多环芳烃室内土柱淋溶行为的CDE模型模拟

采用土柱淋溶实验方法对多环芳烃(PAHs)在人工污染土柱中表面活性剂淋溶下的运移进行了实验室研究,获得了示踪剂Br- 和PAHs的穿透曲线(BTCs) ;并通过室内批量平衡试验(PAHs和表面活性剂吸附试验和表面活性剂对PAHs吸附 解吸影响试验)获得了吸附系数,进而获得阻滞因子.基于这些实验室结果,通过CXTFIT2. 1软件,用平衡CDE模型拟合了Br- 的BTCs,获得物理和水动力参数;并在此基础上应用CDE非平衡模型拟合PAHs在表面活性剂淋溶条件下土柱中的BTCs以及不同时刻、不同埋深处PAHs浓度的动态变化,预测了PAHs在土柱中的迁移趋势.

不同CDE模型对硒在黄绵土中运移特性的模拟研究

污染物在土体运移是影响土体和地下水污染的一个重要的因素。为了研究不同因素对亚硒酸根离子在土体中运移的影响,在室内不同实验条件下,采用垂直土柱易混置换法对亚硒酸根离子在黄绵土土柱中的运移进行了研究,获得了不同容重及不同土柱高度条件下亚硒酸根离子的穿透曲线,通过STANMOD软件,应用确定性平衡CDE数学模型和确定性非平衡两区模型对穿透曲线进行拟合,研究结果表明:容重增大,阻滞因子R值减小,弥散系数D值则是先增大后减小;随着土柱高度的增加,弥散系数D值减小,而阻滞因子R变化不大。非平衡两区模型对于亚硒酸根离子运移参数的拟合优于平衡模型。穿透曲线能较好地反映出离子在土壤中运移的参数值,曲线越靠近y轴、初始穿透时间越小则弥散系数D越大;曲线越平缓则R值越大。

煤矸石基多孔基质对土壤溶质运移的影响

针对矿区存在的养分贫瘠、干旱缺水、表土缺乏等问题,提出了利用煤矸石制备多孔基质,并选择其作为矿区表土重构材料进行生态修复的思路,以及从溶质运移的角度评估其可行性。通过垂直土柱易混置换试验,研究了煤矸石基多孔基质对土壤中Cl^(−)和Na^(+)运移特征的影响,揭示了多孔基质对土壤孔隙分布、饱和土壤溶质运移的影响规律。结果表明,当多孔基质掺量为10%~30%(体积分数)时,会缩短Cl^(−)和Na^(+)的穿透时间,这是由于少量掺杂的多孔基质与土壤颗粒相互填充,小孔隙数量增加,形成了更为复杂的运移路径及多孔基质对Na^(+)具有较强的吸附性,会延长Cl^(−)和Na^(+)的穿透时间;随着多孔基质添加量的继续增加(>30%),由于多孔基质容重较小,导致饱和导水率增加,反而会逐渐缩短Cl^(−)和Na^(+)的穿透时间。添加30%多孔基质时,出流液中的Cl^(−)和Na^(+)浓度分别降低了1.65%~46.30%和10.12%~32.88%,Cl^(−)和Na^(+)运移方式以对流为主。土壤孔隙分布和土壤对溶质的吸附性是影响溶质运移的主要因素。煤矸石基多孔基质和黄土以体积比为3∶7混合的复配模式,可以有效减少溶质运移。

不同类型耕地紫色土中3,5,6-三氯-2-吡啶醇迁移试验与模拟

3,5,6-三氯-2-吡啶醇(TCP)的化学结构稳定、水溶性高、运移能力强,对水体具有潜在的污染风险。在有机质含量低、大孔隙度高、导水性好的紫色土地区,风险更加显著。为研究TCP在紫色中的迁移规律,该研究依据紫色土的典型耕作类型,在中国科学院盐亭国家紫色土农业生态试验站采集3组土样(小麦-玉米轮作的坡地、水稻-油菜轮作的水旱农田和萝卜-白菜套种的菜地),通过批量平衡法研究紫色土对TCP的吸附特征,并采用稳定流场饱和均质土柱的易混合置换试验研究TCP的动态迁移过程,最后对其迁移动态进行模拟。结果表明:紫色土对TCP的吸附特征呈线性,在坡地、水旱农田和菜地中的吸附系数分别为1.94、1.22和1.02 L/kg,且黏土含量和矿物组成是主要影响因子;TCP的出流平衡浓度分别为初始浓度的77%(坡地)、84%(水旱农田)和92%(菜地),相应的平衡时刻分别为2.88PV、4PV和6.5PV,表明TCP对环境的污染风险较高;用非平衡两点对流弥散模型模拟TCP在3种耕作条件下迁移,表明TCP以瞬时吸附为主,其水动力弥散系数和分形系数在坡地、水旱农田和菜地中依次减小,但一阶动力学常数依次增大。研究结果为探索TCP在紫色土壤中的迁移机制和预测防止TCP对环境的污染提供了参考依据。

