不流动水对黄土包气带溶质运移影响的实验研究

本文利用自动控制负压方法进行了非饱和条件下的黄土不流动水溶质运移实验，并用MIENESOR模型及其计算机程序模拟了该实验，得到不流动含水量比例系数为0.47、流动水与不流动水之间的浓度传输率为0.003/d。参数的灵敏度分析表明：同样条件下，不流动含水量比例系数最敏感，其值越大，溶质迁移越快；流动水与不流动水之间的浓度传输率影响溶质穿透曲线的峰位，其值越大，峰位越低。在研究黄土包气带污染质运移时，应密切关注这两个参数。     

溶质运移理论的发展

关于土壤或地下水受到污染的问题,其实质是可溶性污染物在水流作用下在土壤或含水层中的运移结果,研究此问题而兴起的一门学科就是溶质运移理论。介绍了溶质运移模型、溶质运移的室内外试验研究成果和溶质运移数值模拟方法的研究现状。     

一维非饱和溶质随机运移模型的谱分析

本文根据宏观尺度条件下溶质运移的随机特征，在不考虑孔隙弥散的条件下，对一维非饱和溶质运移方程进行了简化。假设流速场及溶质浓度无普空间平稳随机函数，通过对一维非饱和溶运移的简化方程进行平均处理，导出了与小尺度对流一弥散方程相似的宏观尺度溶质运移的基本方程，并由谱分析导出了宏观弥散系数及溶质浓度方差的表达式。应用宏观尺度溶驼移方程为基础的数学模型对野外盐分迁移过程进行了模拟。模拟所得的溶质平均浓度及浓     

基于时空分数阶导数模型的潜流带溶质运移模拟

为弥补传统整数阶导数对流-弥散方程在潜流带溶质运移模拟时难以描述介质非均质性引起的溶质运移的不足,在潜流带溶质运移模型中引入时空分数阶导数项,分别从一维和二维角度出发对分数阶导数方法在潜流带溶质运移模拟中的适用性进行讨论。研究发现：时间分数阶阶数α体现溶质运移过程的滞时效应,使穿透曲线具有明显的拖尾特征;空间分数阶阶数β刻画介质非均质性引起的溶质超扩散现象。参数敏感性分析结果表明：引入分数阶方法相较于传统对流-弥散方程使得方程对流速和弥散系数改变的敏感性增强,解决了传统整数阶方法无法准确描述潜流带中介质强非均质性的缺陷。野外示踪试验进一步证明：由于潜流带中介质非均质性强且存在多维流的特点,传统二维整数阶对流扩散方程对溶质运移过程刻画存在不足;一维分数阶导数模型在模拟潜流带溶质运移时,能够更准确计算溶质浓度峰现时间,描述穿透曲线拖尾现象;二维分数阶导数模型受到不同方向参数设置的影响,在没有纵深方向介质差异导致的水流、介质参数差异的前提下,模拟水平面内溶质扩散过程更具适用性。     

季节性冻土区包气带土壤水分运移规律的研究

季节性冻土区由于冻融变化的存在，使气带土壤水分运移复杂化。为了研究季节性冻土区包气带土壤水分运移规律及正确确定潜水补给量及蒸发量，在黑龙江省肇 县建立了地下水试验站。该站位于松嫩平原低平原区，包气带为厚７．９ｍ的共土状亚粘土层，结构均一，无理解隙大孔隙发育，下部为细砂潜水含水怪。潜水含水层地下水以重向交替为主，水平长流滞缓。且无人工开采。该站通过气象、包气带土壤水分含量及土水势能的观测来研究包气带     

非饱和土壤中吸附性溶质运移的基本方程和参数结构

本文应用随机场的谱分析方法，研究了吸附性溶质在非饱和，非均匀土体中运动时平均浓度所遵循的基本方程。当非饱和水分运动以重务为主要作用力时，设经对数变换后的土壤饱和渗透系数，吸附系数和α参数为正态平稳随机场，求得了宏观弥散度的解析表达式。研究结果表明，宏观散度由三部分组成，分别来源于非饱和渗透系数的自相关函数，非饱和渗透系数吸附参数的互相关函数，以及吸附参数的自相关函数。     

细土平原区包气带水分运移及与潜水转化关系的研究

以试验模拟剖面在不同潜水埋深条件下的负压观测资料为依据，用土壤水能量的观点，探讨了天山北麓细土平原区包气带水分的运移规律及其与潜水的转化关系。试验研究成果对农业生态环境、水盐运移、三水转化及区域水循环等均有重要意义。同时，对其它内陆干旱平原区包气带的研究也具有一定意义和参考价值。     

非稳定流条件下非饱和均质土壤溶质运移的传递函数解

根据溶质运移的传递函数模型Tromsfer Function Model, TFM理论，研究了非稳定流条件下非饱和均质土壤中表施和原有NO-3 N及原有Cl-的运移。由极大似然法估算了模型参数μ和σ2，求出了溶质运移的概率密度函数，计算了NO-3 -N的淋失量，并利用土壤中原有Cl-的动态，对NO-3 N的迁移过程进行了模拟，同时还估算了溶质的中值迁移时间tm和均值迁移时间相应的运移体积θst和θst。     

