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由于示踪剂浓度在时空上的变化规律的近似解析解在形式上与正态概

由于示踪剂浓度在时空上的变化规律的近似解析解在形式上与正态概

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  由于示踪剂浓度在时空上的变化规律的近似解析解在形式上与正态概率分布函数相同利用正态概率函数的特性 可计算出 值。用穿透曲线法求解水动力弥散系数 其概念清楚 计算简便。许多学者在上述基础上 应用各种数值算法对其改进 例如 采用时域反射仪作为溶质峰的探测手段利用穿透曲线法 求解水动力弥散系数得到了满意的

  由于示踪剂浓度在时空上的变化规律的近似解析解在形式上与正态概率分布函数相同利用正态概率函数的特性 可计算出 值。用穿透曲线法求解水动力弥散系数 其概念清楚 计算简便。许多学者在上述基础上 应用各种数值算法对其改进 例如 采用时域反射仪作为溶质峰的探测手段利用穿透曲线法 求解水动力弥散系数得到了满意的效果。利用穿透曲线法求水动力弥散系数仅适用于在 近似服从正态或对数正态分布时 且溶质的浓度较大的情况。因此 提出了由数据同时估算斗。和 的斜率法及等斜率法 对金属在土壤运移进行估计 结果表明 该方法具有计算快速而简单 对饱和及非饱和流均适用的优点。任理【 】在上述基础上通过 的实验数据 采用“新陈代谢”思想在抛物插值条件下 应用斜率法求得水动力弥散系数 在实际应用中取得良好的结果。 水平土柱吸渗法水平土柱吸渗法是在一可分节的有机玻璃土柱中测试水动力弥散系数 在有机玻璃 柱的一端装有多孔板和供水室。试验前 先将风干土样分层装填压实 务求均匀 严格控制容重 使之一致 并测定土样的初始溶质浓度。在土柱进水端维持一个接近饱和的稳定边界含水量 并使水分在土柱中作水平吸渗运动。由一维非饱和溶质运移方程及定解条件 根据试验数据可求得非饱和土壤水动力弥散系数。该理论推导严密 可用于室内扰动土测试。邵爱军等 】采用此法计算水动力弥散系数 得到了较好的试验结果 且计算出该土壤的水动力弥散系数与孔隙流之间的关系。 瞬时剖面法用瞬时剖面法求解水动力弥散系数的原理与求解非饱和含水率的瞬时剖面法相似 若已知非饱和土壤溶质运移过程中某两个瞬时时刻的浓度剖面分布 便可求出剖面上各点的水动力弥散系数。瞬时剖面法具有实验和计算简单的优点 通过一次实验就可求出一组水动力弥散系数 便于在科学研究和实际中应用 该法不仅可在室内测试 也可在野外测试水动力弥散系数。 在有胶体吸附情况下采用此法求解污染物迁移中的水动力弥散系数 计算结果可以较好地预测污染物在饱和土壤中的迁移。但该方法的采样点较少 所求的水动力弥散系数的准确性不高。 水分特征曲线法该方法 是利用试验测得的水分特征曲线计算出比水容量 和非饱和渗河海大学硕士学位论文透系数再根据 靠——土壤饱和含水量乱——土壤的残留含水量 一拟合参数 。——特征的变化渗透系数 。该方法需首先测得土壤水特征曲线 再得出土壤水动力弥散系数。计算出的弥散系数 采用此法计算自然界雪地中污染物迁移的水动力弥散系数结果发现 水动力弥散系数是关于雪地的函数。但此方法过程涉及参数多 计算复杂。 反函数法反函数法口加是将土壤中溶质运移方程经过数学变换 再根据实验测得的 的数据反求水动力弥散系数 。在一维稳态和连续注入一定示踪剂浓度的弥散试验过程中 其定解问题的解析解表达式为 对其进行适当的变量替换表示如下 ——相对浓度在形式上与正态概率分布函数相同 一击则为取样点 根据 式和试验数据 即可求出弥散系数 。