土壤和地下水耦合数值模拟研究进展

土壤和地下水在水分运移、污染物迁移转化等方面高度相关,基于数值模拟预测土壤和地下水耦合污染趋势可以为土壤与地下水污染协同防治工作提供定量化技术支撑。文章综述了土壤和地下水数值模拟方法,总结了土壤和地下水中水流和溶质运移的耦合数值模拟研究进展,并对耦合数值模拟研究的未来发展趋势进行了展望。     

石油污染物在土壤中运移的数值模拟初探

针对大庆石油管理局宋芳屯油田开发建设的实际情况，分析了石油污染物在土壤中运移的规律，并建立了非饱和带污染物迁移和地下水运动模型。通过求有限元数值解，利用该模型对石油污染物在土壤中的迁移情况进行了模拟预测，结果显示了石油污染物可能对土壤造成污染的范围和影响程度。     

农田土壤中硝态氮垂直运移参数的确定

利用溶质运移模型预测预报农田土壤中硝态氮垂直运移时,运移参数不易获得的问题,引入CXTFIT分析模型来求农田土壤中硝态氮垂直运移的参数。结果表明:用CXTFIT模型模拟的硝态氮穿透曲线与实测的硝态氮穿透曲线基本吻合,模型的模拟值与实测值相比,误差范围在3％以下,相关系数达到0.9以上;在模拟过程中可同时得到销态氮垂直运移的弥散系数和平均孔隙水流速(average pore-water velocity)等参数。因此该模型可以直接用来确定农田土壤中硝态氮垂直运移的参数。     

土壤有机碳地球化学及其与岩溶作用的关系──以桂林丫吉村岩溶试验场为例

岩溶土壤有机碳地球化学研究表明：岩溶土壤是有机碳的巨大储库；土壤有机碳含量以松结态为主，紧结态次之，稳结态最少；土壤表层，鞍部、坡地土壤有机碳较活跃（较多松结态），为岩溶作用CO2的丰富来源。有机碳可氧化性分级分析表明：表层土壤有机碳中易氧化态占60－85％，A层土壤较B层更易被氧化；土壤来源CO2是岩溶驱动CO2的潜在动力。从鞍部－坡地－洼地，B层土壤有机磷可氧化性由弱到强递增。野外监测表明：在干、晴气候下，岩溶土壤CO2含量高且CO2释放速率大，岩溶作用欠发育；在湿雨气候下．岩溶土壤CO2含量及CO2释放速率急剧降低，岩溶作用发育；雨后转晴．岩溶土壤CO2含量及CO2释放速率逐渐增高，岩溶作用减弱。     

3种金属氧化物纳米材料在不同土壤中运移行为研究

采用实验室柱淋溶方法,考察了纳米CeO2、纳米TiO2和纳米Al2O3材料在不同土壤中的运移行为,分析了纳米材料在土壤中运移能力与土壤性质的相关性,并采用胶体运移动力学模型估算了纳米材料在土壤中的最远运移距离.结果表明,纳米CeO2和纳米TiO2在试验的大部分土壤中有很强的运移能力,而纳米Al2O3仅在试验的酸性土壤中有较强的运移能力,在其他土壤中几乎被全部截留.纳米材料在土壤中运移的机制非常复杂,静电作用、土壤表面电荷异质性、团聚作用、张力作用(straining)以及过滤熟化作用(ripening)均对纳米材料的运移有着重要的影响.纳米CeO2的运移能力与土壤Zeta电位显著负相关;纳米TiO2的运移能力与土壤黏粒含量显著负相关,与土柱渗透系数显著正相关;纳米Al2O3的运移能力与土壤pH显著负相关,与土柱渗透系数显著正相关.模型估算的纳米CeO2、纳米TiO2和纳米Al2O3在试验土壤中的最远运移距离分别为52~69 043、31~332和<10~5 722 cm.纳米材料在一些土壤中的最远运移距离远远大于30 cm表层土壤的深度,意味着纳米材料在这些土壤中有向深层土壤运移的可能.     

岩溶地下河污染物运移模型对比研究

两区模型（TRM）和暂时存储模型（TSM）为两种常用的岩溶地下河（管道）污染物运移模型,为了更好表征岩溶地下河污染物运移过程,开展模型对比研究.采用两种模型拟合室内管道示踪实验穿透曲线,从概念模型框架、模型优缺点、参数校正过程和物理意义、参数敏感性等方面对比分析两种模型的异同.结果表明,OTIS软件提供TSM的数值解,而CXTFIT软件提供TRM的解析解,但两者均能通过下游不同位置的穿透曲线分段表征地下河不同阶段的污染物运移过程.两种模型的物理意义相近,均可近似描述岩溶地下河中溶质的暂时性存储现象,较好地拟合溶质运移曲线.采用TSM可校正得到暂时存储区的横截面积,但采用TRM只能获得非流动区所占的比例.两种模型中弥散系数和传质/交换系数的敏感度较低,并且弥散系数的变化对穿透曲线拖尾无显著影响.研究结果为岩溶地下河污染物运移模型的选取与应用提供了依据.     

