浅谈Python在地下水溶质运移解析法中的应用

为提高地下水连续注入示踪剂-平面连续点源模型求解精度,适应环境质量标准浓度限值较低的溶质运移计算,同时减少环境影响评价工作量,采用Python对该模型推导过程公式进行求解,并将计算结果与传统查表法计算结果进行比较,并提出自适应预测范围的解决方案。结果表明,Python程序计算结果相较传统查表法计算结果精度更高,能够满足地下水环境影响评价工作的要求,并且自适应预测范围解决方案可行,可以减少计算量及预测范围调整工作量。

研究生课程“土壤溶质运移理论”思政教学的探索与实践

文章首先分析了研究生课程思政教学存在的问题,然后阐述了研究生课程“土壤溶质运移理论”思政教学的必要性与重要性,最后提出了研究生课程“土壤溶质运移理论”思政教学的实现路径。

地下水溶质运移软件(GTS)设计与实现

随着全球工业的快速发展,生态环境遭到严重破坏,环境污染日益加剧。地下水污染对生态环境有着消极的影响,地下水污染研究已成为水文地质和环境保护的一个重要研究课题。地下水溶质运移软件(GTS)被设计用于精准预测地下水溶质物质的运移路径、时空分布及运移速率,从而指导地下水污染防治与制定环境保护策略。本文介绍了GTS软件的基本功能及其实现原理,包括地下水模型和运移系数模型、地下水溶质数据处理程序和模拟结果图形化显示程序。本文综述了GTS软件的设计与开发思路,介绍了GTS软件的系统架构及整体架构,探讨了GTS软件的系统设计方法。此外,本文还对GTS软件的实现进行了一些案例分析,以验证GTS软件的有效性和可靠性。

基于文献计量的土壤溶质运移可视化分析

【目的】系统分析国内外土壤溶质运移领域的研究现状,探究其研究热点与未来发展趋势。【方法】基于Web of Science核心数据库(WoS)和中国知网数据库(CNKI),借助CiteSpace和VOSviewer可视化软件,从发文数量、发文国家、发文机构、文献来源、学科分布和关键词着手,对2003-2022年国内外土壤溶质运移研究进行可视化分析。【结果】①国内外土壤溶质运移研究总体呈上升趋势,且英文的发文数量多于中文。其中,中国和美国在该领域占据主导地位。②在发文量前10的机构中,中国仅有中国科学院,美国则有4家。此外,国内机构间的合作较为松散,而全球相关机构间的国际合作较为紧密。③该领域刊出的主要英文期刊有《Journal of Hydrology》《Vadose Zone Journal》《Water Resources Research》,主要中文期刊则为《灌溉排水学报》《水土保持学报》《节水灌溉》。④土壤溶质运移研究主要聚焦环境科学、水资源学和农业学等学科领域,且各学科间的知识内容具有交互性。⑤国内在该领域研究的主要关键词为“重金属”、“水盐运移”和“重金属迁移”,国外则为“solute transport”、“transport”和“water”。【结论】土壤溶质运移仍然是未来的研究热点,今后可从以下几点入手:生态系统中重金属或污染物的迁移转化;土壤溶质运移的尺度效应;农田灌排和耕作模式下的生态环境效应;考虑多因素影响的土壤溶质运移和作物生长耦合模型建立;土壤改良剂的筛选和集成应用示范。

边界层对粗糙单裂隙溶质运移影响试验

为探究非费克(non-Fickian)运移表现出的峰值提前到达和拖尾等现象,开展了粗糙单裂隙溶质运移试验,总结了粗糙单裂隙中溶质运移特征及运移机理,结合边界层理论对峰值提前到达和拖尾现象进行了分析和解释。结果表明:峰值时间和拖尾时间与边界层厚度之间存在较好的线性相关关系;边界层对裂隙介质溶质运移有较为显著影响,即水流速度越小,边界层厚度越大,滞留在边界层内部的溶质越多,溶质获取率越低;粗糙单裂隙中溶质穿透曲线的峰值提前和拖尾现象是由裂隙中心处以惯性力主导的主流区和裂隙壁面以黏性力主导的边界层区共同作用造成的,其中峰值时间主要由主流区的对流因素控制,而边界层区域的存在对拖尾时间影响较大。

