层状土壤指流及污染物优先迁移特性的试验研究

论文摘要

西北黄土的典型地质特征是非均质性和各向异性,层状结构非常明显。这些特点都是优先流发生的基础。大量的研究结果表明污染物随优先流的迁移是造成深层土壤和地下潜水污染的主要原因。为了了解优先流通道对水分和污染物的运移,本论文结合国家自然科学基金项目——“结构性黄土污染物优先迁移特性实验研究”,采用西安黄土和砂子进行非饱和层状土壤积水入渗实验,研究模拟指流水分运动以及指流条件下污染物（NO3--N）迁移的基本规律。考虑不同的土壤物理性质对模拟指流水分运动的影响及指流水分运动对NO3--N运移的影响,揭示了层状土壤中有关模拟指流水分运移及NO3--N的运移规律,从而为模拟指流水分运动的进一步研究提供必要的科学依据。论文在充分了解国内外指流研究和NO3--N运移研究的基础上,通过室内系统的实验及模型模拟,取得了如下的主要研究成果：1、提出了层状土壤中模拟指流现象的试验方法,在试验土箱中安装指流模具,利用粒径不同的砂子模拟指流水分运动现象。2、积水入渗过程中,土壤的物理性质不同,模拟指流水分运动过程的影响因素不同。本文利用指流速度来描述指流特征,指流水分运动的影响因素不同,速度也不同。上层土壤厚度越大,指流速度越慢；基质域内砂子中值粒径d50越大,指流速度越慢；而上层黄土的初始含水率越大,指流速度越快。3、研究了层状土壤指流水分运动过程对NO3--N运移的影响。土壤性质不同,水分运移过程中对NO3--N的淋洗效应不同。上层土壤厚度越大,指锋处NO3--N浓度分布越小；上层土壤初始含水率越大,指锋处NO3--N浓度分布越小；基质域内砂子中值粒径越大,指锋处NO3--N浓度分布越小4、采用两区模型,把入渗水分分为动水和不动水两部分,利用Richards方程和质量平衡方程联合建立模拟指流水分运动的数学模型,并且利用该方程的数值解模拟指流水分运动过程,并与实测值比较,结果表明该模型模拟值和实测值的相对误差较小,说明该模型对于模拟指流水分运动是有效模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 土壤水分入渗模型介绍
• 1.2.1 物理基础模型
• 1.2.2 经验模型
• 1.2.3 概念模型
• 1.3 指流的研究现状
• 1.3.1 指流形成机理研究
• 1.3.2 指流影响因素
• 1.3.3 指流试验方法研究
• 1.3.4 指流的模型研究
• 1.4 污染物在土壤中的迁移规律
• 1.4.1 污染物在土壤中迁移的物理过程
• 1.4.2 污染物在土壤中迁移转化规律的研究进展
• 1.5 论文的研究内容
• 1.5.1 均质土壤水分入渗特性研究
• 1.5.2 层状土壤模拟指流水分运动特征研究
• 1.5.3 指流条件下土壤中溶质运移特性研究
• 1.5.4 指流运动的数值模拟研究
• 1.6 技术路线
• 2 实验设备和土壤基本参数测定
• 2.1 实验设备
• 2.1.1 实验设计
• 2.1.2 供水装置
• 2.1.3 试验装置图
• 2.1.4 指流模拟
• 2.1.5 观测方法
• 2.2 土壤参数测定
• 2.2.1 土壤饱和导水率
• 2.2.2 土壤水分特征曲线
• 2.2.3 实验土样的机械组成
• 2.2.4 实验土壤的物理性质
• 3 均质土壤积水入渗特性研究
• 3.1 试验设计及基本参数
• 3.2 试验成果及讨论
• 3.2.1 湿润锋运移特征分析
• 3.2.2 三种含水率土壤水分入渗对比分析
• 3.3 小结
• 4 层状土壤模拟指流运动特征研究
• 4.1 上层土壤厚度对模拟指流运动影响研究
• 4.1.1 试验设计方法和基本数据
• 4.1.2 试验结果分析
• 4.2 下层基质域内砂子粒径对模拟指流运动影响研究
• 4.2.1 试验基本参数和设计方案
• 4.2.2 试验结果分析
• 4.2.3 拟合公式验证
• 4.3 上层土壤初始含水率对模拟指流运动影响研究
• 4.3.1 试验设计与试验基本参数
• 4.3.2 结果分析
• 4.3.3 拟合模型验证
• 4.4 小结
• 5 模拟指流条件下土壤溶质运移特性研究
• 5.1 指流条件下上层土壤厚度对硝态氮运移的影响研究
• 5.1.1 试验设计方案和基本数据
• 5.1.2 湿润锋运移特征分析
• 5.1.3 不同位置硝态氮浓度分析
• 5.2 指流条件下基质域内砂子粒径对硝态氮运动的影响研究
• 5.2.1 试验方法和基本参数
• 5.2.2 不同粒径砂子的湿润锋运移特征
• 5.2.3 不同位置硝态氮的浓度分析
• 5.3 指流条件下上层土壤初始含水率对硝态氮运动的影响研究
• 5.3.1 试验方法和基本参数
• 5.3.2 结果分析
• 5.3.3 不同位置硝态氮的浓度分析
• 5.4 小结
• 6 指流运动的数值模拟
• 6.1 水分运动数学模型
• 6.1.1 均匀流水分入渗模型
• 6.1.2 动水-不动水区模型
• 6.2 模型的数值解法
• 6.3 试验过程的数值模拟
• 6.3.1 试验结果与模拟结果的比较
• 6.3.2 结果分析
• 6.4 小结
• 7 结论与建议
• 7.1 主要研究成果
• 7.2 存在的问题和不足
• 致谢
• 参考文献
• 附录