土壤水動(dòng)力學(xué)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)毛 曉 敏 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院Tel:mail: 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研究意義n土壤溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理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n土壤溶質(zhì)運(yùn)移的其它分析方法土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移參考資料：n李韻珠，李保國(guó). 土壤溶質(zhì)運(yùn)移. 北京：科學(xué)出版社, 1998n楊金忠，蔡樹(shù)英，黃冠華，葉自桐. 多孔介質(zhì)中水分及溶質(zhì)運(yùn)移的隨機(jī)理論. 北京：科學(xué)出版社，2000n王全九，邵明

2、安，鄭紀(jì)勇. 土壤中水分運(yùn)動(dòng)與溶質(zhì)遷移. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2007n任理，毛萌. 農(nóng)藥在土壤中運(yùn)移的模擬以阿特拉津（莠去津）為例. 北京：科學(xué)出版社，2008土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移5.1 研究意義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(lèi)、有機(jī)金屬離子絡(luò)合物t有機(jī)污染物：酚類(lèi)、苯胺類(lèi)、硝基苯類(lèi)、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(wú)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(wú)機(jī)污染物：鉛、鎬、汞等重金屬元素；氟、砷和硒等非金屬元素

3、；無(wú)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(lái)源：u自然來(lái)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地下水中的鹽分隨潛水蒸發(fā)的遷移u人工來(lái)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土壤溶質(zhì)的運(yùn)動(dòng)：u主要物理過(guò)程t隨土壤水分運(yùn)動(dòng)（對(duì)流、彌散） t在自身濃度梯度下運(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散） u其他物理、化學(xué)生物反應(yīng)：t土壤吸附t離子交換 t溶解沉淀t氧化還原t植物吸收、生物降解t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)

4、 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移5.2 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(mài)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)移課堂練習(xí)：土壤空隙度 0.25 m3/m3 L=2 m土壤水通量(達(dá)西流速)q 1 m/d （不考慮彌散）幾天到達(dá)出口？入口投放NaCl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

5、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而減小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(chēng)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(guò)程u產(chǎn)生原因：土壤孔隙不均勻，流速方

6、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)械彌散通量：u機(jī)械彌散系數(shù)Dh(v)： Dh(v)=|v|t經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（dispersivity）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(guò)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

7、換流體 (Displacing fluid)u被置換流體 (Displaced fluid)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)濃度土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移5.3 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)(),()(土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n穩(wěn)定均勻流情況下：土壤含水率 、水流通量q、

8、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/溶解、吸附/解吸附等作用)： 以吸附/解吸附為例：u瞬態(tài)（平衡等溫）吸附u動(dòng)力學(xué)吸附（非平衡等溫吸附）cshcSzqczcvDztc)(),()(土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移u瞬態(tài)（平衡等溫）吸附t線性等溫吸附 流動(dòng)穩(wěn)定情況下t非線性Freundlich 等溫吸附t

9、非線性Langmuir等溫吸附tcKSntcKSnctcdswdwsc)1 (1)1 ()(cKSFdw 線性阻滯因子RdcKcSKSFdmdw 1NdwcKSF 土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移u動(dòng)力學(xué)吸附（非平衡等溫吸附）)(54FKcKKtFr FcKcKKtFr761cKtF3 )(98FcKKtFKr 土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移課堂練習(xí)：n考慮平衡等溫吸附的CDE方程如何描述？n考慮動(dòng)力學(xué)吸附的CDE方程如何描述？土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移課堂練習(xí)：土壤空隙度 0.25 m3/m3 L=2 m土壤水通量(達(dá)西流速)q 1 m/d 若阻滯因子若阻滯因子R=2,（不考慮

10、彌散）幾天到達(dá)出口？入口投放NaCl土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移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(mài)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) zqczcvDztccmmmmshimimmm)(),()()(immimimcctc土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移思考：n試驗(yàn)前土柱內(nèi)先通入去離子水較長(zhǎng)時(shí)間。開(kāi)始試驗(yàn)后，通入0.1M KCl溶液,畫(huà)出K+和Cl-的穿透曲線。土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移n 胡海珠，毛曉敏，王鑠. 多組分離子

11、交換吸附反應(yīng)-運(yùn)移的土柱試驗(yàn)及模擬. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010, 4土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤溶質(zhì)運(yùn)移5.4 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(guò)(半透膜)；t0：溶質(zhì)能通過(guò)，溶質(zhì)勢(shì)對(duì)水流無(wú)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u溶質(zhì)可能影響密度，產(chǎn)生密度流（如海水入侵）1)(0zfzKqsm土壤水動(dòng)力學(xué) 第5章 土壤