常密度与变密度流体双组分溶质运移实验研究

为准确预测地下水系统中污染物的运移路径及浓度分布,需深入理解不同密度条件下多组分溶质的稀释及运移机理。本文通过室内实验,分别在常密度流体与变密度流体中,系统观测了荧光素钠与氯化钠两种化合物在不同混合比时的运移现象,量化了出口处的浓度分布、稀释指数及两种溶质的浓度标准差。研究发现:在常密度流体中,两种化合物的运移相互独立,其浓度分布取决于化合物各自的水动力扩散与弥散;而在变密度流体中,两种溶质的运移相互影响,其运移轨迹与浓度分布均相同,取决于占比较大化合物的运移结果;变密度对流导致溶质羽和周围流体的接触面积增大,相较于常密度条件,溶质的稀释程度得到大幅提升。

非平衡吸附条件下双分子反应性溶质运移规律研究

针对溶质非平衡吸附特征,建立了非平衡吸附条件下双分子反应性溶质一维运移模型,考虑了在对流、弥散、吸附(平衡和非平衡)、反应(氧化反应和自然需氧量反应)耦合作用下的溶质运移过程,选用COMSOL对模型进行数值求解。研究结果表明:①非平衡吸附条件下污染物去除的第一阶段为氧化反应主导的快速修复,第二阶段为非平衡吸附主导的慢速修复;②考虑非平衡吸附可以更加精准刻画污染物拖尾效应;③化学反应速率影响数k、平衡吸附比例影响数f以及非平衡吸附速率影响数a均对污染物的去除效率产生显著影响,且a的影响程度与平衡吸附占总吸附比例f相关,佩克莱数Pe影响较小;④在k,a,f较小且Pe较大的情况下,拖尾效应较为严重,必须考虑非平衡吸附。

弯曲岩溶管道溶质运移的尺度效应研究

岩溶管道溶质运移的尺度效应研究对穿透曲线的正确解译非常重要,但目前针对单一弯曲管道中溶质运移尺度效应的研究仍比较缺乏。文章将岩溶管道和溶潭分别概化为透明软管和水箱,基于前期建立的水箱-管道系统(简称“管道系统”),在水箱下游设置不同长度的弯曲管道,通过示踪试验研究管道运移尺度对穿透曲线的影响,并采用暂时存储模型模拟试验曲线。结果表明:(1)随着水箱下游管道长度的增加,峰值质量浓度逐渐缓慢降低,穿透曲线上升段斜率无明显变化,穿透曲线拖尾逐渐缩短,表明运移管道长度增加对溶质运移的影响大于下游管道弯曲;(2)穿透曲线偏度系数、后段溶质羽穿透时间和溶质羽穿透时间与管道系统长度呈良好的负线性相关关系(R^(2)>0.96);(3)当对称和不对称水箱管道系统长度分别增加至154.5 m和164.3 m时,偏度系数接近0,穿透曲线分布接近对称;(4)弥散系数、存储区截面积和交换系数与管道系统长度呈良好的负线性相关关系,当对称和不对称水箱管道系统长度分别增加至159.9 m和178.1 m时,存储区截面积接近0,水箱导致的溶质运移滞后效应基本消失。研究结果对野外岩溶管道穿透曲线的解译具有一定指示作用。

基于全耦合的地表水土壤水运动与溶质运移数值模拟

为探究降水条件下水分与溶质在地表和土壤中的运动规律,分别采用二维扩散波方程和传统的三维Richards方程描述地面径流和土壤水分运动,选用双层结点法对两者进行耦合,根据达西定律和地表与土壤水中的溶质浓度,计算地面径流和土壤水分的溶质交换量,从而构建地表水土壤水运动与溶质运移全耦合数值模型。选取已发表文献中的物理模型实验进行数值模拟,算例1和算例2中地表径流数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差分别小于14.8%和21.5%,均方根误差分别小于0.147cm^(2)/s和0.833cm^(2)/s;算例2中径流硝态氮浓度的数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差小于24.7%,均方根误差小于1.334mg/L。物理实验和数值模拟所得地表径流量和溶质浓度数据的对比分析验证了模型的合理性和准确度。研究结果可为地表水土壤水水分运动与溶质运移耦合分析提供理论支持。

