中水灌溉土壤非饱和带污染物运移的实验研究及数值模拟
|
摘要
针对石嘴山市利用中水灌溉绿化带问题，采用室内实验与数值模拟分析相结合的方法，研究了污染物NH_4—N，P在灌溉入渗条件下在土壤非饱和带中的迁移和累积规律并利用数学模型对长期灌溉条件下的溶质运移规律进行模拟及预测。研究成果对缓解城市用水紧缺矛盾，保护生态环境具有重要的意义。主要研究成果有：
1．考虑对污染物运移最不利的灌溉及降雨情况，研究污染物的分布规律结果表明：对于污染物氨氮磷素而言，其在土壤中的影响范围随灌水定额的增大灌水次数的增加而扩大污染物的分布范围与水分的分布范围基本一致，但在土壤的吸附作用下，这两种污染物主要集中在土壤上层的一定范围内，水量与灌水次数对它的影响小于暴雨的淋洗作用；在采用节水灌溉方式时，长期的灌溉将使土壤中污染物的累积量增加，但对于迁移而言，影响不大，在地下水埋藏很深的地区，不会成为地下水污染的潜在威胁。
2．根据试验测得的参数值，建立了灌溉入渗条件下的一维土壤水分运动污染物运移的数学模型，并利用有限差分法，借助Matlab数学软件包编程求出其数值解结果表明：模拟值和实测值总体较为一致，可对不同初边界条件下的水分、污染物迁移进行模拟和预测。
Aimed at the problems resulting from the middle water irrigation, The soil water movement and solute transport(NH4-N, P) in the soil column under different irrigation frequencies quantities and so on are investigated in this study. Meantime, the mathematical model of water transport and the transformation of NH4-N, P in unsaturated soil are established and solved by the characteristic finite difference method. The research results will form a basis for long term prediction.
1. The contamination distribution under the worst irrigation condition was discussed. Such as the effect of different irrigation ratio and rainstorm. From the experiment data we can get: Spread area of solute was the same as water movement. But, four kinds of irrigation frequency have various influence. Another phenomena should be considered, most of NH4-N, P can not moved deeply in soil but cumulate at upper layer of soil. That is to say, the adsorption of soil for NH4-N, P leads to the result that transportation of solute lags behind water movement. At the same time, the infiltration and leaching under rainfall play a more important role on contamination transformation than on water quantity. According to the analysis of laboratory experiments, except the cumulate of contamination in soil for a long time, the middle water irrigation will
not endanger deep embedding underground water if we take account of water saving irrigation methods.
2. On the basis of key parameters that drawn from the test results, the mathematic modeling of water movement and NH4-N, P transportation was established. Programs were made to get the numerical solution by Matlab software. In general, The calculated results agree with the observed data. This model can simulate and forecast the solute transportation in a long run.
1．考虑对污染物运移最不利的灌溉及降雨情况，研究污染物的分布规律结果表明：对于污染物氨氮磷素而言，其在土壤中的影响范围随灌水定额的增大灌水次数的增加而扩大污染物的分布范围与水分的分布范围基本一致，但在土壤的吸附作用下，这两种污染物主要集中在土壤上层的一定范围内，水量与灌水次数对它的影响小于暴雨的淋洗作用；在采用节水灌溉方式时，长期的灌溉将使土壤中污染物的累积量增加，但对于迁移而言，影响不大，在地下水埋藏很深的地区，不会成为地下水污染的潜在威胁。
2．根据试验测得的参数值，建立了灌溉入渗条件下的一维土壤水分运动污染物运移的数学模型，并利用有限差分法，借助Matlab数学软件包编程求出其数值解结果表明：模拟值和实测值总体较为一致，可对不同初边界条件下的水分、污染物迁移进行模拟和预测。
Aimed at the problems resulting from the middle water irrigation, The soil water movement and solute transport(NH4-N, P) in the soil column under different irrigation frequencies quantities and so on are investigated in this study. Meantime, the mathematical model of water transport and the transformation of NH4-N, P in unsaturated soil are established and solved by the characteristic finite difference method. The research results will form a basis for long term prediction.
