穩(wěn)態(tài)條件下土壤溶質(zhì)運移特征解析分析.pdf

1、污染物、農(nóng)業(yè)化學物質(zhì)等溶質(zhì)通過各種途徑進入到土壤，向土壤深層運移，或隨地表徑流運移，是一個復雜的過程。本論文采取理論分析、模型模擬及實驗資料驗證相結合的方法，對土壤溶質(zhì)運移的數(shù)學模型及其解析解進行研究。主要結論如下：
　　基于邊界層理論，在分別假定土壤溶質(zhì)濃度分布為n次冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的基礎上，將描述土壤溶質(zhì)濃度分布的低次冪函數(shù)解進一步推廣，得到土壤溶質(zhì)運移的n次冪函數(shù)邊界層近似解析解和指數(shù)函數(shù)邊界層近似解析解。在兩個時刻(t=3

2、60,720min)、較大距離(160～450cm)時，利用邊界層解析解對溶質(zhì)運移過程進行比較分析，模擬結果表明六次冪函數(shù)邊界層解具有較高精確度；較小的孔隙水流速度(v≤0.01cm/min)對邊界層距離影響甚??；基于較小土壤孔隙水流速(v=0.01cm/min)及測量儀器的不同靈敏度，利用邊界層距離公式對土壤溶質(zhì)運移參數(shù)反推，進行數(shù)值計算比較及誤差分析，結果表明用較高靈敏度的儀器進行測量，六次冪邊界層距離公式推求的彌散系數(shù)及延遲因子較

3、準確。
　　考慮土壤溶質(zhì)的非平衡動力學吸附和一階降解作用，將彌散度概化為溶質(zhì)運移距離的線性函數(shù)，分析考慮彌散尺度效應的反應性土壤溶質(zhì)運移的動力學特征。通過Laplace變換和復變函數(shù)理論得到了模型的解析解，利用數(shù)值反演方法以及Huang等的試驗資料驗證了解析解的正確性。利用解析解分析溶質(zhì)在土壤中的分布規(guī)律以及水動力彌散、動力學吸附、降解等作用對溶質(zhì)運移的影響。結果表明：土壤溶質(zhì)濃度隨彌散尺度效應的增強、吸附作用及降解作用的減弱而增

4、大；土壤溶質(zhì)運移的彌散尺度效應、溶質(zhì)在液相和吸附相間的線性分配作用及溶質(zhì)在液相中的降解作用，是影響土壤溶質(zhì)運移過程的主要因素。
　　在濃度已知、濃度通量及瞬時脈沖條件下，建立考慮尺度效應的變系數(shù)溶質(zhì)運移模型。通過Laplace變換和復變函數(shù)理論得到了模型的解析解，應用Huang等及Pang等的土柱中溶質(zhì)運移試驗資料對所推解析解進行驗證，模擬結果與試驗結果吻合較好。利用解析解分析尺度效應等對溶質(zhì)運移過程的影響。結果表明：隨著土壤彌散

5、尺度效應的增強，土壤中溶質(zhì)濃度分布范圍越廣，濃度峰運移的距離越大；入口彌散系數(shù)主要影響溶質(zhì)運移的范圍，而入口孔隙水流速度主要影響溶質(zhì)濃度峰運移的距離。
　　考慮彌散尺度效應、土壤溶質(zhì)的平衡-非平衡兩點吸附及降解作用，分析了有限土柱中溶質(zhì)運移的兩點吸附、降解等特征。通過Laplace變換和數(shù)值反演方法推得濃度已知、濃度通量及瞬時脈沖輸入等邊界條件下模型的半解析解。應用半解析解模擬了一維土柱中溶質(zhì)運移情況，模擬結果與Huang等及Pa

6、ng等的試驗結果吻合較好。分析了彌散尺度效應及平衡吸附點位所占比例對溶質(zhì)運移過程的影響，并對有限土柱和半無限土柱中溶質(zhì)運移過程進行了比較分析。結果表明：尺度效應越強，土壤溶質(zhì)分布范圍越廣，運移鋒面越遠；瞬時脈沖輸入條件下，溶質(zhì)濃度峰值越小；平衡吸附點位所占比例越小，溶質(zhì)運移鋒面越遠，溶質(zhì)濃度峰值越小，但對分布范圍影響不大；彌散尺度效應較大時，有限土柱中溶質(zhì)濃度與半無限土柱中的幾乎一致，只在出口附近前者較高；彌散尺度效應較小時，土壤溶質(zhì)濃

7、度恰恰相反。
　　考慮降雨、侵蝕、擴散以及入滲等作用，改進了Gao等的溶質(zhì)運移模型。應用Laplace變換及數(shù)值反演方法得到徑流層、混合層以及底層土壤溶質(zhì)濃度的半解析解式。利用Gao等的試驗資料對半解析解進行了驗證，模擬結果與試驗資料實測結果吻合較好。應用計算機模擬，分析模型參數(shù)敏感性。結果表明隨著質(zhì)量傳遞系數(shù)的增大，前期的徑流層溶質(zhì)濃度越來越高，而后期的徑流層溶質(zhì)濃度越來越低，但是差別較?。浑S著入滲率的增大，徑流層溶質(zhì)濃度越來越