中国科学院水利部水土保持研究所石辉对黄土高原地区几种代表性土壤作试验 按照上述原理 根据直线的截距和斜率 估计了 参数 并根据估计的参数 利用近似解析解对四种土壤溶质运移的穿透曲线进行了模拟 得到的模拟结果与实测结果一致。随着水动力弥散研究领域的扩大 人们发现 不管采用何种形式的弥散系数表达式 野外测得的弥散系数值常常比室内测定结果大几个数量级 因此 有人称之为依赖于尺度的弥散系数【 】。这使得小尺度实验中得到的弥散系数无法应用于较大尺度的区域预报。人们趋于一致的看法是 这种巨大的差别起源于野外条件下介质的不均匀性。 等研究表明 弥散系数存在分形效应。这是由于在野外 多孔介质的非均匀性和空间变异性导致了渗透性能的空间变异性 而渗透性能的变异性直接影响到地下水中溶质的运移过程。因此 众多学者 】对多孔介质渗透系数的空间尺度效应作了深入的研究 以期从理论说明渗透系数对水流和溶质在多孔介质中运移产生的影响 从而可以定量地估算地下水污染物扩散和溶质运移。针对上述情况 国外学者【 提出土壤结构中团聚体之间的大孔隙体系和团聚体内部的孔隙体系是两种完全不同的体系的观点 他们认为每个孔隙体系不是均质的 且具有自身水和溶质迁移的特征 并根据野外田间特点 建立了污染物在土壤中迁移的大孔模型。该种模型中对水动力弥散系数的求解往往采用变系数法 该法的特点是在模型引入不同的水动力弥散系数 根据地区的不同 所求水动力弥散系数也不相同。目前 该种模型是国外研究的热点 …。因此如何测定野外田间的水动力弥散系数将是这一领域的研究重点。二、土壤水分特征曲线的研究进展土壤水分特征曲线定义了压力水头与土壤水分含量之间的函数关系 它和水力传导率决定了水分和化学物质在土壤中的运移速度 其可靠性直接影响着模型的预测结果。土壤水分特征曲线是高度非线性的函数 受到多种环境和土壤因素的影响 准确测定这一关系非常困难。近二十多年的研究已经表明 根据土壤基本性质 如粒径分布、容重等 采用经验和物理一经验模型来预测水分特征曲线的间接方法基本上能够满足模型对精度的要求 是流域尺度研究中的一种方便可行的替代方法【 描述水分特征曲线的经验公式解析形式的水分特征曲线经验公式目前已得到广泛的应用。这是因为这种形式的函数可根据有限的实测数据点估计完整的水分特征曲线 便于在各种计算机 河海大学硕士学位论文模型中采用 而且许多间接方法也是根据这些经验公式的参数与土壤基本性质之间的相关关系建立起来的。更为重要的是 它可以结合统计的孔径分布模型来预测非饱和水力传导率 。按照其数学形式 描述水分特征曲线的经验公式可以分成 即指数型、幂函数型、多项式型和误差函数型。其中较多采用的是幂函数形式的经验公式如最为常用的 公式口 为饱和度臼一目 以一目 以分别表示土壤的饱和与残余含水量均为无量纲 为压力水头 口、卢为经验性的形状参数 可通过拟合实测数据得到。但该模型 当基质势处于负值时 在土壤水分特征曲线上存在一个不连续点 导致饱和一非饱和流的数值解不易收敛。 在土壤水分曲线已知的前提下 得出非饱和流渗透系数的表达式 旧式中占为体积含水量 为基质势 分别表示土壤的饱和与残余含水量均为无量纲 。为进气基质势 为非饱和渗透系数为饱和渗透系数 是有效饱和度 无量纲 在不考虑水分滞留作用影响时 由下式表示为 生生 曰。一日若用基质势表示非饱和渗透系数 采用下式 北京师范大学环境科学研究所王金生考虑土壤水滞留作用的影响 公式基础上建立吸湿、脱湿的滞留曲线 采用最 乘法与非线性单纯法相结合 第一章绪论模拟水分滞留曲线中 个独立待求的特性参数 由于不同的经验公式适用的范围不同在研究中首先需要根据其对实测数据的拟合效果来进行比较 然后选取一种最适合的方程。 