Lattice Boltzmann方法模拟常速对流弥散方程

在解决地下水溶质运移问题时有多种数值模拟方法,运用BGK逼近的Lattice Boltzmann模型,在结合纯弥散方程基础上推导出常速对流弥散方程(CDE)及数值解法,通过Matlab编程计算了一个用于模型检验的一维模型。计算结果显示,运用此方法得出的数值与解析值吻合良好,证明了该数学模型是正确的。

土-根系统养分运移对流-弥散方程数值解的MATLAB实现

对土—根系统养分运移对流-弥散方程用MATLAB语言编写土壤氮磷钾养分运移基本方程求数值解程序,结果表明,与专业软件Uptake相比,供试植物的氮磷钾总吸收量的相对误差分别只有+2.94%、-1.35%和+2.83%。程序能绘制生动美观的二维图形;数值解采用有限元法,较好地克服了Uptake软件有限差分法收敛较慢、积分区间内各节点解值相对精度不均匀的缺陷;程序简短高效,易于使用和维护。该程序只要稍加修改,就可用于求解目前各种CDE改进方程和土壤水分运动方程,从而使该领域复杂数学问题的求解变成简单易行。

Interaction between Cross-Linked Polyacrylamide and Water and Solute Flow in a Sand and Loam

Superabsorbents such as cross-linked PAM （polyacrylamides） are frequently used to increase water availability to plants. Commercial PAM providers suggest that besides its increasing water availability, PAMs also increase nutrient availability to plants. To test this premise, four application rates （0.0 g·kg^-1, 0.33 g·kg^-1, 1.66 g·kg^-1, 3.33 g·kg^-1 and 6.66 g·kg^-1） ofa PAM were mixed with sandy and loamy soils to evaluate its effect on nutrient leaching and retention in these soils. Miscible displacements of chloride were conducted on columns of PAM-soil mixtures and results were evaluated by an equilibrium CDE （convection dispersion equation） model. Increasing the PAM rates up to 1.66 g·kg^-1 resulted in increased early appearance and dispersive transport of chloride in sand. In addition, increasing the PAM rates gradually caused increased tailing of the breakthrough curves of chloride in both soils. These suggested that PAM increased preferential transport of chloride while it increased retention of chloride in soils. Effect of PAM on preferential transport and retardation of CI was greater in sand than loam.

生物炭对黄绵土中NO_(3)^(-)-N运移过程影响及模拟

为探究不同施加量生物炭对黄绵土NO_(3)^(-)-N运移过程及特征的影响,以生物炭与黄绵土质量比分别为0%(T0)、1%(T1)、2%(T2)、3%(T3)、4%(T4)和5%(T5)的6组混合土样为研究对象,以NO_(3)^(-)-N为示踪物质,通过室内土柱溶质运移模拟试验,研究了不同生物炭施加量对黄绵土中NO_(3)^(-)-N运移过程影响并进行模型模拟.结果表明,NO_(3)^(-)-N在黄绵土中的穿透曲线随生物炭施加量增加明显右移,峰值逐渐降低.初始穿透时间、完全穿透时间及穿透总历时均随生物炭施加量增大而增加,T1、T2、T3、T4和T5处理NO_(3)^(-)穿透总历时分别是T0的1.26、2.31、2.72、3.22和3.57倍.两区模型(TRM)的R2>0.997,RMSE<2.083,相较于对流-弥散方程(CDE),TRM模型拟合精度更高,能较好地模拟不同含量生物炭施加后的黄绵土中NO_(3)^(-)-N运移过程.对TRM模型拟合参数进行分析发现,随生物炭施加量增加,平均孔隙流速、水动力弥散系数和可动区含水比率均逐渐减小,而弥散度和质量交换系数呈现增加的趋势.研究显示,生物炭有效增强了黄绵土对NO_(3)^(-)-N的固持能力,减少了NO_(3)^(-)-N向地下水体的渗漏,对保持土壤肥力与防止地下水污染具有重要作用.