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1、土壤水動力學(SoilWaterDynamics)第5章土壤溶質運移(SoilSoluteTransport)尚松浩清華大學水利水電工程系水文水資源研究所Email:shangsh@mail.tsinghua.edu.cn第5章土壤溶質運移土壤溶質運移及其基本方程土壤溶質運移的其它分析方法土壤溶質運移的數(shù)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,19985.1土壤溶質運移及其基本方程土壤溶質土壤溶質運移的對流與彌散溶質運移的對流－彌散方程土壤中溶質運移與水分運動的關系5.1.1土壤溶
2、質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土
3、壤生物活動：游離的氨基酸、糖類等可溶性有機物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…土壤溶液的性質：濃度與活度：濃度:質量濃度(kg/m3)、摩爾濃度(mol/m3)…離子活度：實際溶液中離子的有效濃度或熱力學濃度離子強度：導電性酸堿性氧化還原性土壤溶質的物理、化學、生物變化過程：溶解與沉降吸附與交換水解與絡合氧化還原生物化學過程：有機質分解，氮素轉化…土壤溶質的運移對流——隨土壤水分運動的運移擴散——土壤溶液濃度梯度所引起的溶質運移彌散——土壤孔隙中水的微觀流速的不均勻性所
4、產(chǎn)生的運移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5.1.2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
5、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)：
6、Dh(v)=λ
7、v
8、經(jīng)驗常數(shù)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)5.1.3溶質運移的對流－彌散方程土
9、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(沉淀與溶解)：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)
10、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)5.1.4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
