土壤水动力学SWD5土壤溶质运移.ppt

土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移 土壤水动力学 (Soil Water Dynamics)第5章 土壤溶质运移 (Soil Solute Transport) 毛 晓 敏 中国农业大学水利与土木工程学院 Tel:Email: maoxiaomin@tsinghua.org.cn 第5章 土壤溶质运移 研究意义 土壤溶质运移机理 溶质运移的对流－弥散方程 土壤中溶质运移与水分运动的关系 土壤溶质运移的其它分析方法 参考资料： 李韵珠，李保国. 土壤溶质运移. 北京：科学出版社, 1998 杨金忠，蔡树英，黄冠华，叶自桐. 多孔介质中水分及溶质运移的随机理论. 北京：科学出版社，2000 王全九，邵明安，郑纪勇. 土壤中水分运动与溶质迁移. 北京：中国水利水电出版社，2007 任理，毛萌. 农药在土壤中运移的模拟——以阿特拉津（莠去津）为例. 北京：科学出版社，2008 5.1 研究意义 土壤液相是包含各种溶质的水溶液 有机溶质： 可溶性有机物：氨基酸、腐殖酸、糖类、有机－金属离子络合物 有机污染物：酚类、苯胺类、硝基苯类、有机氯农药、有机磷农药、阿特拉津、丙烯腈和丙烯醛… 无机溶质： 八大离子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、CO32-、 HCO3- 其它微量离子：Fe3+、Cu2+… 无机污染物：铅、镐、汞等重金属元素；氟、砷和硒等非金属元素；无机氮 溶质形态：离子态、水合态、络合态 土壤溶液中溶质的来源： 自然来源： 降水带入的可溶盐：滨海地区，火山喷发，工业废气 土壤基质中盐分溶解 地下水中的盐分随潜水蒸发的迁移 人工来源：灌溉、排污、农药及化肥的施用… 土壤溶质的运动： 主要物理过程 随土壤水分运动（对流、弥散） 在自身浓度梯度下运动（扩散） 其他物理、化学生物反应： 土壤吸附 离子交换 溶解沉淀 氧化还原 植物吸收、生物降解 …… 土壤溶质运移研究的意义 土壤盐碱化发生规律与防治 土壤污染——粮食、生态 地下水污染 5.2 土壤溶质运移机理 ——对流、分子扩散与机械弥散 对流(Convection)：溶质随土壤水分的运动而运移 溶质对流通量：Jc=qc=vθc q：土壤水通量 c：土壤水溶液的质量浓度 v=q/θ：土壤水溶液的平均孔隙流速 对流作用下溶质的穿透时间：tL=L/v=Lθ/q 课堂练习： 土壤空隙度? 0.25 m3/m3 L=2 m 土壤水通量(达西流速) q 1 m/d （不考虑弥散）几天到达出口？ 入口投放NaCl 分子扩散(Molecular diffusion) ：不同浓度的溶质间在浓度梯度的作用下产生的质量交换 原因：分子不规则热运动（布朗运动） 趋势：高浓度→低浓度 溶质的分子扩散符合Fick第一定律： 自由水溶液： 土壤水溶液： Jd——分子扩散通量；Ds——扩散系数 溶质扩散系数Ds :随土壤含水率的减小而减小 Ds(θ)=D0θα Ds(θ)=D0 a exp(bθ) b=10, a=0.001~0.005 机械弥散(mechanical dispersion)：又称对流弥散(convection dispersion)，由于土壤水流和土壤孔隙结构相互作用使溶质在土壤孔隙中运移和分散的过程 产生原因：土壤孔隙不均匀，流速方向和大小不同，使得溶质在水流运动中分散 溶质的机械弥散通量： 机械弥散系数Dh(v)： Dh(v)=λ|v| 经验常数（dispersivity）λ与土壤质地、结构有关 机械弥散系数还与空间尺度有关 水动力弥散(hydrodynamic dispersion)： 综合考虑分子扩散与机械弥散 溶质的水动力弥散通量： 水动力弥散系数(综合扩散－弥散系数)：Dsh(v,θ) 当土壤水流速度较大时，机械弥散作用超过扩散作用；土壤溶液静止时，只有分子扩散作用 溶质的混合置换： 置换流体 (Displacing fluid) 被置换流体 (Displaced fluid) 穿透曲线 (BTC: Breakthrough curve) 5.3 溶质运移的对流－弥散方程 土壤溶质通量： 溶质运移连续方程(一维，不考虑源汇项) 一维溶质运移方程： 根据水流连续方程： 对流－弥散方程：CDE 稳定均匀流情况下：土壤含水率θ 、水流通量q、平均孔隙流速v均为常数，Dsh(v,θ)为常数，CDE简化为线性PDE，在一些简单情况下可以求出解析解： 考虑源汇项： Sc——单位时间、单位体积土壤中由于化学、生物作用所生成（消失减少）的溶质质量 考虑溶质的动态储存(沉淀/溶解、吸附/解吸附