估计水分特征曲线的间接方法间接方法是指利用粒径分布、容重、有机质含量等土壤基本性质 通过某种经验和半经验的关系建立起来的预测水分特征曲线的一大类方法。按照其基本原理和构建方法 可分为 土壤转换函数方法物理一经验方法 、分形几何方法 土壤转换函数方法土壤转换函数是一种将已有的基本数据转换为需要的数据预测函数就估计水分特征曲线而言 土壤转换函数就是利用已有的土壤基本性质 如粒径分布、容重、有机质含量等 通过某种算法 如回归分析 构建起来的预测吸力与水分含量之间关系的函数口”。目前 人们已提出了 种方法将输入和输出数据关联起来构建土壤转换函数 回归分析、人工神经网络、数据处理的分组方法、分类与回归树方法。回归分析是最早的也是应用最多的十方法。目前由土壤质地 即土壤砂粒、粉粒和黏粒的百分含量以及土壤容重等土壤物理性质完成土壤转换函数功能的软件是 它提供了非常快捷的土壤转换函数功能。 编制软件提供了求解此 个参数 个参数就可方便地得到土壤持水曲线方程和土壤水传导率方程。中国科学院魏义长运用软件对辽西淋溶褐土的土壤水动力学参数进行推导估算 并进行实测验证【 】。土壤转换函数有明显的地域性 即在某地建立起来的 可能并不适用于其它地区。此外 土壤转换函数通常是用实验室土样建立起来的 其预测结果不一定适用于田间尺度的问题。 物理一经验方法物理一经验方法的理论基础在于不同土壤的累积粒径分布曲线和水分特征曲线的形状相似。考虑到土壤水分特征曲线实际上就是土壤孔隙大小分布曲线 最先提出十根据粒径分布、容重和颗粒密度来估计水分特征曲线的物理一经验模型。假定土壤是由球状颗粒和圆柱状毛细管束组成的多孔介质 模型将土壤粒径分布转换为等价的孔隙分布。对应于每个颗粒级别的孔隙体积是等价粒径、颗粒质量百分含量和一个通过非线性回归得到的经验参数 的函数。随着研究的深入 人们发现加 模型中的经验参数并不是一个常量。对于不同的土壤质地类型其大小不同。 等对这一模型作了改进 提出了两种方法 相似性方法和逻辑生长方法 来反求随粒径变化的变量形式的经验参数 。为了解决逻辑生长算法需要足够多的实测水分特征数据来校正模型得到经验变量 这一问题 】等采河海大学硕士学位论文用 】提出的非相似介质概念推导了一种根据粒径分布、容重和颗粒密度等预测水分特征曲线的解析模型。它不需要预先知道实测水分特征数据 同时将容重、土壤质地类型等也结合在模型中 最大限度地利用了有限的已知资料。 种土壤的分析资料检验了非相似介质模型的有效性。刘建立和徐绍辉的研究表明 在压力水头小于 非相似介质模型的预测效果比较理想。分形几何方法分形理论是由 首先将利用分形理论应用到预测水分特征曲线中他们通过研究发现 模型中的经验参数实际上就是弯曲孔隙壁的分形维数是孔隙弯曲程度的度量。分形模型相对于前面 种间接方法的最大优点是将明确的物理意义引入了经验性的水分特征公式中如 方程等。同时根据土壤粒径分布推求分形维数的方法具有较强的实用性。但是 土壤水分的持留受到多种结构因素和化学、矿物学性质等的影响 因此一个完善的分形模型可能需要包含不同层次上的土壤结构信息和其它土壤基本性质数据。徐永福和孙德安用分形理论表示了土体的孑 隙分布 并建立了孔隙分布分维与非饱和土体导水系数问的相互关系【 】。江苏省交通规划设计院孙大松根据孔隙分布的分形模型 导出用分维和进气值表示的水分特征曲线和渗透系数的理论表达式 并将理论表达式与已有的非饱和土的水分特征曲线和非饱和渗透系数进行了比较 验证其提出的理论公式【 。