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边界层方法为土壤溶质迁移研究中描述一维稳态流条件下,仅考虑吸附作用的对流-弥散方程（Convection-dispersion equation,CDE）的求解和参数估算提供了简单可靠的新手段,利用该方法可以有效避免参数反演的不唯一性。对不同边界层解（多项式解、指数解、复合解、对数解和微小通量解）在预测溶质浓度分布和估算溶质迁移参数方面的精度进行了对比研究,归纳了边界层解的适用范围和选取方法。结果表明：边界层解的精度受平均孔隙水流速、弥散系数和延迟因子共同影响,当溶质浓度随剖面深度的变化率呈不断减小趋势时边界层解与精确解最接近;边界层解预测溶质分布误差随时间推移先减小后增加,溶质迁移过程初期三次多项式解精度最高,后期指数解表现最好;边界层方法对延迟因子的估算结果优于弥散系数,且不同边界层解对延迟因子的估算值近似,三次多项式解和对数解估算弥散系数最为准确。 相似文献
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考虑尺度效应的瞬时输入溶质运移模型及解析解 总被引：1，自引：1，他引：0
为探索土壤环境中尺度效应对溶质运移的影响,建立了瞬时输入条件下考虑尺度效应的溶质运移模型。通过Laplace变换和复变函数理论得到了模型的解析解,并利用解析解分析了弥散尺度效应对溶质运移过程的影响。结果表明：随着土壤弥散尺度效应的增强,土壤中溶质浓度分布范围越广,浓度峰运移的距离越大,但浓度峰值越小;随着入口弥散系数（D0）的增加,溶质运移的范围更大,溶质浓度峰值越小,但浓度峰运移的距离几乎没有变化;随着入口孔隙水流速度（v0）的增加,溶质浓度峰运移的距离越大,溶质的运移锋面越远,而溶质浓度峰值及溶质浓度分布范围几乎没有变化。用一维8 m 长土柱中的溶质运移试验资料对所推解析解进行验证,模拟结果与试验结果吻合较好,决定系数可达0.95以上。结果表明所推得的解析解可用来模拟预测较大尺度上溶质运移过程,为土壤环境治理等实际工程提供理论依据。 相似文献
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非均匀流动示踪试验及活动性流场模型的应用 总被引：1，自引：0，他引：1
采用显色和离子示踪方法,研究水流运动和溶质迁移非均匀特性,并分析活动性流场模型(ARM)描述水流运动和溶质迁移的有效性。运用碘-淀粉显色方法观测水流非均匀流动模式,用溴、氯和硝酸根三种离子示踪水流的非均匀运动特性。ARM耦合非均匀流动所具有的分形特性,该模型本构关系参数反映活动性流场面积比例和土壤水有效饱和度之间的分形关系。与连续性模型相比,ARM模拟土壤水流和溶质迁移结果与测定值更符合。在水平剖面三种离子浓度均表现出正态或对数正态分布规律,且总体上分布离散程度表现出随深度增加而减小的趋势,ARM有效地描述了非均匀流动下水流运动和溶质迁移所表现出的宏观特性。 相似文献
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坡度对黄土坡面养分流失的影响实验研究 总被引：16，自引：1，他引：16
坡度是土壤养分流失的重要因素,通过室内人工降雨模拟试验,研究不同坡度土壤侵蚀和养分流失的过程与机制。研究结果表明:土壤中养分的流失量随坡度的增大而增大,但在20°附近时存在转折点,25°时养分流失量反而减小。同时利用两种类型描述径流养分浓度模型对实测资料进行分析,结果显示与指数函数模型相比较,采用幂函数模型能够较好地模拟黄土坡面非饱和条件下径流溶质浓度变化过程,同时幂函数模型也能够较好地描述径流中钾离子和溴离子的质量变化过程,为进一步完善黄土坡面径流养分迁移模拟模型提供了参考。 相似文献
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土壤非均匀水流运动和溶质迁移显色示踪方法研究 总被引：2，自引：0，他引：2
根据碘-淀粉显色原理示踪土壤非均匀流动,探讨非均匀水流运动和溶质迁移描述方法。在1.0m×1.0m尺度上开展试验,60mm碘离子溶液入渗后,在70cm深度内逐层开挖剖面,剖面中水流经过的区域喷洒淀粉溶液后显色,采用图像分析和率定的方法建立了土壤显色和碘离子浓度之间的关系。采用环状直方图,从浓度空间分布和信息量两个方面对流动非均匀性进行了描述。碘-淀粉显色示踪方法较好地显现了非均匀流动模式,环状直方图分析表明,浓度分布的离散程度随浓度值的减小而增加,描述流动的非均匀性需要考虑水平和垂直方向上流动非均匀特征,非均匀流动的相似性随着距离的增加而明显下降。 相似文献
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人工降雨条件下黄土坡面养分随径流迁移试验 总被引：26，自引：8，他引：26
降雨条件下坡面农用化合物随地表径流迁移既是农业问题，又是水环境问题。利用室内人工降雨模拟试验，研究了黄土坡面不同坡度下土壤氮、磷和钾随地表径流迁移的特征。研究结果表明，在定坡长土槽坡度变化为5°～25°范围内，初始产流时间随坡度增大呈先变小后增大的趋势；产流15 min内，径流量均急剧增加，随后趋于稳定。随着坡度增加，水土流失程度加剧，径流溶质浓度增高，土壤侵蚀对径流溶质浓度的贡献增大。基于指数函数和幂函数拟合试验数据的结果，表明了幂函数模型更适合模拟黄土坡面非饱和条件下径流溶质浓度变化过程，也可描述径流磷和钾的流失过程，但其初始阶段的拟合不太令人满意。该研究为进一步完善黄土坡面径流养分迁移模拟模型提供了参考。 相似文献