1. The contamination distribution under the worst irrigation condition was discussed. Such as the effect of different irrigation ratio and rainstorm. From the experiment data we can get: Spread area of solute was the same as water movement. But, four kinds of irrigation frequency have various influence. Another phenomena should be considered, most of NH4-N, P can not moved deeply in soil but cumulate at upper layer of soil. That is to say, the adsorption of soil for NH4-N, P leads to the result that transportation of solute lags behind water movement. At the same time, the infiltration and leaching under rainfall play a more important role on contamination transformation than on water quantity. According to the analysis of laboratory experiments, except the cumulate of contamination in soil for a long time, the middle water irrigation will
not endanger deep embedding underground water if we take account of water saving irrigation methods.
2. On the basis of key parameters that drawn from the test results, the mathematic modeling of water movement and NH4-N, P transportation was established. Programs were made to get the numerical solution by Matlab software. In general, The calculated results agree with the observed data. This model can simulate and forecast the solute transportation in a long run.
引文
【1】 周彤．污水回用的决策与技术．化学工业出版社．中国北京．2001
【2】 宁夏回族自治区石嘴山市大武口区地下水动态观测五年总结报告(1986—1990)．宁夏地质环境监测总站．1992
【3】 刘兆昌，张兰生等．地下水系统的的污染与控制．中国环境科学出版社．1991
【4】 J．vrba和E．Romijn．农业活动对地下水的影响．地质出版社．991
【5】 李韵珠等．土壤溶质运移．科学出版社．中国：北京．1998
【6】 Rose D A el.al, The Analysis of Experiments on Hydrodynamic Dispersion Soil Science, 1971,111(4):
【7】 Jury W A. Solute Travel—Time Estimate for Tile—Drained Field Ⅰ: Theory. Soil Sci. Soc. Am. J. ,1975, 39:
【8】 Van Genuchten, M. TH el.al Boundary Conditions for Displacement Experiments through Short Laboratory Soil Columns. Soil Sci Soc, Amer. J. 1984, 48:
【9】 Jaymes D B. Field Study of Bromide Transport under Continuous—Flood Irrigation. Soil, Sci, Soc. Am. J. 1991,
【10】 Ellsworth T R, et al, Solute Transport of in Unsaturated Soil: Experiment Design, Parameter Estimation, and Model Discrimination. Soil. Sci. Soc. Am. J. 1996, 60:
【11】 朱济成．关于氮肥地下流失的初步研究．环境科学1980，4(5)
【12】 江德爱等．对圆明园农业区地下水氮污染状况的调查与探讨．环境科学1981，5(4)
【13】 刘兆昌，聂永丰等．重金属污染物在下包气带饱水条件下迁移转化的研究．环境科学学报1990，10(2)
【14】 刘翔，刘兆昌，朱琨．氮对地下水的污染预测模型．环境科学1991，12(6)，8—11
【15】 杨大文，杨诗秀．农药在土壤中迁移及其影响因素的初步研究。土壤学报1992，29(4)
