土壤中溶质运移的研究现状及问题

随着土壤盐渍化和环境问题的日益突出 ,以研究土壤水中的溶质在土壤中运移过程、规律和机理的土壤溶质运移理论已被环境科学、土壤科学、农田灌溉等各个相关领域学者关注。简要介绍了土壤溶质运移理论的发展过程和国内外学者数十年来关于土壤溶质运移的研究成果 ,对数值模拟的研究现状、数值计算方法的应用、水动力弥散系数和延迟因子 2个重要参数的测定等内容进行了一定评价 ,讨论了目前土壤溶质运移理论研究的不足之处     

土壤溶质运移研究现状

介绍了土壤溶质运移理论的发展过程和国内外学者数十年来关于土壤溶质运移的研究成果,探讨了其数学模型、数值计算方法以及参数估算方法的研究现状。     

利用同一土柱测定土壤水分和保守性溶质运移参数

利用数学模型预测土壤水分和溶质运移过程的准确性取决于所涉及的水力参数和土壤溶质运移参数的可靠性和精度。目前由于实验系统和研究方法的限制，在测定水力参数和溶质运移参数时所采用的土壤样本不一致，产生了样本误差。本文建立了利用同一土壤样本测定水力参数和溶质运移参数方法，即首先进行水平一维入渗实验，待土壤饱和后改换为供溶液试验，测定土壤边界层随时间的变化过程从而计算出溶质运移参数。与传统的利用土壤溶质穿透曲线获得参数的方法比较表明，本文提出的方法是可行的。     

田间条件下土壤氮素运移的模拟模型Ⅰ

将土壤ＮＨ４＋和ＮＯ３－视为土壤溶质，根据土壤溶质运移原理，选用描述土壤溶质运移的对流－弥散模型，建立了一个田间条件下土壤氮素运移的数值模拟模型模型中考虑了矿化、生物因持－释放、土壤氨挥发、硝化和反硝化等转化作用，并用线性模式描述土壤铵吸附，作物根系吸收也在源汇项中．各转化参数均需用土壤温度和湿度进行修正，所建模型为土壤水、热和氮素联合模拟模型．对联合模型中水盐运动模块用经典试验作了检验     

溶质运移理论的发展

关于土壤或地下水受到污染的问题,其实质是可溶性污染物在水流作用下在土壤或含水层中的运移结果,研究此问题而兴起的一门学科就是溶质运移理论。介绍了溶质运移模型、溶质运移的室内外试验研究成果和溶质运移数值模拟方法的研究现状。     

非稳定流条件下非饱和均质土壤溶质运移的传递函数解

根据溶质运移的传递函数模型Tromsfer Function Model, TFM理论，研究了非稳定流条件下非饱和均质土壤中表施和原有NO-3 N及原有Cl-的运移。由极大似然法估算了模型参数μ和σ2，求出了溶质运移的概率密度函数，计算了NO-3 -N的淋失量，并利用土壤中原有Cl-的动态，对NO-3 N的迁移过程进行了模拟，同时还估算了溶质的中值迁移时间tm和均值迁移时间相应的运移体积θst和θst。     

田间条件下土壤氮素运移的模拟模型I

将土壤ＮＨ＾＋４和ＮＯ＾－３视为土壤溶质，根据土壤溶质运移原理，选用描述地土壤溶质运移的对流－弥散模型，建立了一个田间条件下土壤运移的数值模拟模型，模型中考虑了矿化，生物固持－释放，土壤氨挥发，硝化和反硝化等转化作用，并用线性模式描述土壤铵吸附，作物根系吸收也在源汇项中，各转化参数均需用土壤温度和湿度作了进行修正，所建模型为土壤水，热和氮素联合模拟模型，对联合模型中水盐运动模块用经典经验作了检验。     

土壤溶质运移的边界层运动

本文以半无限土壤溶质运移的对流——弥散方程为例研究边界层运动规律。运用Laplace变换方法推导土壤溶质运移的边界层方程。数学分析表明边界层上溶质通量假设对于计算边界层运动距离和溶质浓度是可行的。边界层运动方程的一个重要应用是估算溶质运移参数，这个估算参数方法在数学上更简单、信息利用更全面，是一个值得研究和发展的新方法。     

土壤中溶质运移的特性及模型研究

综述近年来土壤中溶质运移的机理、溶质的吸附模型和溶质运移数学模型等方面的研究现状,并在现有数学模型的基础上,探讨了这些模型目前需要解决的问题及未来发展趋势.     

