溶质运移理论的发展

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土壤溶质运移理论研究及应用

土壤溶质运移理论研究及应用

土壤溶质运移理论研究及应用作者:闫家怡来源:《科技视界》2014年第28期【摘要】土壤溶质运移关系到土壤和地下水的环境质量,是目前土壤科学、地下水文学和农业环境保护等领域的研究热点,本文根据国内外学者关于土壤溶质运移的相关研究成果,综述了土壤溶质运移的基本理论、数学模型的建立及其存在的问题,介绍了部分模型的发展及其应用。

【关键词】土壤;溶质运移;数学模型;应用土壤是人类最早开发利用的生产资料,是人类赖以生存的物质基础和宝贵财富的源泉。

近几十年来,随着工农业的迅速发展和城市化步伐加快,废水废气的大量排放以及农田化肥、农药的过度使用,导致空气污染和水环境污染事件频发。

污染物经水、空气等介质进入土壤,终将改变土壤的溶质组成,引起土壤和地下水环境污染,严重威胁着生态环境和人类生存发展。

本文论述了土壤溶质运移的基础理论及存在的问题,介绍了各类土壤溶质运移数学模型的发展及其在农业资源、环境保护等方面的应用。

1 土壤溶质运移的基础理论及其特点1.1 土壤溶质运移质量平衡定律土壤是一个开放系统,不断与外界进行物质和能量的交换。

土壤溶质作为土壤环境系统中的重要组成部分,它的迁移过程必然制约和影响着土壤与环境间物质与能量的交换过程。

无论溶质存在的形态和迁移途径如何,土壤溶质总是服从质量守恒定律。

1.2 土壤溶质迁移的几何理论几何理论是根据土壤水体、溶质及土壤孔隙的分布特征,将土壤溶质运移看成是对流与分子扩散相互作用的结果而推导出土壤溶质运移模型,它是研究土壤溶质运移较早模型之一,具有简明清晰的特点。

目前常见的有活塞流、单毛管和毛管束模型。

活塞流模型不考虑分子扩散作用和土体结构变化,假定土壤孔隙是一个直径一定的圆形直管,溶质和水以同一速度流动,不考虑流速分布和土壤与溶质的反应。

该模型不能定量描述多孔介质孔隙分布特征,因此其模拟结果与实测结果存在一定差异。

单毛管模型由活塞流模型演化而来,它将活塞模型中沿横断面的流速分布假定为层流。

医药制造业的药物溶质动力学

医药制造业的药物溶质动力学

医药制造业的药物溶质动力学医药制造业是一个高度专业化的行业,涉及到许多复杂的科学原理和工艺流程。

其中,药物溶质动力学是一个非常重要的领域,它研究的是药物在溶液中的溶解、扩散和反应等过程。

药物溶解动力学药物溶解动力学是研究药物在溶液中的溶解速率和溶解度的学科。

溶解度是指在一定温度和压力下,药物在溶剂中能够溶解的最大量。

溶解速率则是指药物在溶液中溶解的速度,它受到药物的物理性质、溶剂的性质、温度、压力等因素的影响。

药物的物理性质包括药物的晶体结构、粒度、比表面积等,这些因素会影响药物的溶解速率。

晶体结构会影响药物的溶解度,而粒度和比表面积则会影响药物的溶解速率。

溶剂的性质也会影响药物的溶解动力学,包括溶剂的极性、溶解度、温度等。

药物扩散动力学药物扩散动力学是研究药物在溶液中的扩散过程的学科。

扩散是指药物分子从高浓度区域向低浓度区域自发地移动的过程。

药物的扩散速率受到药物的分子大小、形状、溶剂的性质、温度等因素的影响。

药物的分子大小和形状会影响药物的扩散速率,分子越小、越简单,扩散速率越快。

溶剂的性质也会影响药物的扩散动力学,包括溶剂的极性、粘度、温度等。

温度越高,扩散速率越快,因为温度升高会增加药物分子的动能,使其运动速率加快。

药物反应动力学药物反应动力学是研究药物在溶液中的化学反应过程的学科。

药物的化学反应速率受到药物的浓度、温度、pH值、溶剂的性质等因素的影响。

药物的浓度越高,反应速率越快,因为更多的药物分子会增加反应的机会。

温度越高,反应速率也越快,因为温度升高会增加药物分子的动能,使其运动速率加快。

pH值也会影响药物的反应速率,因为不同的pH值会影响药物分子的电荷状态,从而影响其反应性。

溶剂的性质也会影响药物的反应动力学,包括溶剂的极性、溶解度、温度等。

极性越大的溶剂,药物的反应速率越快,因为极性溶剂能够更好地稳定药物的离子形式,增加其反应性。

药物溶质动力学是医药制造业中的一个重要领域,它研究的是药物在溶液中的溶解、扩散和反应等过程。

溶质运移及其基本微分方程

溶质运移及其基本微分方程

DD Dh (v) Ds ( )=Dsh (v, )
4. 水动力弥散 溶质通量
JD
c Dsh (v, ) z
水动力弥散系数既和水的渗透速度有关,又 与土壤含水率有关。其值常需实验确定,或用 经验公式表示之。
二、溶质运移基本方程
由前面的分析可知,溶质总通量为对流通量 与水动力弥散通量之和。即 :
水动力 弥散
( c) c (qc) [ Dsh (v, ) ] t z z z
对流
该式称为溶质运移的一维对流-弥散型方程。 若考虑介质中溶质的化学、生物变化,则加 入源汇项Se。
( c) c (qc ) [ Dsh (v, ) ] Se t z z z
式中 : Se为单位时间、单位体积土壤中生 成或消失的溶质质量。
S e S ei S ej
i 1 j 1
n
m
对于二维和三维的溶质运移问题,可将一
维方程扩展,但应注意水动力弥散系数的各向
异性。(横向弥散系数和纵向弥散系数不同)
三、土壤中溶质运移与水分运动的关系
土壤中的溶质运移是以水分运动为基础的。 溶质的对流和机械弥散均与水分运动有关,同时, 溶质势亦是水分运动的驱动力。
一、溶质运移的对流和水动力弥散
1.溶质的对流运移 1)溶质浓度c:单位体积土壤水溶液中所含 有的溶质质量。 2)溶质通量Jc:单位时间内通过土壤单位截 面积的溶质质量。设土壤水分的通量为q, Jc q c 则: 若以 v q 表示土壤水的平均孔隙流速,
为体积含水率,则 Jc v c
Ds ( ) D0

Dsb
水率θ和D0,与c 无关。a,α和 b 均为经验常数。

溶液中气体溶解和物质传输的理论研究

溶液中气体溶解和物质传输的理论研究

溶液中气体溶解和物质传输的理论研究在化学中,溶液是指由溶质在溶剂中形成的混合物。

溶液中的溶质可以是固体、液体或气体。

其中,气体溶解过程是一个非常重要的化学现象。

随着气体的溶解,会发生一系列物质传输的过程,其中包括扩散、质量输运和浓度极化等复杂现象,这些过程在许多领域都具有重要的应用价值。

本文将探讨溶液中气体溶解和物质传输的理论研究。

一、气体溶解的基本原理气体溶解是气体和液体之间的物质传递过程。

当气体分子在溶液中遇到高浓度的溶剂分子时,就会随着溶质分子的震荡和旋转,逐渐溶解在溶液中。

同时,溶剂分子也会向气体相移动,以达到平衡状态。

这个过程中,气体分子与溶剂分子之间的相互作用起着决定性的作用。

溶剂分子的极性和溶解力都对气体分子的溶解有很大的影响。

此外,温度、压力和溶液中的其他物质都会影响气体的溶解度。

二、气体传输理论溶解气体仅是气体和液体界面上的物质传递。

但在很多情况下,气体在液相中的状态和分布也很重要。

气体在溶液中的稳定性可以用气体化学势来描述,这是气相和液相之间的平衡条件。

凝聚态中的气体和液体均为多分子的系统,因此它们的性质取决于分子之间的相互作用。

由于气体和液体的自由体积不同,因此在分子间距离和运动动能方面也存在不同。

对于凝聚体系,由于相对分子间距离的限制和相互作用的强度,秩序-无序相变常常发生,因此研究气体在凝聚体系中的行为常常比较复杂。

三、扩散和质量输运在液体中,通过扩散和分子互相传递的方式形成液体的内部传递。

扩散是一种通过分子间的自由运动而传输的长距离传递方式。

扩散速率取决于分子的运动和浓度梯度。

在液体中,扩散可以被描述为一个连续的扩散过程,由局部的梯度驱动,然后扩散到整个系统。

质量输运也是液体中物质的传递过程。

通过分子间的相互作用,物质被送到目标区域。

质量输运可以通过质量流量和分子通量来描述。

四、浓度极化在液体中,浓度极化是扩散和质量传输中的另一种复杂现象。

浓度梯度在传输过程中逐渐变得平缓,这就是浓度极化的表现。

溶质在水体和多孔介质中迁移的研究进展

溶质在水体和多孔介质中迁移的研究进展
溶质在水体和多孔介质中迁移的研究进展
张富仓
西北农林科技大学 水利与建筑工程学院
溶质在水体和多孔介质中迁移的研究进展
溶质运移研究的是溶于水体或多孔介质中的溶质运移的过 规律和机理。多孔介质中的液相部分不是纯水, 程、规律和机理。多孔介质中的液相部分不是纯水,是含有 各种无机、有机溶质的溶液。 各种无机、有机溶质的溶液。这些物质在多孔介质中的运移 状况不仅与多孔介质中水的流动有关, 状况不仅与多孔介质中水的流动有关,而且与溶质的性质及 在随水移动过程中所发生的物理、 在随水移动过程中所发生的物理、化学和生物化学过程有密 切关系。因此, 切关系。因此,对溶质运移的研究不仅是土壤物理学研究内 容的一部分,也是土壤化学的研究对象之一。因此, 容的一部分,也是土壤化学的研究对象之一。因此,也可以 说土壤溶质运移所涉及的学科范围, 说土壤溶质运移所涉及的学科范围,是属于土壤学科中土壤 物理和土壤化学两个分支的交叉。 物理和土壤化学两个分支的交叉。从水文和水文地质学科角 则属于土壤水文学或包气带水文学的范畴。 度,则属于土壤水文学或包气带水文学的范畴。从环境科学 角度,则环境土壤或环境水文学的研究对象。 角度,则环境土壤或环境水文学的研究对象。
上式为稳态水流情况下土壤溶质运移的基本方程
∂ (θ C ) ∂J =− ∂t ∂x
qw = vθ
溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况
二、溶质运移的研究方法
活塞流( 活塞流(Piston flow) )
NaCl溶液
NaCl


NaCl溶液
NaCl
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ


NaCl溶液
NaCl
溶质在多孔介质中迁移理论的发展概况
dx ∂〈c〉 ∂〈c〉 ∂ 2 〈 c〉 = Dij −〈 i〉 ∂t ∂xi ∂x j dt ∂xi 1 dX ij Dij = 2 dt

界面流体力学研究中的溶质输运分析

界面流体力学研究中的溶质输运分析

界面流体力学研究中的溶质输运分析引言界面流体力学是研究流体与固体表面(或两种不同流体之间的界面)相互作用的学科,它在多个领域有着广泛的应用,如材料科学、生物医学、化学工程等。

溶质输运是界面流体力学研究中的重要内容之一,它涉及溶质在流体中的传输、扩散和浓度分布等问题。

本文将从理论和实验两个方面,探讨界面流体力学研究中的溶质输运分析方法和应用。

一、理论分析界面流体力学中的溶质输运分析主要依赖于数学模型和数值方法的建立和求解。

以下介绍几种常用的理论分析方法:1. 对流扩散方程模型对流扩散方程是描述溶质在流体中输运和扩散的一种数学模型。

它结合了对流和扩散两个过程,并考虑了溶质浓度随时间和空间的变化。

对流扩散方程的一般形式如下:$$\\frac{\\partial c}{\\partial t} = D\\frac{\\partial^2 c}{\\partial x^2} +v\\frac{\\partial c}{\\partial x}$$其中,c是溶质的浓度,t是时间,x是空间位置,D是扩散系数,v是流体速度。

通过求解对流扩散方程,可以得到溶质的浓度分布随时间和空间的变化规律,从而分析溶质在流体中的输运行为。

2. 边界元方法边界元方法是一种数值求解偏微分方程的方法,它通过将问题的边界条件表示为问题的解在边界上的积分形式,从而减少了问题的维数。

在界面流体力学中,边界元方法可以用于建立数学模型和求解溶质输运问题。

通过将流体运动方程和扩散方程表示为边界积分形式,可以得到离散化后的方程组,再通过数值求解方法求解得到溶质的浓度分布。

3. 多尺度模拟在界面流体力学研究中,由于界面的特殊性质和微观尺度的存在,常常需要进行多尺度模拟。

多尺度模拟是将系统分为不同的尺度层次,通过在各个尺度上建立数学模型和求解方案,最后通过耦合和协调各个尺度的结果得到系统整体的行为。

在溶质输运分析中,可以利用多尺度模拟方法,从分子尺度到宏观尺度,逐层分析溶质在界面流体中的传输过程。

第6章 土壤溶质与溶质运移

第6章 土壤溶质与溶质运移

2. 分子(或离子)扩散 分子(或离子)扩散是指气相或液相内部由于分子的不 规则热运动即布朗运动和分子之间的相互碰撞而引起 的质量运移。 土壤溶液中的溶质浓度并不总是均匀的。只要浓度梯度 存在,分子扩散就会发生。分子扩散导致溶质从浓度 高的区域向浓度低的区域运动,从而使溶液浓度趋于 均匀。在一个静止的水体中,由于分子扩散而引起的 溶质质量运移通量可由Fick’s first law描述。在一维条 件下,它可表达为:
土壤溶质研究范围: 土壤溶质 肥料运移: N(NO3-、NH4+)、P(H2PO4-)、K+ 等 盐分运移: Cl- 、 CO3 2 - 、 SO42- 、Br- 、Ca2+ 、 Mg2+ 、 Na+等 污染物迁移: 非水相流体(Light and Dense non-aqueous phase liquids (LNAPLs and DNAPLs): 汽油, TCA、甲苯、煤焦油等 小生物实体(Biologic entities ): 病毒(viruses), 细菌(bacteria) 辐射元素(Radioactive elements): 镭(Ra)、铍(Be)、氦(He)等天 然放射性物质 重金属元素 : 汞(Hg)、铅(Pb)、铜(Cu)等 柴油, 润滑油、碳氢化合物; 溶剂、工业洗涤剂、三氯乙烯TCE、四氯乙烯PCE、三氯甲烷
J dis = − Ddis ∂c ∂z (4.66)
目前很难在实验室或田间试验中明确地区分开分子(离 子)扩散和机械弥散的影响,因此一般将机械弥散和 分子扩散这两种现象合并而统称为水动力弥散现象。 机械弥散系数和分子扩散系数合并为一个参数即水动 力弥散系数或扩散弥散系数DH:
DH = Ddif + Ddis

溶质运移理论-(一)水动力弥散的基本概念与弥散方程-精选文档

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Fick定律
8
五、流体参数
流体的密度
d m d m dm 1 dV dV dV 1 1
N N N
多相分流体速度
N N

组分流速






1 N
C C x ,y , z , 0 0 x ,y , z
初始条件确指原始状态;初始时刻可以任意选定,只要已知那一时 刻研究区各点的浓度即可。初始条件的如何选取,应该根据研究问 题的需要、资料状况及计算与模拟方法等因素确定。例如:t=0时向
某区域注入含示踪剂的水,若在此之前研究区D不含该示踪剂,则C
~
R 1 d
b
n
K d
只是用 R d 去除以水动力弥散系数 D 和流速u,由于Rd 1 ,因 ~ 1 此吸附作用产生的后果,相对于 D 和 u 均减小 R ,起到减缓
d
弥散的作用。所以把 R d 称为:减缓因子。
26
七、源汇项:抽水与注水
如果含水层当中有抽水或注水井,含水层中示踪剂
七、源汇项:吸附与解吸
在一定条件下,溶液中某些溶质在多孔介质的固相表 面产生吸附、解吸或者离子交换等物理化学作用。如果这 些溶质属于我们的研究对象,则这些作用的结果应该综合 到源汇项中,如果固相表面吸附示踪剂,视为汇,否则, 称为解吸,视为源,而离子交换即可视为汇也可视为源。

