土壤水动力学SWD5土壤溶质运移

1、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:mail: 土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移第5章 土壤溶质运移n研究意义n土壤溶质运移机理n溶质运移的对流弥散方程n土壤中溶质运移与水分运动的关系n土壤溶质运移的其它分析方法土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移参考资料：n李韵珠，李保国. 土壤溶质运移. 北京：科学出版社, 1998n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，2000n王全九，邵明

2、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，2007n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土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移5.1 研究意义n土壤液相是包含各种溶质的水溶液u有机溶质：t可溶性有机物：氨基酸、腐殖酸、糖类、有机金属离子络合物t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u无机溶质：t八大离子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、CO32-、 HCO3-t其它微量离子：Fe3+、Cu2+t无机污染物：铅、镐、汞等重金属元素；氟、砷和硒等非金属元素

3、；无机氮u溶质形态：离子态、水合态、络合态土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n土壤溶液中溶质的来源：u自然来源：t降水带入的可溶盐：滨海地区，火山喷发，工业废气t土壤基质中盐分溶解t地下水中的盐分随潜水蒸发的迁移u人工来源：灌溉、排污、农药及化肥的施用土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n土壤溶质的运动：u主要物理过程t随土壤水分运动（对流、弥散） t在自身浓度梯度下运动（扩散） u其他物理、化学生物反应：t土壤吸附t离子交换 t溶解沉淀t氧化还原t植物吸收、生物降解t土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n土壤溶质运移研究的意义u土壤盐碱化发生规律与防治u土壤污染粮食、生态u地下水污染土壤水动力学

4、 第5章 土壤溶质运移5.2 土壤溶质运移机理 对流、分子扩散与机械弥散n对流(Convection)：溶质随土壤水分的运动而运移u溶质对流通量：Jc=qc=vctq：土壤水通量tc：土壤水溶液的质量浓度tv=q/：土壤水溶液的平均孔隙流速u对流作用下溶质的穿透时间：tL=L/v=L/q土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移课堂练习：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土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n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 u

5、原因：分子不规则热运动（布朗运动）u趋势：高浓度低浓度u溶质的分子扩散符合Fick第一定律：t自由水溶液：t土壤水溶液：tJd分子扩散通量；Ds扩散系数zcDJd00zcDJsd土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移u溶质扩散系数Ds :随土壤含水率的减小而减小tDs()=D0tDs()=D0 a exp(b) b=10, a=0.0010.005土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n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u产生原因：土壤孔隙不均匀，流速方

6、向和大小不同，使得溶质在水流运动中分散u溶质的机械弥散通量：u机械弥散系数Dh(v)： Dh(v)=|v|t经验常数（dispersivity）与土壤质地、结构有关t机械弥散系数还与空间尺度有关 zcvDJhh)(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n水动力弥散(hydrodynamic dispersion)：u综合考虑分子扩散与机械弥散u溶质的水动力弥散通量：t水动力弥散系数(综合扩散弥散系数)：Dsh(v,)u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zcvDzcvDDJshhssh),()()(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n溶质的混合置换：u置

7、换流体 (Displacing fluid)u被置换流体 (Displaced fluid)u穿透曲线 (BTC: Breakthrough curve)活塞流实际流动00 . 20 . 40 . 60 . 8100 . 511 . 52相对体积相对浓度土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移5.3 溶质运移的对流弥散方程n土壤溶质通量：n溶质运移连续方程(一维，不考虑源汇项)n一维溶质运移方程： 根据水流连续方程： 对流弥散方程：CDEzcvDqcJJJshshc),(zJtc)(zqczcvDztcsh)(),()(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n稳定均匀流情况下：土壤含水率 、水流通量q、

8、平均孔隙流速v均为常数，Dsh(v,)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：n考虑源汇项：uSc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zcvzcvDtcsh22),(cshSzqczcvDztc)(),()(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n考虑溶质的动态储存(沉淀/溶解、吸附/解吸附等作用)： 以吸附/解吸附为例：u瞬态（平衡等温）吸附u动力学吸附（非平衡等温吸附）cshcSzqczcvDztc)(),()(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移u瞬态（平衡等温）吸附t线性等温吸附 流动稳定情况下t非线性Freundlich 等温吸附t

9、非线性Langmuir等温吸附tcKSntcKSnctcdswdwsc)1 (1)1 ()(cKSFdw 线性阻滞因子RdcKcSKSFdmdw 1NdwcKSF 土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移u动力学吸附（非平衡等温吸附）)(54FKcKKtFr FcKcKKtFr761cKtF3 )(98FcKKtFKr 土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移课堂练习：n考虑平衡等温吸附的CDE方程如何描述？n考虑动力学吸附的CDE方程如何描述？土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移课堂练习：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 若阻滞因子若阻滞因子R=2,（不考虑

10、弥散）几天到达出口？入口投放NaCl土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n流动区、非流动区双区模型：um、im土壤水流动区和非流动区的含水率ucm、cim土壤水流动区和非流动区的溶质浓度uvm土壤水流动区的平均孔隙流速u流动区和非流动区之间溶质迁移：u质量迁移系数 zqczcvDztccmmmmshimimmm)(),()()(immimimcctc土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移思考：n试验前土柱内先通入去离子水较长时间。开始试验后，通入0.1M KCl溶液,画出K+和Cl-的穿透曲线。土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n 胡海珠，毛晓敏，王铄. 多组分离子

11、交换吸附反应-运移的土柱试验及模拟. 水文地质工程地质，2010, 4土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移5.4 土壤溶质运移与水分运动的关系n土壤水分运动对溶质运移的影响u水流通量q影响溶质对流u土壤含水率 、水流通量q（土壤平均孔隙流速v=q/）影响溶质的水动力弥散u土壤溶质的源汇项、动态储存一般与有关cshcSzqczcvDztc)(),()(土壤水动力学 第5章 土壤溶质运移n溶质对土壤水分运动的影响u溶质势： s=-cRT/(wgM) 水流通量： f0选择系数：t1：完全选择，溶质不能通过(半透膜)；t0：溶质能通过，溶质势对水流无影响t粘土层存在一定的半透膜作用，非粘土中一般可以忽略溶质势的影响u溶质的存在导致土壤导水率的降低u溶质可能影响密度，产生密度流（如海水入侵）1)(0zfzKqsm土壤水动力学 第5章 土壤