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二维虚拟土壤中溶质迁移行为的数值模拟研究 总被引：1，自引：0，他引：1
利用Voronoi图逐级碎裂方法,在二维正方网格上构造出不同等级的虚拟土壤来仿真具有丰富孔隙结构的真实土壤,并借助于随机行走模型,数值模拟了溶质粒子在该虚拟土壤中的迁移行为。结果表明,溶质粒子表现出反常扩散行为。对有偏倚的随机行走模型,其均方位移与时间呈正比关系∝tK,即扩散系数D=K-1,长时间的K值更大,溶质粒子扩散更快;首次穿越时间满足正态对数分布,说明溶质粒子迁移是一阶随机过程;由连续时间随机行走理论,发现溶质粒子扩散非费克现象明显。同时发现不同的土壤孔隙结构及随机行走类型所对应的拟合参数不同,即它们也影响溶质粒子的迁移行为。该研究有利于人们从理论上定性理解和预测水及溶质在有大孔隙土壤中的迁移,保护地下水环境。 相似文献
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获取土壤溶质迁移参数是利用数学模型预测土壤溶质迁移过程的前提。本文根据对流弥散方程（Convective-dispersive equation，CDE）的一级近似解，建立了土壤溶质迁移过程中溶质锋随时间变化的函数关系，并以时域反射仪（Time domain reflectometry，TDR）为手段、Cl-为对象，通过与土壤溶质穿透曲线（Breakthrough curve，BTC）拟合法相比较，研究了利用该函数关系确定溶质迁移参数的可行性。研究结果表明，两种方法估计的R比较接近，而溶质锋信息法估计的水动力弥散系数D小于穿透曲线拟合法。TDR探测的溶质锋滞后于理论溶质锋，是导致利用溶质锋信息估计水动力弥散系数D偏小的原因之一。将溶质锋信息法估计的迁移参数代入CDE计算的土壤溶质穿透曲线与实测土壤溶质穿透曲线比较发现，风沙土中计算的穿透曲线整体滞后于实测穿透曲线，但两者的穿透过程基本一致，蝼土中计算的初始、完全穿透时间与试验穿透曲线一致，但穿透过程有所差异，说明溶质锋信息法估计的迁移参数具有一定的可应用性，在估计水动力弥散系数的精度方面有待提高。 相似文献
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颗粒大小分布是土壤的基本物理性质之一 ,可以用来预测其它难以直接测定的土壤性质。采用参数模型描述土壤的颗粒大小分布有许多优点。本文利用河南封丘地区三种壤土类土壤共 30 0个样本的颗粒分析资料 ,研究了五种参数模型的适用情况。结果表明 ,包含四个参数的Fred4P模型对三种土壤颗粒大小分布的模拟效果最为理想 ;三参数的Fred3P和MLog模型对砂壤土的描述效果较差 ,对另外两种质地土壤的模拟效果与Fred4P模型相当。四参数的Gomp模型计算误差大于Fred3P和MLog模型。在这五种参数模型中 ,MVG模型的误差最大 ,不能精确描述封丘地区壤土类土壤的颗粒大小分布。 相似文献
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An analytical solution for advance of solute front in soils 总被引：3，自引：0，他引：3
Based on the assumption that solute transport in a semi-infinite soil column or in a field soil profile can be described by the boundary-layer method, an analytical solution is presented for the advance of a solute front with time. The traditional convection-dispersion equation (CDE) subjected to two boundary conditions: 1) at the soil surface (or inlet boundary) and 2) at the solute front, was solved using a Laplace transformation. A comparison of resident concentrations using a boundary-layer method and an exact solution (in a semi-infinite-domain) showed that both were in good agreement within the range between the two boundaries. This led to a new method for estimating solute transport parameters in soils, requiring only observation of advance of the solute front with time. This may be corroborated visually using a tracer solution with marking-dye or measured utilizing time domain reflectometry (TDR). This method is applicable to both laboratory soil columns and field soils. Thus, it could be a step forward for modeling solute transport in field soils and for better understanding of the transport processes in soils. 相似文献
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土壤溶质锋运移的解析解 总被引：5，自引：0，他引：5
为了推求土壤溶质锋运移与时间的关系 ,假设土壤溶质运移发生在溶质输入内边界至溶质锋之间 ,应用拉普拉斯变换方法求解输入内边界到溶质锋边界的对流—弥散方程 ( CDE)。溶质锋浓度解与半无限精确解的比较表明 ,在内边界至溶质锋边界内具有良好的一致性。溶质锋运移解的一个重要应用是估计实验室和田间条件的溶质运移参数。这个新的参数估计方法要求土壤中溶质锋随时间运移数据。如果应用有色示踪剂 ,溶质锋运移可以目测 ;如果应用其他示踪剂 ,可以通过 TDR或其它仪器测量示踪剂通量或体积浓度 ,确定溶质锋的深度。这个新的方法简单易行、节省时间 ,而且能够应用到实验和田间条件。 相似文献
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考虑尺度效应的土壤溶质运移动力学特征分析 总被引：1，自引：0，他引：1
[目的]为了了解土壤环境中弥散尺度效应、动力学吸附等作用对溶质运移过程的影响。[方法]应用Laplace变换方法和复变函数理论推得溶质运移动力学模型的解析解。利用De Hoog数值反演方法,验证解析解的正确性,利用解析解分析溶质在土壤中的运移特征。[结果]解析解的计算结果与反演函数Fourier级数项数2 N较大(N=500)时的De Hoog数值计算结果吻合很好;土壤溶质浓度随尺度效应的增强、吸附作用及生物降解作用的减弱而增大;分子扩散、一阶动力学吸附以及吸附相溶质降解作用对溶质运移变化影响较小。[结论]所推求解析解是正确的;土壤溶质运移的弥散尺度效应,溶质在液相和吸附相间的线性分配作用及溶质在液相中的降解作用是影响土壤溶质运移过程的主要因素。 相似文献
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Many sandy soils in the Netherlands have a water-repellent surface layer covering a wettable soil with a shallow groundwater table. Fingers form in the water-repellent surface layer and rapidly transport water and solutes to the wettable soil in which the streamlines diverge. Although several field observations are available, this system has not yet been studied systematically. In this paper, we present a model with a steady-state water flow to which solutes are added as a pulse. The model predicts the flow through the distribution zone and through the finger in the water-repellent surface layer with a closed form solution and transport in the wettable subsoil numerically. Model calculations show that the travel time through the water-repellent surface layer and the thickness and hydraulic conductivity of the wettable soil have the strongest effect on the arrival time of the solute pulse at groundwater level. The calculations also show that, assuming transport in the wettable subsoil to take place in fingers, the travel time is considerably shorter than when the diverging flow in the wettable soil is included. 相似文献
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基于土壤中溶质运移的对流 弥散方程 (CDE)提出了溶质运移参数估计的图解方法。根据土柱溶质运移“穿透曲线”(BTC)数据计算通量浓度随时间变化 (dc/dt)。应用绘图软件 ,例如MicrosoftExcel,绘制出t1 5dc/dt和dc/dt相对于时间的变化曲线。这两条曲线都是单峰曲线 ,并被用于估计CDE中延迟因子(R)和弥散系数 (D0 )。设计算例和穿透实验数据被用于校正图解法估计参数的精度和稳定性。参数估计的稳定性由估计参数对它们平均值的标准差评价 ;参数的估计精度与CXTFIT法和等斜率法比较。结果表明图解法具有较高的精度和较好的稳定性 ,特别是对于运移参数R的估值。图解法是一个确定性方法 ,它具备确定性方法中估计参数唯一性特点 ,克服了统计方法中需要给定参数初值的缺点。因此 ,这个方法是土壤溶质运移参数估计的可选方法之一。 相似文献
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Modelling soil water flow and solute transport under field conditions requires the knowledge of many parameters that are difficult to determine directly. Values determined on small isolated samples in the laboratory are often not representative of field situations. We investigated the applicability of inverse modelling to a soil–plant system in lysimeter experiments. We also tested whether parameters obtained from one experiment could be applied to another with the same soil. In a lysimeter planted with young trees, we first did a multistep drainage experiment and then a long‐term bromide tracer experiment with atmospheric boundary conditions at the soil surface. To estimate the unsaturated hydraulic properties, we linked the inverse program SUFI (Sequential Uncertainty FItting) to the flow and transport model HYDRUS5. A comparison of several scenarios showed that the resulting values of parameters depended strongly on the data used for calibration and the formulation of the objective function. The results suggested that inverse modelling could be used to identify important processes. Inversely obtained parameters gave better predictions for a second experiment when more variables were considered in the objective function and when the range of hydraulic conditions was wider. Furthermore, with retention curves directly fitted to measured water retention data we achieved acceptable results. Despite some limitations, the inverse approach was found to be a sound and useful procedure for estimating parameters of a complex system involving water uptake by roots, solute transport and unsaturated flow. 相似文献
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农田水盐运移与作物生长模型耦合及验证 总被引：6，自引：3，他引：3
合理定量描述土壤水盐动态及作物生长过程对于干旱灌区制定适宜的农业用水措施具有重要意义。该文以SWAP(soil water atmosphere plant)模型为基础,采用变活动节点法实现了对土壤融化期的水盐运移模拟,并在根系吸水计算中引入了基于S形函数的水盐胁迫计算方法,以修正原SWAP模型对根系吸水的模拟。进一步嵌入了参数与输入数据较少且可以模拟作物生长过程及实际产量的EPIC(environmental policy integrated calculator)作物生长模型,构建了改进的农田尺度土壤水盐动态与作物生长耦合模拟模型-SWAP-EPIC。分别采用宁夏惠农灌区春小麦和春玉米田间试验数据,对SWAP-EPIC模型田间适用性进行了检验。对比分析各层土壤水分与盐分浓度、作物生长指标(叶面积指数、地上部生物量)的模拟值与实测值,结果表明:春小麦和春玉米试验中土壤水分的平均相对误差MRE和均方根误差RMSE均接近于0且模型Nash效率系数NSE值趋近于1,水分模块模拟精度较高,盐分浓度模拟存在略微差异但总体上一致性较好,并且作物生长指标匹配良好;同时,模拟的产量和蒸散发均较为接近实际值,春小麦和春玉米产量模拟相对误差分别为4.9%和3.3%。综上,该文改进的SWAP-EPIC模型可良好地应用于寒旱区农田尺度土壤水盐运移与作物生长耦合模拟。 相似文献