不同沉陷应力区土壤水分和溶质运移的模拟试验

中国山西-陕西-内蒙古交界地开采沉陷对地表土壤扰动强烈,引起地表生态损伤。为了揭示开采沉陷对土壤水盐运移的影响机制,通过建立土壤沉陷物理模型,利用沉陷剖面不同应力区土壤容重数据建立HYDRUS-2D水盐模型,研究土壤蒸发过程中,土壤水分、总盐分、不同溶质离子在不同沉陷应力区随土壤深度和运移时间的变化规律。结果表明:(1)0~40 cm深度,沉陷拉张作用显著增强土壤蒸发作用,造成挤压区土壤含水率显著大于拉张区,土壤含水率随时间变化曲线呈现典型的蒸发过程“三阶段”模式。(2)沉陷组各应力区土壤总含盐量不但随深度呈现强烈变异,具体表现为20~40 cm、60~80 cm土壤总含盐量相对积聚;而且右侧拉张区总含盐量积聚深度有向下迁移的趋势。(3)沉陷拉张区Ca^(2+)、SO_(4)^(2-)、Mg^(2+)、Cl^(-)离子积聚浓度大于挤压区。Ca^(2+)、SO_(4)^(2-)、CO_(3)^(2-)土壤离子浓度随深度呈单峰积聚,沉陷拉张区积聚深度均显著下移。(4)HYDRUS-2D水盐模型可以较好地模拟开采沉陷土壤剖面中的土壤水盐运移。土壤含盐量、含水率的实测值与模拟值率定结果为平均相对误差(ME)≤0.5,均方根误差(RMSE)≤0.5,决定系数(R^(2))>0.95,模拟精度满足试验要求。研究结果可为科学开展开采沉陷区生态修复工程、提高生态自修复能力提供重要理论依据。

滨海地区分层含水层中陆源溶质运移过程

为更好地保护沿海水环境和水生态功能,亟需探究陆源溶质在滨海分层含水层中的迁移机制。构建二维分层含水层数值模型,采用地下水软件SUTRA-MS模拟分析潮汐作用下陆源溶质在分层含水层中的运移特征。结果表明:①与均质含水层相比,弱透水层的存在会延长溶质在含水层中的滞留时间、增大溶质最大扩散面积、削弱溶质在水平方向和垂直方向的扩散程度;②弱透水层能够降低陆源溶质向海水排放的最大通量,并且延长溶质排放的持续时间;③溶质扩散面积、弱透水层中溶质残余量、水平和垂向扩散程度等对弱透水层水力传导系数和厚度的敏感性优于弱透水层深度。

基于示踪试验和时域矩分析的岩溶管道溶质运移规律研究

地下水示踪试验可用于表征复杂岩溶管道结构特征、探究含水层溶质的运移规律。本文尝试建立了支管道、溶潭及跌水三类岩溶管道模型,并开展了一系列示踪试验以获取相应的示踪停留时间分布曲线。通过对上述停留时间分布曲线进行时域矩分析,分析了岩溶管道内的流体流动特性及溶质运移过程规律。结果表明,示踪曲线主要受支管道长度及路径差异、溶潭长度及形状、跌水长度及数量的影响。示踪曲线的多峰性是判断地层存在多条路径差不同的运移通道的重要依据之一,值得注意的是峰的数量不能直接用于判定路径数量。此外,当示踪曲线呈现长拖尾状时,可推测地层内存在溶潭及跌水等岩溶构造。本文研究结果为岩溶管道溶质运移理论研究提供了一些有益的参考和借鉴。

离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究

为研究河流阶地和洪积扇这类典型水力沉积单元污染物运移规律,搭建了大尺寸室内渗流槽开展溶质运移实验。通过点投放NaNO_(3)溶液模拟点源污染物在水力沉积物中的运移过程,测定不同位置主要离子成分随时间的变化,用于分析离子交换过程对于溶质运移的影响及溶质迁移规律。结果表明:在运移过程中,NO_(3)^(2-)属于保守性离子,穿透曲线呈尖瘦形,Na^(+)受阳离子交替吸附作用的显著影响,峰形陡升缓降;阳离子交替吸附作用降低了Na^(+)的弥散度,离子交替吸附作用对弥散度的影响随着运移距离的增加愈加明显;运移初期高浓度Na+在砂层中能交换出相当数量的Ca^(2+),Mg^(2+),K^(+)等离子;运移后期阳离子交替吸附反应方向改变,沉积砂层吸附水中的Ca^(2+),Mg^(2+),K^(+),穿透曲线存在3种阳离子低于背景值的情况;交替吸附作用使得对流-弥散作用下的Na^(+)质量浓度穿透曲线形状更加宽缓,“拖尾”现象更为明显;渗流砂槽内不同区域的水化学类型在空间上产生了差异性。研究成果对于开展水力沉积单元地下水污染防治具有一定指导意义。

地表地下耦合的水量及溶质运移模拟研究进展

地表水与地下水之间存在强烈的相互作用,构建地表水和地下水耦合的水量和溶质运移模型可以揭示地表水和地下水之间的相互作用机制,并提高地表地下水量水质预测的精度。介绍了现有的地表地下耦合的水量及溶质运移模型,对比了各模型的求解方法和适用领域,总结了这些模型的应用现状。其中水量模型中全耦合模型精度较高,是未来模型发展的主流方向,溶质运移模型中溶质反应过程模拟较为欠缺。未来应在优化求解算法、提高溶质反应模拟和加强裂隙介质模拟等方面深入开展相关研究。