黄土区土壤溶质径流迁移过程影响因素浅析

根据室内降雨－入渗－产流过程中溶质迁移模拟实验研究结果，对降雨，有效雨滴功能，坡度，坡长，土壤溶质化学特性以土壤溶质随地表径流迁称全过程影响进行了分析，分析结果表明了雨强和有效雨滴动能与雨后表面土壤饱和含水量，土壤入渗能力，土壤水分运移深度，径流熔质浓度，径流溶质迁移总量以及径流溶质平均浓度间的关系，并根据Ｇｒｅｅｎ－Ａｍｐｔ人渗模式，推求了有效动能对土壤饱和导不率间关系，为进一步研究土壤溶质随地     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟：Ⅰ模型

本文基于零惯性量方程和一维对流-弥散方程建立起畦灌溉施肥地表水流溶质运移模型,并利用HYDRUS-2D软件模拟二维非饱和土壤水流溶质运移过程,以一维地表水流溶质运移模拟得到的通量条件作为二维非饱和土壤水流溶质运移模拟的上边界,利用编制的程序将两个模型进行集成,构建起畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型。基于多时段分步迭代计算方法,实现沿畦长地表入渗溶质通量动态变化条件下的二维非饱和土壤水流溶质运移模拟。     

基于遗传算法的田间尺度土壤水力参数与溶质运移参数优化

合理确定田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数，是保证农田土壤水盐动态模拟与预测正确性的的重要前提。本文开展了基于遗传算法（Genetic Algorithms, GA）与农田水文模型SWAP（Soil-Water-Atmosphere-Plant）耦合进行土壤水力参数和溶质运移参数优化的方法研究。GA以选择、交叉和突变三个算子为基础，融入小生境技术、精英保留策略、Micro-GA算子、蠕式突变等改进算法，同时我们引入了子体优生策略。本研究以完全嵌入方式耦合了GA与SWAP模型，以河套灌区曙光实验站为背景，采用土壤剖面分层含水率(θi)和溶液浓度(cml i)、土壤表层含水率(θsur)、实际土壤蒸腾蒸发量(ETa) 作为观测资料，开展了田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数优化的数值试验与相应分析。结果表明：(1) 采用土壤分层信息 (θi和cml i) 作为观测数据，GA参数优化效果很好；(2) 仅采用ETa作观测数据时的参数优化效果欠佳，需慎重使用，而结合ETa与θsur后可提高优化精度； (3) 引入子体优生策略可提高GA的参数优化效率和精度。综上，结合GA与SWAP模型是优化田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数的一种实用方法。     

基于遗传算法的田间尺度土壤水力参数与溶质运移参数优化

合理确定田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数是保证农田土壤水盐动态模拟正确性的重要前提。本文开展了基于遗传算法(Genetic Algorithms,GA)与农田水文模型SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)耦合进行土壤水力参数和溶质运移参数优化的方法研究。在已有GA基础上引入了子体优生策略,并以完全嵌入方式耦合GA与SWAP模型。采用河套灌区曙光实验站的土壤剖面分层含水率(θi)和溶液浓度(cmli)、表土含水率(θsur)、实际腾发量(ETa)等观测资料,开展了田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数优化的数值试验与相应分析。结果表明:(1)采用土壤分层信息(θi和cmli)作为观测数据,GA参数优化效果很好;(2)仅采用ETa作观测数据时,参数优化效果相对欠佳,需慎重使用,而结合ETa与θsur后可提高优化精度;(3)引入子体优生策略可提高GA的参数优化效率和精度。综上,结合GA与SWAP模型是优化田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数的一种实用方法。     

地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型研究综述

畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型对改进畦灌施肥技术,提高田间氮肥利用率及促进灌溉农业可持续发展具有重要意义。本文评述了畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型研究现状及其存在的问题,结论认为,有必要引入二维非饱和土壤水流溶质运移模型,以构建一维地表与二维非饱和土壤水流溶质运移集成模型并扩展其功能;求解地表溶质运移对流弥散方程ADE时,应研究更为高效便捷的方法,以更有效解决数值误差问题。     

