1、土壤水動力學 (Soil Water Dynamics)第5章 土壤溶質運移 (Soil Solute Transport)尚 松 浩清華大學 水利水電工程系 水文水資源研究所Email: 土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移第5章 土壤溶質運移n土壤溶質運移及其基本方程n土壤溶質運移的其它分析方法n土壤溶質運移的數值模擬 參考文獻：李韻珠，李保國. 土壤溶質運移. 北京：科學出版社, 1998土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移5.1 土壤溶質運移及其基本方程n土壤溶質n土壤溶質運移的對流與彌散n溶質運移的對流彌散方程n土壤中溶質運移與水分運動的關系土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移5.1.1

2、土壤溶質n土壤液相是包含各種溶質的水溶液u有機溶質：t可溶性有機物：氨基酸、腐殖酸、糖類、有機金屬離子絡合物t有機污染物：酚類、苯胺類、硝基苯類、有機氯農藥、有機磷農藥、阿特拉津、丙烯腈和丙烯醛u無機溶質：t八大離子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、CO32-、 HCO3-t其它微量離子：Fe3+、Cu2+t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u溶質形態：離子態、水合態、絡合態土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n土壤溶液中溶質的來源：u自然來源：t降水帶入的可溶鹽：濱海地區，火山噴發，工業廢氣t土壤基質中鹽分溶解t土壤生物活動：游離的氨基酸、

3、糖類等可溶性有機物t地下水中的鹽分隨潛水蒸發的遷移u人工來源：灌溉、排污、農藥及化肥的施用土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n土壤溶液的性質：u濃度與活度：t濃度: 質量濃度(kg/m3)、摩爾濃度(mol/m3)t離子活度：實際溶液中離子的有效濃度或熱力學濃度t離子強度：u導電性u酸堿性u氧化還原性土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n土壤溶質的物理、化學、生物變化過程：u溶解與沉降u吸附與交換u水解與絡合u氧化還原u生物化學過程：有機質分解，氮素轉化un土壤溶質的運移u對流隨土壤水分運動的運移u擴散土壤溶液濃度梯度所引起的溶質運移u彌散土壤孔隙中水的微觀流速的不均勻性 所產生的運移土壤水動力

4、學 第5章 土壤溶質運移n土壤溶質運移研究的意義u土壤鹽堿化發生規律與防治u土壤污染糧食、生態u地下水污染土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移5.1.2 土壤溶質運移機理 對流、分子擴散與機械彌散n對流(Convection)：溶質隨土壤水分的運動而運移u溶質對流通量：Jc=qc=vctq：土壤水通量tc：土壤水溶液的質量濃度tv=q/：土壤水溶液的平均孔隙流速u對流作用下溶質的穿透時間：tL=L/v=L/q土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n分子擴散(Molecular diffusion) ：不同濃度的溶質間在濃度梯度的作用下產生的質量交換 u原因：分子不規則熱運動（布朗運動）u趨勢：高濃度

5、低濃度u溶質的分子擴散符合Fick第一定律：t自由水溶液：t土壤水溶液：tJd分子擴散通量；Ds擴散系數zcDJd00zcDJsd土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移u溶質擴散系數Ds ：隨土壤含水率的減小tDs()=D0tDs()=D0 a exp(b) b=10, a=0.0010.005土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n機械彌散(mechanical dispersion)：又稱對流彌散(convection dispersion)，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u產生原因：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u溶質的機械彌散

6、通量：u機械彌散系數Dh(v)： Dh(v)=|v|t經驗常數與土壤質地、結構有關t機械彌散系數還與空間尺度有關 zcvDJhh)(土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n水動力彌散(hydrodynamic dispersion)：u綜合考慮分子擴散與機械彌散u溶質的水動力彌散通量：t水動力彌散系數(綜合擴散彌散系數)：Dsh(v,)u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zcvDzcvDDJshhssh),()()(土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n溶質的混合置換：u置換流體 (Displacing fluid)u被置換流體 (Displaced f

7、luid)u穿透曲線 (BTC: Breakthrough curve)活塞流實際流動00.20.40.60.8100.511.52相對體積相對時間土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移5.1.3 溶質運移的對流彌散方程n土壤溶質通量：n溶質運移連續方程(一維，不考慮源匯項)n一維溶質運移方程： 根據水流連續方程： 對流彌散方程：CDEzcvDqcJJJshshc),(zJtc)(zqczcvDztcsh)(),()(zcqzcvDztcsh),(土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n穩定流情況下：土壤含水率 、水流通量q、平均孔隙流速v均為常數，Dsh(v,)為常數，CDE簡化為線性PDE，在一些

8、簡單情況下可以求出解析解：n考慮源匯項：uSc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zcvzcvDtcsh22),(cshSzqczcvDztc)(),()(土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n考慮溶質的動態儲存(沉淀與溶解)：n流動區、非流動區雙區模型：um、im土壤水流動區和非流動區的含水率ucm、cim土壤水流動區和非流動區的溶質濃度uvm土壤水流動區的平均孔隙流速u流動區和非流動區之間溶質遷移：u質量遷移系數 cshcSzqczcvDztc)(),()(zqczcvDztccmmmmshimimmm)(),()()(immimimcctc土壤水動力學 第

9、5章 土壤溶質運移5.1.4 土壤溶質運移與水分運動的關系n土壤水分運動對溶質運移的影響u水流通量q影響溶質對流u土壤含水率 、水流通量q（土壤平均孔隙流速v=q/）影響溶質的水動力彌散u土壤溶質的源匯項、動態儲存一般與有關cshcSzqczcvDztc)(),()(土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n溶質對土壤水分運動的影響u溶質勢： s=-cRT/(wgM) 水流通量： f0選擇系數：t1：完全選擇，溶質不能通過(半透膜)；t0：溶質能通過，溶質勢對水流無影響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勢的影響u溶質的存在導致土壤導水率的降低1)(0zfzKqsm土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移n土壤溶質運移模型的其它問題：u二維、三維：u多組分溶質反應運移u參數：t尺度效應t縱向彌散系數、橫向彌散系數u土壤水鹽耦合運移：t水、溶質方程聯合求解t忽略溶質對水分運動的影響：先求解水流方程，然后求解溶質運移方程土壤水動力學 第5章 土壤溶質運移5.2 土壤溶質運移的其它