粗糙元对单裂隙中溶质运移影响模拟研究

裂隙的粗糙度对单裂隙中的溶质运移有着重要的影响,然而粗糙元的形状(粗糙裂隙壁面上的各种凸起/坑洼)对单裂隙中溶质运移的影响机理尚未完全清楚。该研究通过求解纳维—斯托克斯方程和溶质运移方程模拟了具有不同粗糙元形状(矩形、梯形、三角形)的单裂隙中的溶质运移,并利用稀释指数量化了裂隙内溶质的空间分布。模拟结果表明粗糙元起始处的切线方向与流线的夹角越大,则发育的涡流体积越大,引起的溶质非均匀流动越明显;对溶质运移突破曲线和停留时间分布的分析表明随着流速的增加,溶质运移逐渐由费克运移转变为非费克运移,其相应的突破曲线表现出越来越显著的"早到"和"拖尾"特征;粗糙元密度与停留时间分布的幂律拟合参数b之间存在明显的正相关关系;对于相同的雷诺数,矩形粗糙元引起的非费克行为比梯形和三角形粗糙元更显著。该研究有助于进一步完善粗糙裂隙溶质运移理论。     

大空隙流变化对溶质运移的影响试验研究

本试验设计3个来自Armagosa沙漠研究站的相似原状土柱在基模势为0、-2、-5、-10cm水头状态下,分别进行保守溶质置换试验,获取12条溶质穿透曲线。改进的特征半径指数用于定量分离各基模势区间,并计算有效水力传导孔隙度描述大空隙流的变化过程。同时,基于对流扩散方程(CDE)的确定性双区模型用于拟合各个状态下溶质运动的特征参数。试验结果显示,改进后的特征半径指数和大孔隙有效传导空隙度能很好定量大空隙流变化。在大空隙流发生时,溶质运移主要受到大空隙流对流作用影响,机械弥散作用变化不大。随着大空隙流的衰减,大空隙流与基质流的侧向交换过程逐渐成为溶质穿透过程的主要影响因素。大空隙流发生与基模势的关系有利于进一步分离研究土壤非均质流与溶质交互过程。     

考虑弥散尺度效应与不动水体的反应性溶质运移动力学模型及半解析解

将弥散度概化为运移距离的渐进函数,并考虑土壤孔隙中存在的不动水体以及溶质的吸附和降解,建立了考虑弥散尺度效应的溶质运移两区模型(TRMS,Two-Region Model with Scale-dependent Dispersion),通过Laplace变换和de Hoog数值反演方法求得了模型的半解析解,并运用混合拉普拉斯变换有限差分法验证了半解析解的准确性。通过TRMS与弥散度为常数的两区模型(TRMC,Two-Region Model with Constant Dispersion)之间的比较,分析了弥散尺度效应对溶质运移过程的影响,并利用算术平均方法计算了TRMS的等效弥散度,最后应用TRMS和TRMC模拟了长度为1250cm的一维非均质土柱中的溶质运移过程。结果表明:TRMS的等效弥散度反映了弥散尺度效应的影响,可以近似作为区域弥散度的平均值,采用等效弥散度时,TRMC描述的穿透曲线与TRMS的模拟结果基本一致;TRMC的模拟结果与非均质长土柱的浓度实测值存在较大偏差,而TRMS的模拟精度有了较大程度的提高,能够更好地模拟非均质长土柱中溶质的不规则运移过程,说明本文建立的TRMS能够较好地模拟非均质介质中溶质在较大尺度上的运移过程。     

利用同一土柱测定土壤水分和保守性溶质运移参数

利用数学模型预测土壤水分和溶质运移过程的准确性取决于所涉及的水力参数和土壤溶质运移参数的可靠性和精度。目前由于实验系统和研究方法的限制,在测定水力参数和溶质运移参数时所采用的土壤样本不一致,产生了样本误差。本文建立了利用同一土壤样本测定水力参数和溶质运移参数方法,即首先进行水平一维入渗实验,待土壤饱和后改换为供溶液试验,测定土壤边界层随时间的变化过程从而计算出溶质运移参数。与传统的利用土壤溶质穿透曲线获得参数的方法比较表明,本文提出的方法是可行的。     

区域饱和-非饱和多孔介质的溶质运移简化模型

在迭代求解区域饱和非饱和拟三维渗流模型的基础上,建立区域溶质运移简化模型。该模型将溶质运动在非饱和带简化为一维垂直运动,饱和带简化为二维剖面运动,在非饱和带与饱和带分别形成对流_弥散方程,并通过维持近饱和带溶质质量守恒组成统一的系统,采用有限单元法数值处理技巧,在同一个矩阵方程中求解饱和与非饱和含水层的浓度变化。该模型无需迭代计算,大大减少工作量,为求解区域溶质运移问题提供了新方法。算例验证表明,区域溶质运移简化模型技术可行,结果可信。     

细土平原区包气带水分运移及与潜水转化关系的研究

以试验模拟剖面在不同潜水埋深条件下的负压观测资料为依据 ,用土壤水能量的观点 ,探讨了天山北麓细土平原区包气带水分的运移规律及其与潜水的转化关系。试验研究成果对农业生态环境、水盐运移、三水转化及区域水循环等均有重要意义。同时 ,对其它内陆干旱平原区包气带的研究也具有一定意义和参考价值     

Effect of immobile water content on contaminant transport in unsaturated zone

The effect of immobile water content on contaminant advection and dispersion in unsaturated porous media has been studied using a formulation which assumes that even in the immobile liquid zone, there occurs minor liquid flow. An approach is proposed for computing this liquid velocity. One dimensional numerical simulation is carried out to study the effect of immobile water content on the time of appearance of contaminant at the bottom of an unsaturated column. The numerical model developed is verified using analytical solutions for simple advective-dispersive cases. From the simulations, it was observed that increase in the immobile water content leads to quicker appearance of contaminant.