【16】 冯绍元，郑耀泉．农田氮素的转化与损失及其对水环境的影响．农业环境保护1996，11(5)
【17】 张蔚榛，张瑜芳等．排水农田中氮素转化运移与流失．中国地质大学出版社．1997
【18】 刘忠翰等，污水土地处理水旱轮作条件下磷素在土层中迁移特征的模拟试验环境科学，2000，5：48—51
【19】 王亚南等．含磷污水淋滤条件下土壤中磷素迁移转化模拟试验．环境科学学报2001，11 737—741
【20】 魏新平等．漫灌和喷灌条件下土壤养分运移特征的初步研究．农业工程学报1999，15(4)，83—87
【21】 郭大应等．喷灌条件下土壤中的氮素分布研究．灌溉排水2000，19(2)，76—77
【22】 石辉，郑纪勇，邵明安．土壤溶质运移CDE模型参数估计的一种新方法—截距法．土壤学报2003，1：137—139
【23】 Shao Ming An et al. An Approximate Solute to the Convection Dispersion Equation of Solute Transport in Soil. Soil, Sci, Soc, 1998, 163(5):339—345
【24】 R. NIELSEN, el.al, Water Flow and Solute Transport process in the Unsaturated Zone, Amercian Geophysical Union 1986
【25】 Coats, KH, and Smith, B D, Dead end Pore Volume and Dispersion in Porous Media, Soc, Pet, Eng J, 1964, 4:
【26】 Van Genuchten, MTH, and Wierga, PJ, Mass transfer Studies in Sorbing porous Media I. Analytical Solution , Soil Sci, Soc Am, J,
1989, 40(4):
【27】 Butters, et, al Field Scale Transport of Bromide in an Unsaturated Soil:2 Dispersion Modeling, Water resource, Research, 1989, 25: (5) 1575—1581
【28】 冯绍元，张瑜芳，沈荣开．排水条件下饱和土壤中氮肥转化与运移模型．水利学报1995，(6)：16—22
【29】 冯绍元，张瑜芳，沈荣开．非饱和土壤中氮素运移与转化试验及其数值模型．水利学报1996，(8)，8—15
【30】 武新乾，张德生．非均匀土壤中溶质运移的数值模拟．纺织高校基础科学学报2003，3：5—9
【31】 徐冰，郭克贞，王耀强等．土壤中溶质运移的研究现状及问题．内蒙古水利，2003，3：20—22
【32】 F. X. M. Casy. D. B.Jaynes. et al. Comparing Field Methods that Estimate Mobile—Immobile Model Parameters, Soil. Sci. Soc. Am. J. 1999, 63: 800—806
【33】 F. X. M. Casy. et al Immobile Water Content and Mass Exchange Coefficient of a Field Soil, Soil. Sci. Soc. Am. J. 1997,61:1030—1036
【34】 D B.Jaynes. et al. Field Method for Measureing Mobile／Immobile Water Content and Solute Transfer Rate Coefficient, Soil. Sci. Soc. Am. J. 1995, 59:352—356
【35】 William A. Jury. Simulation of Solute Transport Using a Transfer Function Model, Water Resource Research. 1982,18(2):363—368
【36】 William A. Jury. A Field Test of Transfer Function Model for Predicting Solute Transport, Water Resource Research. 1982, 18(2):369—37
【37】 William A. Jury. et al. A Transfer Function Model of Solute Transport Through Soil 1. Fundamental Concept. Water Resource Research.
1986, 22(2): 243—247
【38】 William A. Jury. et al. A Transfer Function Model of Solute Transport Through Soil 2. Illustrative Applications. Water Resource Research. 1986, 22(2):248—2
【39】 杨金忠等．多孔介质中水分及溶质运移的随机理论．科学出版社中国．北京2000
【40】 任理，刘兆光等．非稳定流条件下非饱和均质土壤溶质运移的传递函数解．水利学报2000(2)：7—15
【41】 任理，袁福生等．冬小麦生长条件下土壤硝态氮淋洗的传递函数模型和预报．生态学报2001(6)