土壤污染物溶质运移模型研究进展

土壤中污染物溶质的运移已经成为了近年来研究的热点。本文回顾了关于土壤中溶质运移模型的研究成果,讨论了各个模型的优势及其不足之处,介绍了应用最为广泛的传统微分方程模型。对应用于非均匀介质中的随机运移模型进行了描述,并将其和传统微分方程模型进行了比较。介绍了可动-不可动水体模型并讨论了其相关参数的影响因素。列举了几种和其他学科或研究方向结合的溶质运移模型。最后提出了今后模型开发的发展方向。     

太湖地区农田土壤中硝态氮垂直运移的规律

用模拟土柱和田间定期采样的方法对太湖地区农田土壤中硝态氮垂直运移规律进行了研究.结果表明,在饱和条件下,硝态氮垂直运移过程的穿透曲线呈现不对称形状和拖尾现象,主要由于土壤中存在着动水和不动水的比例不同和土壤的物理性质所致.在非饱和条件下,硝态氮运移过程的时间明显加长,穿透曲线的峰值增高,优先流不明显,穿透曲线平缓.与硝态氮结合的阳离子价数对硝态氮的垂直运移没有影响.试验区的硝态氮在土壤中的含量随季节的不同而呈现规律性的变化,冬、春季硝态氮在土壤中的含量较高;夏、秋季则较低.地下水中的硝态氮污染现象不显著,主要由于土壤质地黏重,阻碍了硝态氮向地下水中的运移.     

填埋场释放气体运移数值模型及应用

以多也介质流体动力学理论为基础，在考虑填埋场内气体压力变化较小、相应气体密度变化小的情况下建立了填埋场释放气体运移数值模型。该模型具有适用范围广的特点，如边界形状任意、介质性质空间变化。模型中考虑了填埋场中介质含水量变化对气体运移的影响，利用本数值模型对无控制系统和有控制系统时释放气体运移进行了对比模拟分析，给出了有水平气体控制系统时的优化排气量并得出相庆的释放气体收集率，可为填埋场释放气体控制系     

向海沼泽湿地土壤中硝态氮的水平运移规律

选择封闭性的付老文泡湿地和开放性的二百方子湿地作为两个典型区,以KNO₃为示踪剂,模拟研究了硝态氮在向海沼泽湿地中的水平运移过程.结果表明,沼泽湿地土壤中硝态氮的运移通量与运移距离显著负相关,并随运移距离的增加呈一阶衰减指数变化;而沼泽湿地土壤中硝态氮的运移通量与土壤水扩散率及土壤含水量都呈显著正相关关系,并随土壤水扩散率的增加呈指数增长.     

黔中岩溶地区草地下土壤CO_2含量的变化特征

全球碳循环中,CO_2的未知汇可能是陆地生态系统中某一部分,如土壤。土壤中CO_2的含量是大气的几倍至近百倍,它的吸收与释放将影响大气中的CO_2浓度。岩溶地区占全球陆地面积的1/15。对典型的岩溶地区——黔中某地土壤的CO_2进行了四季及昼夜的采样测定,结果表明,该地地表大气的CO_2含量具有季节变化的特征。土壤气中的CO_2浓度为大气CO_2浓度的几倍至一百多倍;自地表向下,随着土壤深度的增大,CO_2浓度升高。土壤CO_2含量的季节变化及昼夜变化,与土壤中CO_2来源和温度等因子变化有关。     

喀斯特高原区土壤水分的时空变异分析——以贵州清镇王家寨小流域为例

以贵州喀斯特高原区王家寨峰丛洼地小流域为研究对象,于2005年11月至2006年12月测定了小流域内不同植被的土壤水分年变化,探讨不同植被类型峰丛坡面土壤水分的时空变化规律,并且与同属小流域内的非喀斯特土山进行对比研究。结果表明:各种植被类型的土壤水分年变化趋势大致相同,主要受降雨和蒸散过程的影响,但变化幅度存在差异,次生林和灌木灌丛变化幅度大于非喀斯特土山和稀疏灌草丛。雨后连续晴天各植被土壤水分变化幅度呈相同格局。观测期内土壤水分的动态变化具有明显的季节性,划分为4个阶段:冬季平稳低墒期、春季及夏初蓄水期、夏季及秋初消耗期及秋季及冬初回升期。各植被土壤剖面水分存在差异,次生林、灌木灌丛坡面土壤剖面含水量从表层到深层表现为降低型,稀疏灌草丛、非喀斯特土山则为增加型。同一坡面不同坡位间土壤水分差异不显著,反映了喀斯特地区复杂多变的小生境和其独特的二元结构水文系统。     

