國(guó). 土壤溶質(zhì)運(yùn)移. 北京：科學(xué)出版社, 1998土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移5.1 土壤溶質(zhì)運(yùn)移及其基本方程n土壤溶質(zhì)n土壤溶質(zhì)運(yùn)移的對(duì)流與彌散n溶質(zhì)運(yùn)移的對(duì)流彌散方程n土壤中溶質(zhì)運(yùn)移與水分運(yùn)動(dòng)的關(guān)系土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移5.1.1

2、土壤溶質(zhì)n土壤液相是包含各種溶質(zhì)的水溶液u有機(jī)溶質(zhì)：t可溶性有機(jī)物：氨基酸、腐殖酸、糖類、有機(jī)金屬離子絡(luò)合物t有機(jī)污染物：酚類、苯胺類、硝基苯類、有機(jī)氯農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)藥、阿特拉津、丙烯腈和丙烯醛u無機(jī)溶質(zhì)：t八大離子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、CO32-、 HCO3-t其它微量離子：Fe3+、Cu2+t無機(jī)污染物：鉛、鎬、汞等重金屬元素；氟、砷和硒等非金屬元素；無機(jī)氮u溶質(zhì)形態(tài)：離子態(tài)、水合態(tài)、絡(luò)合態(tài)土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n土壤溶液中溶質(zhì)的來源：u自然來源：t降水帶入的可溶鹽：濱海地區(qū)，火山噴發(fā)，工業(yè)廢氣t土壤基質(zhì)中鹽分溶解t土壤生物活動(dòng)：游離的氨基酸、

3、糖類等可溶性有機(jī)物t地下水中的鹽分隨潛水蒸發(fā)的遷移u人工來源：灌溉、排污、農(nóng)藥及化肥的施用土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n土壤溶液的性質(zhì)：u濃度與活度：t濃度: 質(zhì)量濃度(kg/m3)、摩爾濃度(mol/m3)t離子活度：實(shí)際溶液中離子的有效濃度或熱力學(xué)濃度t離子強(qiáng)度：u導(dǎo)電性u(píng)酸堿性u(píng)氧化還原性土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n土壤溶質(zhì)的物理、化學(xué)、生物變化過程：u溶解與沉降u吸附與交換u水解與絡(luò)合u氧化還原u生物化學(xué)過程：有機(jī)質(zhì)分解，氮素轉(zhuǎn)化un土壤溶質(zhì)的運(yùn)移u對(duì)流隨土壤水分運(yùn)動(dòng)的運(yùn)移u擴(kuò)散土壤溶液濃度梯度所引起的溶質(zhì)運(yùn)移u彌散土壤孔隙中水的微觀流速的不均勻性 所產(chǎn)生的運(yùn)移土壤水動(dòng)力

4、學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n土壤溶質(zhì)運(yùn)移研究的意義u土壤鹽堿化發(fā)生規(guī)律與防治u土壤污染糧食、生態(tài)u地下水污染土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移5.1.2 土壤溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理 對(duì)流、分子擴(kuò)散與機(jī)械彌散n對(duì)流(Convection)：溶質(zhì)隨土壤水分的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)移u溶質(zhì)對(duì)流通量：Jc=qc=vctq：土壤水通量tc：土壤水溶液的質(zhì)量濃度tv=q/：土壤水溶液的平均孔隙流速u對(duì)流作用下溶質(zhì)的穿透時(shí)間：tL=L/v=L/q土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n分子擴(kuò)散(Molecular diffusion) ：不同濃度的溶質(zhì)間在濃度梯度的作用下產(chǎn)生的質(zhì)量交換 u原因：分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)）u趨勢(shì)：高濃度

5、低濃度u溶質(zhì)的分子擴(kuò)散符合Fick第一定律：t自由水溶液：t土壤水溶液：tJd分子擴(kuò)散通量；Ds擴(kuò)散系數(shù)zcDJd00zcDJsd土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移u溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)Ds ：隨土壤含水率的減小tDs()=D0tDs()=D0 a exp(b) b=10, a=0.0010.005土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n機(jī)械彌散(mechanical dispersion)：又稱對(duì)流彌散(convection dispersion)，由于土壤水流和土壤孔隙結(jié)構(gòu)相互作用使溶質(zhì)在土壤孔隙中運(yùn)移和分散的過程u產(chǎn)生原因：土壤孔隙不均勻，流速方向和大小不同，使得溶質(zhì)在水流運(yùn)動(dòng)中分散u溶質(zhì)的機(jī)械彌散