南京大学地球科学系刘慧提出的分形方法是根据土壤粘粒含量估计水分特征曲线。对 个不同质地的样本进行研究的结果表明 这种简化方法预测体积水分含量的均方根误差介于 之间 略小于采用完整颗粒分布资料的预测结果 其精度适合于大尺度实际问题的研究【 研究思路、研究方法通过以上的介绍在了解了国内外土壤溶质运移的研究动态后 得知溶质在土壤中的迁移受到多种因素的影响 除与水分运动相关外 还与其自身的许多特点有关 如土壤颗粒的吸附、解吸、硝化、‘反硝化、矿化、挥发、作物根系吸收等等。这些因素既有土壤溶质运移的共性 也有具体溶质、作物、土壤所具有的特性 必须针对具体的化学物质 搞清它在土壤中转化的数量关系 才能对其的影响作出评价。这就使得人类的研究工作不断深入地开展 从小尺度的室内试验研究扩展到考虑参数空间变异性的大尺度区域研究 在土壤介质结构方面 由均质土壤研究到分层土壤结构的研究 在土壤水分运动方面 由非饱和带的平均孔隙速度发展到研究可动水体和不可动水体 并综合考虑水、气、污染物及土壤四者之间相互作用关系 第一章绪论从以对流一弥散为主的物理模型到物理模型与化学反应相结合的多组分模拟模型。紧密结合生产实践、区域特点、土壤类型、气候条件、人类活动现状等 进一步研究溶质运移理论问题 使溶质运移理论为人类服务。本文的研究思路 试验是人类探索自然奥秘的手段 本文以试验为基础 以数学模拟为手段 研究了氟、氯两种离子在土壤中的运移规律。首先 从小土柱试验开始 研究了两种离子在土壤中的迁移规律。在掌握了溶质运移的基本规律性后 在此基础上 再进行较大尺寸的模型试验 开展了溶质在大土柱、土槽中运移的实验研究 分别再现溶质在垂直、水平方向上的运移特征。通过对实验数据进行分析 总结出各自的运移规律。由于土壤水和溶质在非饱和条件下的运移十分复杂 其运移参数均与土壤的含水率有关 参数的测定较为困难。本次实验非饱和参数部分着重研究两方面内容 吸力平板仪法测定土水特征曲线 稳定流法测定土壤非饱和导水率。研究方法 台适的方法是一切工作的前提 对于不同的研究内容有不同的研究方法。对于本项研究 采用室内试验的方法 结合化学物质在土壤中的特性 通过室内试验查清溶质运移的机理、内在规律。采用室内试验与数学模拟相结合的研究方法 以便取长补短、互相补充 深入认识溶质运移的内在规律性。先从土壤物理机制入手 从主要影响因素上找出描述溶质运移的模型构架 根据试验数据估计模型参数 并修正模型 最后通过模型识别全面探讨溶质运移的规律及影响因素。 研究目标、实验设计 研究目标 研究溶质在垂向、水平向的运移 研究溶质在不同土壤质地中的运移 研究不同溶质在同一质地土壤中的运移 研究不同的溶质加入方式对溶质运移的影响 研究不同土壤水力条件下 饱和、非饱和 的溶质运移 比较不同质地土壤的持水特性和非饱和导水率 为溶质在非饱和区运移提供参数保证。河海大学硕士学位论文 实验设计 围绕研究目标 试验设计如下 为了研究同一溶质在不同质地土壤中的运移 设计砂土类别如下 细砂、细砂混高岭土 、中砂与高岭土三种混合比例 为了研究不同溶质在土壤中的运移选取示踪液有两种 溶液实验测试系统及实验装置设计 为了研究不同溶质加入方式下的溶质运移特征 设计了两种不同直径大小的小土柱实验装置 为了研究不同土壤水力条件下非饱和条件下 溶质运移的规律 特制大土柱实验装置 并采用中国科学院南京土壤研究所开发的 型坝体监测系统来量测非饱和区基质吸力的变化 同时开展非饱和土壤水分运动试验 土壤水分特征曲线试验、非饱和导水率测试实验 为掌握和模拟非饱和区土壤水分运动、溶质运移提供参数保证 采用的试验装置分别为 吸力平板仪装置、非饱和导水率仪。