中国南方喀斯特地区石灰土容重传递函数模型及影响因素研究

土壤容重(BD)数据的缺失严重影响了我国南方喀斯特地区土壤碳储量的估算,亟待利用已有数据来构建容重传递函数模型(PTFs)。本文利用南方喀斯特分布省份的石灰土土壤普查数据,首次较为系统地研究了喀斯特地区石灰土的容重传递函数模型及影响因素。研究结果表明:(1)国内外已发表的容重PTFs对中国南方喀斯特地区非地带性石灰土的适用性较差,需要进行优化或重新建立新的容重函数预测模型;(2)优化后的模型Shiri et al(2017)~*、韩光中等(2016)-a~*和韩光中等(2016)-c~*的预测精度得到明显提高;(3)基于石灰土亚类建立的PTFs具有很高的拟合度和预测精度,比优化模型更加适宜于喀斯特石灰土的土壤容重预测;(4)不同石灰土亚类容重预测的影响因素存在差异,其中土壤有机质含量是石灰土容重预测的关键因素,与各亚类土壤的BD都有很高的相关性;(5)土壤容重传递函数模型的适用性不仅与研究区域有关,同时也与研究的土壤类型有关。建议在今后喀斯特地区土壤容重预测模型研究中充分考虑地域差异性和土壤类型因素。     

地下岩溶水环境质量评价模型研究

该文利用模糊数学和灰色理论的相关知识,根据地下岩溶水系统水化学动态特征和污染机理以及水文地质条件自身特点建立了地下岩溶水环境质量评价数学模型;并验证此模型,对西龙河峄山断层带水源地的地下岩溶水环境质量进行了综合评价。评价结果表明：该岩溶水系统大部分地区地下水的环境质量状况较好,局部地段较差,且地下水环境质量的分布特征与区域水文地质条件及水源地补给排泄关系具有较好的相关性。此结论与运用加权均值型指数评价法得到的结论相同,这说明此模型的建立是合理的,评价结果是完全可靠的。     

贵州威宁麻窝山地区近五万年来土壤侵蚀速率研究

摘要定量研究喀斯特地区土壤侵蚀速率对了解石漠化过程具有重要意义.本文以重度石漠化贵州威宁麻窝山地区岩溶洼地堆积土壤为研究对象,采用了钻探取样、土壤有机质14C测年方法、137Cs含量测定并结合历史文献,定量研究了麻窝山地区近5万年来的土壤侵蚀速率变化.结果表明,距今4.69～3.08万年(Bp)间的侵蚀模数与距今3.0...     

喀斯特土壤水分变化研究

土壤含水率的高低与生态变化的关系密切,尤其是在岩溶地区。土壤含水率对生态的影响主要表现在两个方面,其一是含水率的高低可以间接影响岩溶地区的水土流失,对生态的保护有很重要作用;其次是对岩溶地区生态的恢复有重要意义。本文从土壤含水率的实测着手,探索了土壤含水率与植被类型、土壤厚度等方面的关系, 揭示了喀斯特土壤含水率的发育特征与时段变化规律,从而对岩溶地区的生态环境保护提出了建设性意见。     

土壤CO2浓度与地表CO2通量的季节变化及其相互关系

采用气相色谱法对贵州喀斯特地区不同土地利用方式土壤剖面CO2浓度与地表CO2通量的季节变化特征进行为期一年的观测.结果表明:土壤CO2浓度和地表CO2通量具有明显的季节变化规律,均表现为:从春季到夏季浓度和通量逐渐增加,而从秋季到冬季浓度和通量又逐渐降低,这与该区域的温度和降雨量变化趋势一致.不同土地利用方式土壤CO2...     

典型喀斯特坡地137Cs的分布与相关影响因子研究

通过野外考察和大量的137Cs取样分析,对喀斯特坡地土壤137Cs分布及相关影响因子进行了初步研究.结果表明,喀斯特区域137Cs剖面分布特征与非喀斯特区域相似,林地土壤剖面137Cs呈现指数分布模式,耕地剖面的137Cs呈均匀分布模式;喀斯特区域落水洞洞口45 cm以上土层中的137Cs比活度变幅为1.7~3.3 Bq/kg,137Cs分布较深,表明洞口现存土壤多由侵蚀物质堆积形成;2个石缝中的土壤样品137Cs比活度分别为16.8 Bq/kg和37.6 Bq/kg,远远高于临近土体,表明裸岩是影响喀斯特区域137Cs地表空间运移的一个重要因素;随坡面海拔升高,137Cs的面积活度表现出波动振荡趋势,空间异质性明显,林地和农耕地坡面137Cs面积活度变幅分别为299.4~1 592.6 Bq/m2和115.8~1 478.6 Bq/m2;林地坡面137Cs面积活度与坡度和海拔高度呈极显著正相关,农耕地坡面137Cs面积活度和坡度呈不明显的负相关,与海拔高度呈显著负相关.地形地貌和人为干扰强度是影响坡面137Cs空间分布规律的主要因素.     

油藏封存CO_2后扩散逃逸数学模型及实例应用

利用油藏封存CO_2是缓解温室效应的重要途径,CO_2扩散逃逸在整个封存体内广泛存在,因此有必要研究扩散逃逸对封存效果的破坏强度。通过理论分析,建立了能够描述油藏封存CO_2后扩散逃逸行为的物理模型和数学模型。结果表明:示范区在1万年累计逃逸量为0.178×104t,1万年累计逃逸量和封存量比值为0.067%,需要1470万年CO_2才能全部逃逸,扩散逃逸对封存破坏甚微。研究结果为CO_2封存效果评价提供了新指标,也为盆地级封存体扩散逃逸量计算提供了方法。