中农大土壤水动力学课件05土壤溶质运移

第5章土壤溶质运移

(SoilSoluteTransport)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，20085.1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=vθcq：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

0.25m3/m3

L=2m土壤水通量(达西流速)q1m/d（不考虑弥散）几天到达出口？入口投放NaCl分子扩散(Moleculardiffusion)：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)=D0θαDs(θ)=D0aexp(bθ)b=10,a=0.001~0.005机械弥散(mechanicaldispersion)：又称对流弥散(convectiondispersion)，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(hydrodynamicdispersion)：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(Displacingfluid)被置换流体(Displacedfluid)穿透曲线(BTC:Breakthroughcurve)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/解吸附等作用)：以吸附/解吸附为例：瞬态（平衡等温）吸附动力学吸附（非平衡等温吸附）瞬态（平衡等温）吸附线性等温吸附

流动稳定情况下非线性Freundlich等温吸附非线性Langmuir等温吸附线性阻滞因子Rd动力学吸附（非平衡等温吸附）课堂练习：考虑平衡等温吸附的CDE方程如何描述？考虑动力学吸附的CDE方程如何描述？课堂练习：土壤空隙度

0.25m3/m3

L=2m土壤水通量(达西流速)q1m/d若阻滞因子R=1.5,（不考虑弥散）几天到达出口？入口投放NaCl流动区、非流动区双区模型：θm、θim—土壤水流动区和非流动区的含水率cm、cim—土壤水流动区和非流动区的溶质浓度vm—土壤水流动区的平均孔隙流速流动区和非流动区之间溶质迁移：β——质量迁移系数思考：试验前土柱内先通入去离子水较长时间。开始试验后，通入0.1MKCl溶液,画出K+和Cl-的穿透曲线。反应之前土柱被去离子水充满，这时可以认为去离子水溶解去除了土壤中大部分的杂质，土壤颗粒表面仍吸附有少量K+、Na+、Ca2+、Mg2+四种离子。之后通入0.1mol/L的KCl溶液（2PV），这时可以认为土柱中的主要置换反应是高浓度的K+置换土壤颗粒所吸附的Na+、Ca2+、Mg2+的过程。将通入溶液迅速换为0.1mol/L的NaCl溶液（1.5PV），这时发生的主要反应为溶液中高浓度Na+与土壤颗粒所吸附的K+、Ca2+、Mg2+之间的平衡吸附过程。胡海珠，毛晓敏，王铄.多组分离子交换吸附反应-运移的土柱试验及模拟.水文地质工程地质，2010,45.4土壤溶质运移与水分运动的关系土壤水分运动对溶质运移的影响水流通量q影响溶质对流土壤含水率θ

、水流通量q（土壤平均孔隙流速v=q/θ）影响溶质的水动力弥散土壤溶质的源汇项、动态储存一般与θ有关溶质对土壤水分运动的影响溶质势：ψs=-cRT/(ρwgM)

水流通量：

f0——选择系数：＝1：完全选择，溶质不能通过(半透膜)；＝0：溶质能通过，溶质势对水流无影响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溶质的存在导致土壤导水率的降低溶质可能影响密度，产生密度流（如海水入侵）土壤水盐耦合运移：水、溶质方程联合求解忽略溶质对水分运动的影响：先求解水流方程，然后求解