设计土槽试验装置来研究溶质在水平向的运移。河海大学硕 学位论文第二章非饱和土壤水分运动特性实验研究在非饱和土壤水分运动及溶质运移的研究中 需确定许多参数。其中非饱和土壤导水率 、扩散率 、土壤水分特征曲线、水动力弥散系数 及吸附参数磁是关键参数。合理、准确地确定这些参数 是我们正确认识、掌握和模拟非饱和土壤水分运动 溶质运移规律的关键所在。其中持水性能 和非饱和导水率 是确定土壤水力特性中最重要的特性 前者反映土壤贮蓄水的能力 后者则表示土壤传输水分的能力 我们通过室内实验方法直接测定土壤的水力特性。实验内容包括 土壤水分特征曲线、非饱和土壤导水率的测定。每部分实验内容都详细地介绍了实验原理、实验装置、实验步骤以及实验成果的整理及分柝 并采用 模型公式对实验参数进行了拟合分析。 非饱和土壤水分运动模式 月在美国召开了一次关于土壤水力性质评估的国际会议 会后由 教授等主编了论文集。该次会议主要讨论了用间接方法估计非饱和土壤水力特性。 教授等人提出的估算方法开始流行 他用下列表达式表示水分特征曲线 分别为含水率、饱和含水率、残余含水率为土壤基质势 为非线性回归系数。然后用的统计模型【 可导出非饱和导水率的计算公式如下尼 某野外实验场对从地表到潜水位 范围内的 利用国外学者先后提出的种经验公式和编制的多变量回归程序进行拟合计算 得出 模型的拟合效果最好【 。夏卫生等‘ 通过用实测和土壤转换函数推导方法对水分特征曲线进行了研究 认为 第二章非饱和土壤水分运动特性实验研究 模型拟合效果好。徐绍辉等 也同样得出了粗质地的土壤 如砂壤土 模型来拟合水分特征曲线比较合适。土壤水分特征曲线实验研究土壤水分特征曲线实验选用六种土样 细砂、细砂 每种土样有两个平行样。土样为扰动土室内按干容重要求制备试样 然后环刀取样 每个土样的环刀尺寸为 。六种土样的干容重、饱和体积含水率见表 所示。实验时间为 月。本实验不仅测定了脱湿过程的土水特征曲线还测定了吸湿过程的土水特征曲线 这样可以将土壤的滞后效应考虑进去。表 种土样干容重和饱和体积含水率砂土类别干容重 饱和体积含水率细砂 细砂 高岭土 第一组 细砂 高岭土 第二组 高岭土第一组 高岭土第一组 高岭土第二组 高岭土实验原理将一定粗细的石英砂或高岭土压实成平板后 即成为吸力平板 吸力平板充水后 其间的细微孔隙具有很强的持水能力 若在平板下旌加 个吸力 。这个吸力若小于平板内最大孔隙的持水力毛管引力 这种平板只能渗过水流而不能透过空气。一平板上放置一块被水分饱和了的土样 平板下的吸力为 。这时 土样中一部分水分将通过平板向下渗流 直到土壤的持水力与吸力 相等时 向下运动的水流就停止。如果 再增加吸力 由土样通过平板的水流又开始了。直至士壤持水力与新施加的吸力相等 达到平衡 水分不再运动 记录每一次施加的吸力 值。通过对每次达到平衡后的试样称重。我们就可得到一系列水分吸力与土壤含水量的对应值。将这些对应值作图 就可得出土壤水分特征曲线。当然 该仪器可测定的土壤吸力范围与吸力平板本身的孔径有关。平板本身的

  典型溶质在土壤中运移规律的实验研究及数值模拟硕士论文,典型数值的术语,溶质质量分数,溶质的质量分数,油气二次运移,溶质的物质的量,溶质的质量,氨水的溶质,溶质质量分数的计算,溶质质量分数公式

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