土壤溶质迁移的两区模型与两流区模型对比分析

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1、水利学报2004年6月SHUILIXUEBAO第6期文章编号0559-9350(2004)06-0092-06土壤溶质迁移的两区模型与两流区模型对比分析11,2马东豪,王全九(1.西安理工大学水利水电学院陕西西安7100482.中科院水土保持研究所土壤侵蚀与旱地农业国家重点试验室陕西杨凌712100)摘要本文在分析描述土壤溶质迁移的两流区与两区模型的区别与联系的基础上利用连续和脉冲输入情况下的试验资料对两区和两流区模型的预测能力进行了比较和分析结果表明与两区模型相比两流区模型可以更好地描述优先流情况下的溶质穿透曲线

2、对于无优先流情况两个模型预测结果基本相同通过在无优先流情况下两个模型参数间关系的分析发现在连续流输入情况下两个模型的参数一致性较好而在脉冲输入时一致性较差关键词两流区模型两区模型土壤溶质穿透曲线+中图分类号S152.7文献标识码A土壤溶质处在一个物理化学生物相互作用与联系的复杂连续体中它的迁移过程是众多因素综合[1]作用的结果人们通过对其运移特征进行概化提出各种数学模型对其迁移过程进行描述传统的对流弥散模型一般只考虑溶质在土壤中的对流弥散作用有时也伴随着溶质吸附和解吸过程由于其对土壤孔隙流速分布特征概化过于简单不能

3、对溶质穿透曲线中的早期穿透和拖尾等物理非平衡现象做出合理的解释为了弥补对流弥散模型的不足可动不可动两区模型考虑了溶质运移过程中的化学和物理非平衡性改善了对溶质迁移特征的描述随着土壤中优先流和溶质穿透曲线中双锋的出现两区模型暴露出其局限性当化学和物理非平衡性对溶质运移影响表现十分显著时两区模型就不能对溶质穿透曲线做出合理的描述为了模拟优先流情况下的溶质运移过程Skopp(1981)在两区模型的基础上提出了两流区模[2]型初步试验研究表明两流区模型可以对脉冲流穿透曲线中的双锋(或驼锋)做出比较合理的描述既然两流区模型可

4、以描述具有优先流特征的溶质穿透曲线那么对于非双锋穿透曲线描述如何以及两种模型相互关系如何目前仍缺乏研究本文在对两模型特征进行分析的基础上利用试验资料对两模型进行比较分析为模型的合理应用提供参考1两区模型与两流区模型基本特征1.1两区模型基本特征两区模型依据孔隙大小把土壤水分为两个部分一部分水相对不运动另一部分视为可运动水且流动状态相近或一致可动区的溶质运移主要包括对流和弥散两种过程不可动区的[3]溶质仅以扩散形式与可动区发生质量交换且扩散速率取决于可动区和不可动区的浓度差当然对于这种质量交换作用的解释也存在不同观点

5、Coast和Smith(1964)提出了在稳态条件下的两区模型如下收稿日期2002-10-09基金项目国家自然科学基金(40371057)黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室及中科院水土保持研究所百人计划资助项目作者简介马东豪(1980-)男河南南阳人硕士从事土壤溶质运移研究1水利学报2004年6月SHUILIXUEBAO第6期2∂C∂C∂C∂Cmimmmθ+θ=θD−Vθ(1)mimm2mm∂t∂t∂x∂x∂Cim()θ=αC−C(2)immim∂t=m+im(3)3333其中为土壤容积含水量(cm/cm)m

6、和im分别为可动区和不可动区的容积含水量(cm/cm);Cm和Cim2为可动区和不可动区的溶质浓度(g/ml)D为弥散系数(cm/h)Vm为可动区的平均孔隙流速(cm/h)t为-1时间(h)x为空间坐标(cm)为两区之间的质量交换系数(h)对于脉冲输入的初始和边界条件可表示为Ci=00tp(6)iii∂x∂C/∂x=0x=l,t>0(7)i对于连续输入的初始和边界条件可表示为Ci=00

7、8)∂CiVC=−D+VCx=0,t>0(9)ioiii∂x∂C/∂x=0x=l,t>0(10)i其中DiViCi分别表示可动区的弥散系数流速和浓度l为模拟土样长度(cm)tp为溶质的脉冲输入历时(h)1.2两流区模型基本特征两流区模型依据水流速度大小把土壤中的水分为两个不同的流速区域且两个区域中的水流速度都不为零假定把流速快的区域定义为A区流速慢的区域定义为B区用水流速度(VA,VB)含水量()溶质浓度(C)和弥散系数(D)来表征两个流区的特性且两流区之间发生溶质交换并表示为=(CA-CB)(11)2水利学报20

8、04年6月SHUILIXUEBAO第6期-1其中为两流区之间的质量交换量为两流区之间的质量交换系数(h)两流区模型(Skopp,1981)可表示为2∂C∂C∂CαAAA()=D−V−C−C(12)A2AAB∂t∂x∂xθA2∂C∂C∂CαBBB()=D−V−C−C(13)B2BBA∂t∂x∂xθB=A+B(14)对于脉冲输入的初始和边界条件可表示为Ci=00