穩(wěn)態(tài)條件下土壤溶質(zhì)運(yùn)移特征解析分析.pdf

1、污染物、農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)等溶質(zhì)通過各種途徑進(jìn)入到土壤，向土壤深層運(yùn)移，或隨地表徑流運(yùn)移，是一個(gè)復(fù)雜的過程。本論文采取理論分析、模型模擬及實(shí)驗(yàn)資料驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)土壤溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型及其解析解進(jìn)行研究。主要結(jié)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(chǔ)上，將描述土壤溶質(zhì)濃度分布的低次冪函數(shù)解進(jìn)一步推廣，得到土壤溶質(zhì)運(yùn)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(gè)時(shí)刻(t=3

2、60,720min)、較大距離(160～450cm)時(shí)，利用邊界層解析解對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移過程進(jìn)行比較分析，模擬結(jié)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(duì)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(cè)量儀器的不同靈敏度，利用邊界層距離公式對(duì)土壤溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)反推，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算比較及誤差分析，結(jié)果表明用較高靈敏度的儀器進(jìn)行測(cè)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(zhǔn)確。
　　考慮土壤溶質(zhì)的非平衡動(dòng)力學(xué)吸附和一階降解作用，將彌散度概化為溶質(zhì)運(yùn)移距離的線性函數(shù)，分析考慮彌散尺度效應(yīng)的反應(yīng)性土壤溶質(zhì)運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)特征。通過Laplace變換和復(fù)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(yàn)資料驗(yàn)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(dòng)力彌散、動(dòng)力學(xué)吸附、降解等作用對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響。結(jié)果表明：土壤溶質(zhì)濃度隨彌散尺度效應(yīng)的增強(qiáng)、吸附作用及降解作用的減弱而增

4、大；土壤溶質(zhì)運(yùn)移的彌散尺度效應(yīng)、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(yùn)移過程的主要因素。
　　在濃度已知、濃度通量及瞬時(shí)脈沖條件下，建立考慮尺度效應(yīng)的變系數(shù)溶質(zhì)運(yùn)移模型。通過Laplace變換和復(fù)變函數(shù)理論得到了模型的解析解，應(yīng)用Huang等及Pang等的土柱中溶質(zhì)運(yùn)移試驗(yàn)資料對(duì)所推解析解進(jìn)行驗(yàn)證，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。利用解析解分析尺度效應(yīng)等對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移過程的影響。結(jié)果表明：隨著土壤彌散

5、尺度效應(yīng)的增強(qiáng)，土壤中溶質(zhì)濃度分布范圍越廣，濃度峰運(yùn)移的距離越大；入口彌散系數(shù)主要影響溶質(zhì)運(yùn)移的范圍，而入口孔隙水流速度主要影響溶質(zhì)濃度峰運(yùn)移的距離。
　　考慮彌散尺度效應(yīng)、土壤溶質(zhì)的平衡-非平衡兩點(diǎn)吸附及降解作用，分析了有限土柱中溶質(zhì)運(yùn)移的兩點(diǎn)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(shí)脈沖輸入等邊界條件下模型的半解析解。應(yīng)用半解析解模擬了一維土柱中溶質(zhì)運(yùn)移情況，模擬結(jié)果與Huang等及Pa

6、ng等的試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。分析了彌散尺度效應(yīng)及平衡吸附點(diǎn)位所占比例對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移過程的影響，并對(duì)有限土柱和半無限土柱中溶質(zhì)運(yùn)移過程進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：尺度效應(yīng)越強(qiáng)，土壤溶質(zhì)分布范圍越廣，運(yùn)移鋒面越遠(yuǎn)；瞬時(shí)脈沖輸入條件下，溶質(zhì)濃度峰值越??；平衡吸附點(diǎn)位所占比例越小，溶質(zhì)運(yùn)移鋒面越遠(yuǎn)，溶質(zhì)濃度峰值越小，但對(duì)分布范圍影響不大；彌散尺度效應(yīng)較大時(shí)，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(yīng)較小時(shí)，土壤溶質(zhì)濃

7、度恰恰相反。
　　考慮降雨、侵蝕、擴(kuò)散以及入滲等作用，改進(jìn)了Gao等的溶質(zhì)運(yùn)移模型。應(yīng)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(yàn)資料對(duì)半解析解進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬結(jié)果與試驗(yàn)資料實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬，分析模型參數(shù)敏感性。結(jié)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??；隨著入滲率的增大，徑流層溶質(zhì)濃度越來越