【42】 任理，马军花．考虑土壤中硝态氮转化作用的传递函数模型．水利学报2001(5)
【43】 刘光崧主编．土壤理化分析与剖面描述．中国标准出版社．中国北京1996
【44】 D. R. Nielsen, M. Th. Van Genuchten, J. W. Biggar. Water Flow and Solute Transport Processes in the Un saturated Zone. Water Resources Research, 1986.22(9)
【45】 华孟，王坚主编．土壤物理学．北京农业大学出版社．中国北京 1993
【46】 沈晋，王文焰，沈冰等．动力水文实验研究．陕西科学技术出版社．中国陕西 1990
【47】魏新平．灌溉对作物根区硝酸钾运移影响的研究．西安理工大学博士论文2000
【48】 魏新平．非饱和土壤水动力弥散系数确定方法述评．土壤通报1999(4)：168—170
【49】 张宇峰，张雪英等．土壤中水动力弥散系数的研究进展．环境污染治理技术与设备2003(7)：8—12
【50】 D. E. Smiles and B. N. Gardiner. Hydrodynamic Dispersion during
Unsteady, Unsaturated Water Flow in a Clay Soil.SoilSci. Soc. Am. J. 1982, 46:9—14
【51】 张建君．滴灌施肥灌溉土壤水氮分布规律的试验研究及数学模拟．中国农业科学院硕士论文2002
【52】 邵孝侯，胡霭堂．mol／1CaCl_2作为土壤不同N素形态浸提剂的研究．土壤学报1991，28(1)：32—37
【53】 水质铵的测定纳氏试剂比色法．中华人民共和国国家标准GB7479 —87
【54】 森林土壤全磷的测定．中华人民共和国国家标准GB7852—87
【55】 徐明岗，姚其华等．土壤养分运移．中国农业科技出版社中国北京2000
【56】 曹红霞，康绍忠等．灌水量对土壤中污染物运移规律影响的研究．西北农林科技大学学报(自然科学版)，2002(3)：95—98
【57】 曹红霞，康绍忠等．灌溉对土壤水分分布和潜水蒸发的影响．西北农林科技大学学报(自然科学版)，2002(5)：69—72
【58】 白丹，魏小抗等．节水灌溉工程技术．陕西科学技术出版社．中国陕西2001
【59】 郭元裕，农田水利学(第二版)，水利电力出版社．中国北京1986
【60】 曹红霞，不同灌溉制度条件下土壤溶质迁移规律及其数值模拟，西北农林科技大学博士论文2002
【61】 曹红霞，康绍忠．溶质施加方式对土壤溶质迁移的影响．灌溉排水学报2003(4)：5—8
【62】 李毅．覆膜条件下土壤水盐、热藕合迁移试验研究．西安理工大学博士论文2002
【63】 王福利．降雨淋洗条件下溶质在土壤中运移的初步研究．土壤学报1992(4)：451—454
【64】 黄强，李生秀，宋郁东．咸水灌溉沙地后的水盐运移规律．土壤学
报2003(4)：547—553
【65】 Ghuman B S, Evaluation of some new tracers for soil water studies. Soil Sci Soc Am, 1984, 52:987—993
【66】 雷志栋，杨诗秀，谢森传．土壤水动力学．清华大学出版社，中国北京1987
【67】 吕殿青．土壤水盐运移试验研究与数学模拟．西安理工大学硕士论文2000
【68】 水建高，张瑜芳，沈荣开．不同渗漏强度下淹水土壤中NH_4~+—N转化运移的数值模拟．水利学报1996(3)：57—63
【69】 石嘴山市大武口区环城绿化规划设计．石嘴山市园林局，2001
【70】 石嘴山市集污及污水处理厂续建项目——污水资源化工程初步设计，中国市政工程华北设计研究院，2002，7
【71】 宁夏石嘴山市贺兰山东麓生态环境建设工程大武口项目区可行性研究报告 宁夏回族自治区工程咨询公司，2000，2
【2】 宁夏回族自治区石嘴山市大武口区地下水动态观测五年总结报告(1986—1990)．宁夏地质环境监测总站．1992
【3】 刘兆昌，张兰生等．地下水系统的的污染与控制．中国环境科学出版社．1991
【4】 J．vrba和E．Romijn．农业活动对地下水的影响．地质出版社．991
【5】 李韵珠等．土壤溶质运移．科学出版社．中国：北京．1998
【6】 Rose D A el.al, The Analysis of Experiments on Hydrodynamic Dispersion Soil Science, 1971,111(4):
【7】 Jury W A. Solute Travel—Time Estimate for Tile—Drained Field Ⅰ: Theory. Soil Sci. Soc. Am. J. ,1975, 39:
【8】 Van Genuchten, M. TH el.al Boundary Conditions for Displacement Experiments through Short Laboratory Soil Columns. Soil Sci Soc, Amer. J. 1984, 48:
【9】 Jaymes D B. Field Study of Bromide Transport under Continuous—Flood Irrigation. Soil, Sci, Soc. Am. J. 1991,
【10】 Ellsworth T R, et al, Solute Transport of in Unsaturated Soil: Experiment Design, Parameter Estimation, and Model Discrimination. Soil. Sci. Soc. Am. J. 1996, 60:
【11】 朱济成．关于氮肥地下流失的初步研究．环境科学1980，4(5)
【12】 江德爱等．对圆明园农业区地下水氮污染状况的调查与探讨．环境科学1981，5(4)
【13】 刘兆昌，聂永丰等．重金属污染物在下包气带饱水条件下迁移转化的研究．环境科学学报1990，10(2)
【14】 刘翔，刘兆昌，朱琨．氮对地下水的污染预测模型．环境科学1991，12(6)，8—11
【15】 杨大文，杨诗秀．农药在土壤中迁移及其影响因素的初步研究。土壤学报1992，29(4)
【16】 冯绍元，郑耀泉．农田氮素的转化与损失及其对水环境的影响．农业环境保护1996，11(5)
【17】 张蔚榛，张瑜芳等．排水农田中氮素转化运移与流失．中国地质大学出版社．1997
【18】 刘忠翰等，污水土地处理水旱轮作条件下磷素在土层中迁移特征的模拟试验环境科学，2000，5：48—51
【19】 王亚南等．含磷污水淋滤条件下土壤中磷素迁移转化模拟试验．环境科学学报2001，11 737—741
【20】 魏新平等．漫灌和喷灌条件下土壤养分运移特征的初步研究．农业工程学报1999，15(4)，83—87
【21】 郭大应等．喷灌条件下土壤中的氮素分布研究．灌溉排水2000，19(2)，76—77
【22】 石辉，郑纪勇，邵明安．土壤溶质运移CDE模型参数估计的一种新方法—截距法．土壤学报2003，1：137—139
【23】 Shao Ming An et al. An Approximate Solute to the Convection Dispersion Equation of Solute Transport in Soil. Soil, Sci, Soc, 1998, 163(5):339—345
【24】 R. NIELSEN, el.al, Water Flow and Solute Transport process in the Unsaturated Zone, Amercian Geophysical Union 1986
【25】 Coats, KH, and Smith, B D, Dead end Pore Volume and Dispersion in Porous Media, Soc, Pet, Eng J, 1964, 4:
【26】 Van Genuchten, MTH, and Wierga, PJ, Mass transfer Studies in Sorbing porous Media I. Analytical Solution , Soil Sci, Soc Am, J,
1989, 40(4):
【27】 Butters, et, al Field Scale Transport of Bromide in an Unsaturated Soil:2 Dispersion Modeling, Water resource, Research, 1989, 25: (5) 1575—1581
【28】 冯绍元，张瑜芳，沈荣开．排水条件下饱和土壤中氮肥转化与运移模型．水利学报1995，(6)：16—22
【29】 冯绍元，张瑜芳，沈荣开．非饱和土壤中氮素运移与转化试验及其数值模型．水利学报1996，(8)，8—15
【30】 武新乾，张德生．非均匀土壤中溶质运移的数值模拟．纺织高校基础科学学报2003，3：5—9
【31】 徐冰，郭克贞，王耀强等．土壤中溶质运移的研究现状及问题．内蒙古水利，2003，3：20—22
【32】 F. X. M. Casy. D. B.Jaynes. et al. Comparing Field Methods that Estimate Mobile—Immobile Model Parameters, Soil. Sci. Soc. Am. J. 1999, 63: 800—806
【33】 F. X. M. Casy. et al Immobile Water Content and Mass Exchange Coefficient of a Field Soil, Soil. Sci. Soc. Am. J. 1997,61:1030—1036
【34】 D B.Jaynes. et al. Field Method for Measureing Mobile／Immobile Water Content and Solute Transfer Rate Coefficient, Soil. Sci. Soc. Am. J. 1995, 59:352—356
【35】 William A. Jury. Simulation of Solute Transport Using a Transfer Function Model, Water Resource Research. 1982,18(2):363—368
【36】 William A. Jury. A Field Test of Transfer Function Model for Predicting Solute Transport, Water Resource Research. 1982, 18(2):369—37
【37】 William A. Jury. et al. A Transfer Function Model of Solute Transport Through Soil 1. Fundamental Concept. Water Resource Research.
