中農(nóng)大土壤水動力學課件05土壤溶質運移

第5章土壤溶質運移

(SoilSoluteTransport)第5章土壤溶質運移研究意義土壤溶質運移機理溶質運移的對流－彌散方程土壤中溶質運移與水分運動的關系土壤溶質運移的其它分析方法參考資料：李韻珠，李保國.土壤溶質運移.北京：科學出版社,1998楊金忠，蔡樹英，黃冠華，葉自桐.多孔介質中水分及溶質運移的隨機理論.北京：科學出版社，2000王全九，邵明安，鄭紀勇.土壤中水分運動與溶質遷移.北京：中國水利水電出版社，2007任理，毛萌.農(nóng)藥在土壤中運移的模擬——以阿特拉津（莠去津）為例.北京：科學出版社，20085.1研究意義土壤液相是包含各種溶質的水溶液有機溶質：可溶性有機物：氨基酸、腐殖酸、糖類、有機－金屬離子絡合物有機污染物：酚類、苯胺類、硝基苯類、有機氯農(nóng)藥、有機磷農(nóng)藥、阿特拉津、丙烯腈和丙烯醛…無機溶質：八大離子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-其它微量離子：Fe3+、Cu2+…無機污染物：鉛、鎬、汞等重金屬元素；氟、砷和硒等非金屬元素；無機氮溶質形態(tài)：離子態(tài)、水合態(tài)、絡合態(tài)土壤溶液中溶質的來源：自然來源：降水帶入的可溶鹽：濱海地區(qū)，火山噴發(fā)，工業(yè)廢氣土壤基質中鹽分溶解地下水中的鹽分隨潛水蒸發(fā)的遷移人工來源：灌溉、排污、農(nóng)藥及化肥的施用…土壤溶質的運動：主要物理過程隨土壤水分運動（對流、彌散）在自身濃度梯度下運動（擴散）其他物理、化學生物反應：土壤吸附離子交換溶解沉淀氧化還原植物吸收、生物降解……土壤溶質運移研究的意義土壤鹽堿化發(fā)生規(guī)律與防治土壤污染——糧食、生態(tài)地下水污染5.2土壤溶質運移機理

——對流、分子擴散與機械彌散對流(Convection)：溶質隨土壤水分的運動而運移溶質對流通量：Jc=qc=vθcq：土壤水通量c：土壤水溶液的質量濃度v=q/θ：土壤水溶液的平均孔隙流速對流作用下溶質的穿透時間：tL=L/v=Lθ/q課堂練習：土壤空隙度

0.25m3/m3

L=2m土壤水通量(達西流速)q1m/d（不考慮彌散）幾天到達出口？入口投放NaCl分子擴散(Moleculardiffusion)：不同濃度的溶質間在濃度梯度的作用下產(chǎn)生的質量交換原因：分子不規(guī)則熱運動（布朗運動）趨勢：高濃度→低濃度溶質的分子擴散符合Fick第一定律：自由水溶液：土壤水溶液：Jd——分子擴散通量；Ds——擴散系數(shù)溶質擴散系數(shù)Ds:隨土壤含水率的減小而減小Ds(θ)=D0θαDs(θ)=D0aexp(bθ)b=10,a=0.001~0.005機械彌散(mechanicaldispersion)：又稱對流彌散(convectiondispersion)，由于土壤水流和土壤孔隙結構相互作用使溶質在土壤孔隙中運移和分散的過程產(chǎn)生原因：土壤孔隙不均勻，流速方向和大小不同，使得溶質在水流運動中分散溶質的機械彌散通量：機械彌散系數(shù)Dh(v)：Dh(v)=λ|v|經(jīng)驗常數(shù)（dispersivity）λ與土壤質地、結構有關機械彌散系數(shù)還與空間尺度有關水動力彌散(hydrodynamicdispersion)：綜合考慮分子擴散與機械彌散溶質的水動力彌散通量：水動力彌散系數(shù)(綜合擴散－彌散系數(shù))：Dsh(v,θ)當土壤水流速度較大時，機械彌散作用超過擴散作用；土壤溶液靜止時，只有分子擴散作用溶質的混合置換：置換流體(Displacingfluid)被置換流體(Displacedfluid)穿透曲線(BTC:Breakthroughcurve)5.3溶質運移的對流－彌散方程土壤溶質通量：溶質運移連續(xù)方程(一維，不考慮源匯項)一維溶質運移方程：