6、通量：u機(jī)械彌散系數(shù)Dh(v)： Dh(v)=|v|t經(jīng)驗(yàn)常數(shù)與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)有關(guān)t機(jī)械彌散系數(shù)還與空間尺度有關(guān) zcvDJhh)(土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n水動(dòng)力彌散(hydrodynamic dispersion)：u綜合考慮分子擴(kuò)散與機(jī)械彌散u溶質(zhì)的水動(dòng)力彌散通量：t水動(dòng)力彌散系數(shù)(綜合擴(kuò)散彌散系數(shù))：Dsh(v,)u當(dāng)土壤水流速度較大時(shí)，機(jī)械彌散作用超過擴(kuò)散作用；土壤溶液靜止時(shí)，只有分子擴(kuò)散作用zcvDzcvDDJshhssh),()()(土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n溶質(zhì)的混合置換：u置換流體 (Displacing fluid)u被置換流體 (Displaced f

7、luid)u穿透曲線 (BTC: Breakthrough curve)活塞流實(shí)際流動(dòng)00.20.40.60.8100.511.52相對(duì)體積相對(duì)時(shí)間土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移5.1.3 溶質(zhì)運(yùn)移的對(duì)流彌散方程n土壤溶質(zhì)通量：n溶質(zhì)運(yùn)移連續(xù)方程(一維，不考慮源匯項(xiàng))n一維溶質(zhì)運(yùn)移方程： 根據(jù)水流連續(xù)方程： 對(duì)流彌散方程：CDEzcvDqcJJJshshc),(zJtc)(zqczcvDztcsh)(),()(zcqzcvDztcsh),(土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n穩(wěn)定流情況下：土壤含水率 、水流通量q、平均孔隙流速v均為常數(shù)，Dsh(v,)為常數(shù)，CDE簡(jiǎn)化為線性PDE，在一些

8、簡(jiǎn)單情況下可以求出解析解：n考慮源匯項(xiàng)：uSc單位時(shí)間、單位體積土壤中由于化學(xué)、生物作用所生成（消失減少）的溶質(zhì)質(zhì)量zcvzcvDtcsh22),(cshSzqczcvDztc)(),()(土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n考慮溶質(zhì)的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存(沉淀與溶解)：n流動(dòng)區(qū)、非流動(dòng)區(qū)雙區(qū)模型：um、im土壤水流動(dòng)區(qū)和非流動(dòng)區(qū)的含水率ucm、cim土壤水流動(dòng)區(qū)和非流動(dòng)區(qū)的溶質(zhì)濃度uvm土壤水流動(dòng)區(qū)的平均孔隙流速u流動(dòng)區(qū)和非流動(dòng)區(qū)之間溶質(zhì)遷移：u質(zhì)量遷移系數(shù) cshcSzqczcvDztc)(),()(zqczcvDztccmmmmshimimmm)(),()()(immimimcctc土壤水動(dòng)力學(xué) 第

9、5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移5.1.4 土壤溶質(zhì)運(yùn)移與水分運(yùn)動(dòng)的關(guān)系n土壤水分運(yùn)動(dòng)對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響u水流通量q影響溶質(zhì)對(duì)流u土壤含水率 、水流通量q（土壤平均孔隙流速v=q/）影響溶質(zhì)的水動(dòng)力彌散u土壤溶質(zhì)的源匯項(xiàng)、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存一般與有關(guān)cshcSzqczcvDztc)(),()(土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n溶質(zhì)對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響u溶質(zhì)勢(shì)： s=-cRT/(wgM) 水流通量： f0選擇系數(shù)：t1：完全選擇，溶質(zhì)不能通過(半透膜)；t0：溶質(zhì)能通過，溶質(zhì)勢(shì)對(duì)水流無影響t粘土層存在一定的半透膜作用，非粘土中一般可以忽略溶質(zhì)勢(shì)的影響u溶質(zhì)的存在導(dǎo)致土壤導(dǎo)水率的降低1)(0zfzKqsm土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型的其它問題：u二維、三維：u多組分溶質(zhì)反應(yīng)運(yùn)移u參數(shù)：t尺度效應(yīng)t縱向彌散系數(shù)、橫向彌散系數(shù)u土壤水鹽耦合運(yùn)移：t水、溶質(zhì)方程聯(lián)合求解t忽略溶質(zhì)對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的影響：先求解水流方程，然后求解溶質(zhì)運(yùn)移方程土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移5.2 土壤溶質(zhì)運(yùn)移的其它