1986, 22(2): 243—247
【38】 William A. Jury. et al. A Transfer Function Model of Solute Transport Through Soil 2. Illustrative Applications. Water Resource Research. 1986, 22(2):248—2
【39】 杨金忠等．多孔介质中水分及溶质运移的随机理论．科学出版社中国．北京2000
【40】 任理，刘兆光等．非稳定流条件下非饱和均质土壤溶质运移的传递函数解．水利学报2000(2)：7—15
【41】 任理，袁福生等．冬小麦生长条件下土壤硝态氮淋洗的传递函数模型和预报．生态学报2001(6)
【42】 任理，马军花．考虑土壤中硝态氮转化作用的传递函数模型．水利学报2001(5)
【43】 刘光崧主编．土壤理化分析与剖面描述．中国标准出版社．中国北京1996
【44】 D. R. Nielsen, M. Th. Van Genuchten, J. W. Biggar. Water Flow and Solute Transport Processes in the Un saturated Zone. Water Resources Research, 1986.22(9)
【45】 华孟，王坚主编．土壤物理学．北京农业大学出版社．中国北京 1993
【46】 沈晋，王文焰，沈冰等．动力水文实验研究．陕西科学技术出版社．中国陕西 1990
【47】魏新平．灌溉对作物根区硝酸钾运移影响的研究．西安理工大学博士论文2000
【48】 魏新平．非饱和土壤水动力弥散系数确定方法述评．土壤通报1999(4)：168—170
【49】 张宇峰，张雪英等．土壤中水动力弥散系数的研究进展．环境污染治理技术与设备2003(7)：8—12
【50】 D. E. Smiles and B. N. Gardiner. Hydrodynamic Dispersion during
Unsteady, Unsaturated Water Flow in a Clay Soil.SoilSci. Soc. Am. J. 1982, 46:9—14
【51】 张建君．滴灌施肥灌溉土壤水氮分布规律的试验研究及数学模拟．中国农业科学院硕士论文2002
【52】 邵孝侯，胡霭堂．mol／1CaCl_2作为土壤不同N素形态浸提剂的研究．土壤学报1991，28(1)：32—37
【53】 水质铵的测定纳氏试剂比色法．中华人民共和国国家标准GB7479 —87
【54】 森林土壤全磷的测定．中华人民共和国国家标准GB7852—87
【55】 徐明岗，姚其华等．土壤养分运移．中国农业科技出版社中国北京2000
【56】 曹红霞，康绍忠等．灌水量对土壤中污染物运移规律影响的研究．西北农林科技大学学报(自然科学版)，2002(3)：95—98
【57】 曹红霞，康绍忠等．灌溉对土壤水分分布和潜水蒸发的影响．西北农林科技大学学报(自然科学版)，2002(5)：69—72
【58】 白丹，魏小抗等．节水灌溉工程技术．陕西科学技术出版社．中国陕西2001
【59】 郭元裕，农田水利学(第二版)，水利电力出版社．中国北京1986
【60】 曹红霞，不同灌溉制度条件下土壤溶质迁移规律及其数值模拟，西北农林科技大学博士论文2002
【61】 曹红霞，康绍忠．溶质施加方式对土壤溶质迁移的影响．灌溉排水学报2003(4)：5—8
【62】 李毅．覆膜条件下土壤水盐、热藕合迁移试验研究．西安理工大学博士论文2002
【63】 王福利．降雨淋洗条件下溶质在土壤中运移的初步研究．土壤学报1992(4)：451—454
【64】 黄强，李生秀，宋郁东．咸水灌溉沙地后的水盐运移规律．土壤学
报2003(4)：547—553
【65】 Ghuman B S, Evaluation of some new tracers for soil water studies. Soil Sci Soc Am, 1984, 52:987—993
【66】 雷志栋，杨诗秀，谢森传．土壤水动力学．清华大学出版社，中国北京1987
【67】 吕殿青．土壤水盐运移试验研究与数学模拟．西安理工大学硕士论文2000
【68】 水建高，张瑜芳，沈荣开．不同渗漏强度下淹水土壤中NH_4~+—N转化运移的数值模拟．水利学报1996(3)：57—63
【69】 石嘴山市大武口区环城绿化规划设计．石嘴山市园林局，2001
【70】 石嘴山市集污及污水处理厂续建项目——污水资源化工程初步设计，中国市政工程华北设计研究院，2002，7
【71】 宁夏石嘴山市贺兰山东麓生态环境建设工程大武口项目区可行性研究报告 宁夏回族自治区工程咨询公司，2000，2
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |