利用同一土柱测定土壤水分和保守性溶质运移参数

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1、水利学报年月第卷第期文章编号利用同一土柱测定土壤水分和保守性溶质运移参数杨艳王全九樊军赵军西安理工大学水资源所陕西西安中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌摘要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

2、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关键词非饱和土壤水分扩散率溶质锋边界层理论土壤溶质运移参数中图分类号文献标识码前言国内外学者已就土壤水分和溶质运移理论进行了大量的研究工作并逐步由简单的试验研究发展为利用数学模型来预测土壤水分和溶质运移过程就数学模拟而言目前常用方程来描述土壤水分运动特征利用对流弥散理论描述土壤溶质运移过程模拟计算的准确性直接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在非饱和土壤水分运动的定量研究中愈来愈多地采用数学模拟的

3、方法研究和预测土壤水分运动过程而在数学模拟中无论是解析解法还是数值解法非饱和土壤的导水率扩散率以及土壤水分特征曲线都是必不可少的参数因此准确测定这些参数就成为定量研究的基础大量研究表明直接测量非饱和水力参数有一定的困难而且费时费力邵明安等提出了一种推求非饱和土壤水分运动参数的简单入渗法用以确定水力特性模型中的参数王全九发展了利用水平一维入渗试验来推求模型参数的方法为确定土壤水力参数提供了有效的途径此外王全九还利用水平一维方法确定土壤水分扩散率这些方法仅需要在实验过程中测定累积入渗量和湿润锋距离与时间关系因此便于直接确定相

4、关的水力参数溶质运移参数包括扩散弥散系数和滞留因子而参数的估计有统计和确定性两类常用方法统计方法应用广泛但参数不确定性和不唯一性等仍然限制这一方法的应用确定性方法概念清楚但由于浓度和时间之间的复杂关系用确定性方法估计参数只有很少几例用于估计溶质运移模型参数的方法主要有方法正态分布函数法矩分析法程序拟合法图解法边界层法对于保守性溶质而言从数学角度讲拟合锋面运移较拟合浓度更容易从物理意义角度讲在很多情况下测量锋面运动比测量完整的穿透曲线或剩余浓度剖面更简单更节省时间对于有色示踪剂锋面可以通过目测确定已经证明鲜艳兰是一个安全和

5、有用的示踪剂对其它示踪剂时域反射仪能够用于观测探针长度内溶质分布邵明安提出了利用边界层理论确定土壤溶质迁移参数的简单方收稿日期基金项目中科院百人计划项目国家自然科学基金教育部博士点基金作者简介杨艳女陕西咸阳人硕士生主要从事农业水土工程研究法该方法仅需要测定土壤溶质锋面随时间变化过程不需要测定土壤溶质浓度因此边界层理论提供了确定土壤溶质运移参数的新途径由上面分析可知如将利用水平入渗测定土壤水力参数方法与边界层方法确定土壤溶质运移参数方法有机结合就可以实现一个土柱上同时测定土壤水力参数和土壤溶质运移参数鉴于此我们开发了相应实

6、验系统并进行相关模拟实验分析实验系统的可靠性和精度为确定土壤水分和保守性溶质运移参数提供参考基本理论确定非饱和土壤水分扩散率方法王全九等提出了利用一维水平土柱测定非饱和土壤水分扩散率的简单方法该方法只需观测入渗过程中累积入渗量湿润锋和入渗时间的关系土壤水分扩散率表示为累积入渗量和入渗率与湿润锋间关系为?依据水平一维土壤水分运动基本方程联合式和式获得??式中分别为累积入渗量湿润锋和入渗率?为饱和土壤的水分扩散率?为非饱和土壤水分扩散率?是一个以含水量表示的函数和分别为饱和含水量?初始含水量?为形状系数无量纲确定土壤溶质运移

7、参数的边界层方法稳定水流条件下均质土壤一维瞬态溶质运移通常由对流弥散方程描述式中是液相溶质浓度?和是土壤孔隙水流速度?和扩散弥散系数?是时间是空间坐标由于这里研究的为保守性溶质的运移过程因此延迟因子一维溶质运移初始条件可定义为边界条件邵明安提出了利用边界层理论求解式的方法对于偏微分方程而言一般其解可以利用幂函数进行描述边界层理论是基于这样的思路发展而来并被广泛用于描述固体热传递过程邵明安利用三次多项式描述溶质在多孔介质中迁移的浓度剖面通过比较边界层方法与精确方法间差异表明边界层方法的计算精度与精确方法十分吻合并获得了土壤

8、溶质浓度剖面和溶质锋面随时间变化过程及其中是溶质边界层距离从式可知在孔隙流速已知的情况下只要测定和间关系就可确定溶质运移参数因此在实验过程中只需测定不同时刻溶质锋的位置就可获得土壤溶质运移参数将式转化为在实验过程中测定溶质边界层距离与时间关系依据式就可以计算土壤溶质运移参数由上述基本理论可知在非饱和土壤入渗过程中测定