不同数学模型模拟非均质土壤溶质大尺度运移的对比分析

利用长度为1250cm的非均质土柱中NaCl运移的试验资料,分别应用对流-弥散方程(CDE)、两区模型(TRM)、对流对数正态传递函数模型(CLT)、分数微分对流-弥散方程(FADE)和连续时间随机游走理论(CTRW)等数学模型对长土柱中溶质的运移过程进行模拟,对比各个模型的模拟结果,并从模型机理上分析模拟结果差异的原因,探讨各种模型描述非均质土壤中溶质大尺度运移的适用性。结果表明:CDE、CLT和FADE难以描述非均质土柱中的不规则穿透曲线,但FADE对穿透曲线尾部的模拟精度比CDE和CLT有所提高;与CDE、CLT和FADE相比,两者的模拟结果与实测值吻合更好,在穿透曲线尾部CTRW的模拟值略大于TRM的模拟结果;两者不仅较好地描述了穿透曲线的提前穿透和拖尾等不规则特征,而且捕捉到了非均质土柱中溶质不规则运移程度随着尺度增加而减弱的变化趋势。尽管TRM和CTRW均能很好地模拟长土柱试验所研究的饱和非均质土壤中保守性溶质的一维运移问题,但对于复杂的溶质运移问题的模拟,TRM和CTRW各有其优缺点。     

一维变密度溶质运移实验及参数推求

通过室内土柱注水实验,观测沙质土壤中氯离子浓度的变化过程。以变密度水流连续性方程、溶质运移方程和达西方程为基础,运用有限单元法和差分法对这3个方程进行联立求解,建立了一维变密度水流和溶质运移数值模型。利用实验数据反求变密度渗透系数、弥散系数等水动力参数。     

考虑残留氮对非稳定流场硝态氮淋失贡献的传递函数模型Ⅰ.地中渗透计验证

本文通过引入溶质迁移距离的概率密度函数的修正系数，将Jury等提出的模拟非稳定流条件下土壤保守溶质运移的传递函数模型理论扩展到考虑土壤剖面存在残留氮分布的土壤中，构造了一个能估算表施和残留氮对土壤硝态氮淋失动态贡献的传递函数模型。通过与野外地中渗透计实验资料的对比，表明该模型具有一定的仿真精度，模拟的土壤硝态氮累积淋失量的相对误差小于15％。     

土壤水氮迁移转化模型研究进展

水资源短缺和农业面源污染问题已成为农业可持续发展的关键制约因素,因此提高农田水氮的利用效率、减少氮素淋失及其对环境污染的影响具有十分重要的意义。随着土壤溶质运移理论研究的发展,国内外学者对土壤水氮运移、转化机理的研究不断深入。文章综述了国内外水氮运移、转化理论研究及模拟模型研究的现状,并讨论了该领域未来的研究趋势和有待解决的问题。     

溶质运移弥散系数反演数值方法研究

基于有限差分数值方法和单纯形探索理论,对溶质运移弥散系数反演数值方法进行了研究,提出了一维和二维溶质运移弥散系数反演方法.选用经典的二维溶质运移弥散反演实例进行弥散系数反演,当满足收敛条件时,计算浓度值与观测浓度值拟合较好,表明有限差分法与单纯形探索法相结合反求溶质运移弥散系数的方法是行之有效的.     

黄土区土壤溶质径流迁移过程影响因素浅析

根据室内降雨—入渗—产流过程中溶质迁移模拟实验研究结果，对降雨、有效雨滴动能、坡度、坡长、土壤溶质化学特性对土壤溶质随地表径流迁移全过程影响进行了分析。分析结果表明了雨强和有效雨滴动能与雨后表面土壤饱和含水量、土壤入渗能力、土壤水分运移深度、径流溶质浓度、径流溶质迁移总量以及径流溶质平均浓度间关系。并根据Ｇｒｅｅｎ－Ａｍｐｔ入渗模式，推求了有效动能对土壤饱和导水率间关系。为进一步研究土壤溶质随地表径流迁移提供指导。