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水及溶质在有大孔隙的土壤中运移机制研究

冯杰  
【摘要】: 本文通过室内外实验和数学模型对水及溶质在有大孔隙的土壤中运移机制 进行了研究,主要内容如下: ●详细评述了水及溶质在有大孔隙的土壤中运移的研究背景与目的意义、影 响因素、实验研究、模型研究以及分形理论的应用。 ●对取自南京郊区耕地的原状土柱进行CT扫描实验,得到土柱各横断面的CT 扫描图像,采用地理信息系统软件软件ARC/INFO和MapInfo处理图像, 得到了大孔隙在土柱横断面和纵断面上的分布,采用配线法确定大孔隙的 大小在土柱横断面的分布为对数Γ分布。 ●对取自山东聊城耕地的原状土柱进行CT扫描实验,指出南京土壤和聊城土 壤由于形成机理和存在条件的不同,形成大孔隙的原因不同,大孔隙在土 柱横断面和纵断面上的分布各不相同。 ●采用离心机法测定原状土和回填上的土壤水特性曲线,指出回填土由于破 坏了土壤原有的大孔隙结构,土壤变得均质化,导致其土壤水分特征曲线 与原状土不同。 ●通过对回填土和原状土中含水率实验结果进行比较分析,指出回填土和原 状土含水率的变化呈现不同分布特征:一是回填土的含水率变化的规律性 更明显;二是除表层外,回填土的含水率较原状土的大,并且随着深度增 加,二者差值有增大趋势。 ●通过对回填土和原状土中溶质浓度实验结果进行比较分析,指出回填土中 水分运动和溶质运移的速度显著低于原状土,回填土和原状土都有位置深 的检测点先于其上面的检测点出现溴离子的现象;土壤中反硝化强度随厌 氧程度的增加而增强,增大含水量有利于反硝化作用,回填土由于水分下 移受阻,下渗水在此积累,含水率接近饱和,硝酸根离子的浓度远低于其 在原状土相应深度的浓度。 ●建立了描述土壤水分运动和溶质运移的基本方程,介绍了方程中的参数处 理以及方程的边界和初始条件。采用有限差分法求方程的数值解。针对含 有大孔隙土壤中水及溶质的运移,提出根据土壤中大孔隙的分布,将模拟 区域划分为大孔隙域和基质域,两域采用各自的饱和水力传导度和弥散度, 摘 要 一 建立具有一定传导特征的大孔隙网络结构,对模拟区域作整体处理,采用 同一的土壤水特性曲线,运用水分运动基本方程和溶质运移基本方程进行 求解的模拟方法。 .根据土壤质地和实验资料计算出基质域和大孔隙域的饱和水力传导度,可 知大孔隙域的饱和水力传导度比基质域的大两个数量级。 .根据CT扫描得到的土壤大孔隙分布、离心机法测得的土壤水分特征曲线以 及土壤大孔隙和基质的饱和水力传导度和弥散度,采用提出的模拟方法分 别模拟了水及滨离子在原状土和口填土中的运移,得到了原状土和回填土 中滨离子在各时刻的运移图。土壤水分模拟结果与实验结果基本上是吻合 的,痪离子模拟的运移趋势与实验结果是一致的。从原状土和回填土滨离 子在各时刻的运移图可知,随着时间的推移,溪离子优先沿着大孔隙域下 移,特别是在降雨强度大于土壤基质饱和水力传导度时。由于原状土中有 连接到地下水层的大孔隙,溪离于可以沿着大孔隙快速到达地下水中,对 地下水造成污染。回填土由于破坏了连接到地下水层的大孔隙;滨离子沿 着大孔隙的快速运移受到阻碍,速度变慢,不能到达地下水中,不会对地 下水造成污染。


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