Hydrus-1D软件模拟污染土壤重金属溶质运移

为了研究污染物在不同性质土层中的运移规律,以某化工厂污染土壤中的重金属为研究对象,选取土壤中的Cr^(6+)、Hg^(2+)、Cd^(2+)为污染物预测因子,应用Hydrus-1D软件建立重金属溶质运移模型,模拟重金属溶质在土壤中的运移变化过程,得到其在不同时间段的下渗最大距离和在不同土层的浓度平衡时间。结果表明:所建立的模型能够模拟重金属溶质在土壤中的分布和运移的时空变化规律;当下渗时间为200、1000 d时,Cr^(6+)、Hg^(2+)、Cd^(2+)的最大下渗距离分别为1.78、2.23、2.09 m和4.55、5.70、5.54 m;在杂填土和重壤土中,Cr^(6+)、Hg^(2+)、Cd^(2+)到达平衡所需的时间分别为1025、1430、1410 d和2280、3000、3019 d。

考虑变流速及尺度效应的一维溶质运移模型及半解析解

多孔介质中水流和溶质运移特性问题是地下水污染的研究基础,但其变流速与弥散度的尺度效应耦合作用对溶质运移的影响尚未完全清楚。基于对流弥散方程,构建了考虑随时间和空间指数变化的地下水流速及弥散度的一维溶质运移模型,利用积分变换及Laplace变换获得了半解析解。研究表明,指数变化的流速与尺度效应耦合作用导致穿透曲线(Breakthrough curves,BTCs)发生了明显变化,地下水流速的衰减及弥散度的尺度效应均能导致穿透曲线的拖尾,稳定速度的增加会增大对流作用,导致穿透曲线峰值增大,拖尾现象减弱。总之,在描述地下水溶质运移过程时,随时间和空间变化的流速及弥散度的影响不可忽视。

溶质运移解析法在地下水环境影响评价中的应用

本文以某化工项目为例,应用溶质运移解析法,以COD、NH_(3)-N、石油类作为预测因子,定量分析非正常状况下的地下水环境影响。预测结果表明:项目对地下水有一定的影响,必须加强对污水处理设施防渗的监管,定期监测污染物泄漏情况,采用高效的污水收集处理系统,设立地下水跟踪监测机制,制定事故应急预案。

土壤溶质运移两种新的求参方法的应用

本文通过对３ 种不同质地土壤（ 砂质壤土、壤质粘土和粉砂壤土） 的室内水盐入渗实验资料的分析，依据山口（Ｙａｍａｇｕｃｈｉ） 等提出的斜率法和等斜率法， 由土壤溶质运移的穿透曲线数据， 同时估算了平均孔隙流速和水动力弥散系数， 并与实测值、简化解析解法及矩法求算的结果进行了比较． 此外， 作者还探讨了抛物插值和Ｂｒｅｎｎｅｒ 数大小对求参精度的影响．

基于无量纲法两种一维溶质运移解的比较

溶质运移解析解用于快速预测污染物在土壤及地下水中浓度分布,基于无量纲分析法对考虑对流、弥散和降解因素影响的固定浓度边界条件及可变通量边界条件的一维溶质运移解析解进行比较,将固定浓度边界条件解与可变通量边界条件解以无量纲形式给出,并绘制大范围无量纲参数的典型曲线。结果表明,当以对流迁移为主时,第一类边界条件解的结果更加保守,当贝克莱数较大时,2种数学解的结果差异不明显,最后将2种数学解运用于具体案例。

地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移数值模拟研究述评

地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移规律是解决土壤盐渍化、地下水污染等环境与生态问题的基本理论基础,基于多孔介质水和溶质运移基本方程的数值模型是研究包气带物质运移的重要手段。通过深入分析土壤水和地下水之间的相互关系,强调在地下水埋深小于其极限埋深的情况下应把地下水作用耦合到包气带水和溶质运移模型中。该文概括总结了现有研究把地下水作用与土壤水模型相耦合的方法,并分析了各种方法的优缺点。在回顾现有土壤水分运动参数和溶质运移参数确定方法的基础上,归纳了包气带水和溶质运移模型从"点"尺度向"田块"尺度扩展的途径,随机方法仍将是今后的研究热点,并有望应用于实践。