根據(jù)水流連續(xù)方程：對流－彌散方程：CDE穩(wěn)定均勻流情況下：土壤含水率θ

、水流通量q、平均孔隙流速v均為常數(shù)，Dsh(v,θ)為常數(shù)，CDE簡化為線性PDE，在一些簡單情況下可以求出解析解：考慮源匯項：Sc——單位時間、單位體積土壤中由于化學、生物作用所生成（消失減少）的溶質質量考慮溶質的動態(tài)儲存(沉淀/溶解、吸附/解吸附等作用)：以吸附/解吸附為例：瞬態(tài)（平衡等溫）吸附動力學吸附（非平衡等溫吸附）瞬態(tài)（平衡等溫）吸附線性等溫吸附

流動穩(wěn)定情況下非線性Freundlich等溫吸附非線性Langmuir等溫吸附線性阻滯因子Rd動力學吸附（非平衡等溫吸附）課堂練習：考慮平衡等溫吸附的CDE方程如何描述？考慮動力學吸附的CDE方程如何描述？課堂練習：土壤空隙度

0.25m3/m3

L=2m土壤水通量(達西流速)q1m/d若阻滯因子R=1.5,（不考慮彌散）幾天到達出口？入口投放NaCl流動區(qū)、非流動區(qū)雙區(qū)模型：θm、θim—土壤水流動區(qū)和非流動區(qū)的含水率cm、cim—土壤水流動區(qū)和非流動區(qū)的溶質濃度vm—土壤水流動區(qū)的平均孔隙流速流動區(qū)和非流動區(qū)之間溶質遷移：β——質量遷移系數(shù)思考：試驗前土柱內(nèi)先通入去離子水較長時間。開始試驗后，通入0.1MKCl溶液,畫出K+和Cl-的穿透曲線。反應之前土柱被去離子水充滿，這時可以認為去離子水溶解去除了土壤中大部分的雜質，土壤顆粒表面仍吸附有少量K+、Na+、Ca2+、Mg2+四種離子。之后通入0.1mol/L的KCl溶液（2PV），這時可以認為土柱中的主要置換反應是高濃度的K+置換土壤顆粒所吸附的Na+、Ca2+、Mg2+的過程。將通入溶液迅速換為0.1mol/L的NaCl溶液（1.5PV），這時發(fā)生的主要反應為溶液中高濃度Na+與土壤顆粒所吸附的K+、Ca2+、Mg2+之間的平衡吸附過程。胡海珠，毛曉敏，王鑠.多組分離子交換吸附反應-運移的土柱試驗及模擬.水文地質工程地質，2010,45.4土壤溶質運移與水分運動的關系土壤水分運動對溶質運移的影響水流通量q影響溶質對流土壤含水率θ

、水流通量q（土壤平均孔隙流速v=q/θ）影響溶質的水動力彌散土壤溶質的源匯項、動態(tài)儲存一般與θ有關溶質對土壤水分運動的影響溶質勢：ψs=-cRT/(ρwgM)

水流通量：

f0——選擇系數(shù)：＝1：完全選擇，溶質不能通過(半透膜)；＝0：溶質能通過，溶質勢對水流無影響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勢的影響溶質的存在導致土壤導水率的降低溶質可能影響密度，產(chǎn)生密度流（如海水入侵）土壤水鹽耦合運移：水、溶質方程聯(lián)合求解忽略溶質對水分運動的影響：先求解水流方程，然后求解