吸附
解吸 (源)
离子交换 (源、汇)
多相流体可混溶流体石油污染物在水体或含水层中的运移不可混溶流体不同性质溶体之间无明显的突变界不同性质溶体之间有明显的突变界惰性示踪剂理想示踪剂两种或不与地下水发生化学反应不与多孔介质发生反应天然示踪剂天然水中的环境同位素人工示踪剂离子化合物有机染料放射性同位素水动力弥散现象多孔介质中当存在两种或两种以上可混溶的流体时在流体运动作用下期间发生过渡带并使浓度区域平均化的现象水动力弥散分子扩散机械弥散由浓度高的方向向浓度底的方向运动趋于均一由于微观多孔介质中流速分布的不均一而引起的示踪剂水质点浓度在地下水含水层中不均匀分布的现象
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o 首次系统地论述 了 C E 对 流一弥散 ) sn D( 方程 的科学性 和
来核废料 的 日益增加 , 以及 随着人 民生 活水平 的提 高和 人 口的增 长 , 随之 而带来 的生活垃 圾 日益增多 。这 些污 染物 向地 下入 渗 , 使地 下水 质遭 到严重 的污染 。另 一方 面, 由于人类不合理地开采 和过量抽取地 下水资 源 , 变 改
A a t T e es n eo t e m/ rw ih si o rt w trw s p l td i te rs l o oue t n p r i ol rw tr b T c : h s c f }  ̄e hc ol r o e l g md ae a ol e s h e ut fs lt a s ot n s i o ae u r

b a ig fr t n Ll  ̄ e c n io fw trf w.tiv le ou e a 删 e r mai l rt o dt n o ae o I n ov s s lt n n o o l d h i l
t e r . h sp p rh s it d c d s l e h o y T i a e a n r u e u o ot
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第 1 2卷第 8期 20 06年 8月
水 利 科技 与 经 济
Wae o s ra c c e c d T c n lg d E o o t C n e v n y S in e a e h oo y a c n my r n n
V0 . 2 No. 11 8
A g ,0 6 u .20
溶 质 运 移 理 论 的 发 展
赵 常兵 , 萍 , 霞则 , 陈 赵 陈海霞
( 东营市水利局 , 山东 东营 27 9 ) 50 1
[ 要] 关 于土壤或 地 下水受到 污 染的 问题 , 实质 是 可溶性 污染物 在 水流 作 用下 在 土壤 或 摘 其 含 水层 中的运 移 结果 , 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 研
排放 , 农业上各种农药和化肥 的大面积使 用 , 能利用带 核
土壤 水盐 运 动 问题 的 研究 理 论。 15 92年 , aiu Lpds和 A —
m nsn udo 首次将一个 类似 于对 流 一扩散 方 程 的模 拟模 型 应用于溶质运移 问题 的研究 , 因属初 步的尝试 ,ai s Lp u 和 d A udo 未对模型的 推导及物理 意义做 任何解 释。Ne m nsn i— l
了地下水 水力 状态 , 而加 速 了地 下水 污染 的进 程。地 从
合理性 , 在溶质运移研 究史上 , 建立 了第一 个丰 碑。Nd i—
o 建立的一维 C E方程为 : sn D
下水污染不 论对生 产建 设 , 还是 对人 体健康 都造 成 了很 大威胁。其中来 自冶金工业 的炼钢 , 炼铝 , 化学工业 磷肥 和氟塑料的生产 , 硅酸盐 工业砖 瓦、 陶瓷、 玻璃 、 耐火 材料 的生产 , 构成 了氟化物 污染 环境 的主要来源 , 由 中含氟量 过高 ( 4n L 时 , > ) 人体将 过多 的氟 吸收后 , 就会 引起骨 质的变化 , 其症 状为 持续 性 的腰痛或 肢体 痛等 。关 于地
下水受到污染 的 问题 日益受到 人们 的重 视 , 而问题 的实 质就是可溶性 污染 物在水流 作用下在 土壤或含 水层 中的
尺c [ ] I 瓦= 爱 一 爱 a ,
速度 ; 为溶质 浓度 ; c z为垂直坐标 。
( 1 )
式 中 R为阻滞因子 ; ,为水动力弥散 系数 ; Dh V为孔隙水流 从 Ne o 建立 C E方程 以后 , isn l D 已出现了许 许多多 描 述土壤溶质运移 的模拟模型 , 大致 可分为 确定性模 型、 随 机模型、 简化模型三大类 。
t n p r mo e , oue t n p r’ n o ra d o to re p r na sa c uc me n slt rn p r n mells l— r s ot d l s lt r s o sid o n ud o x ei tl e e rh o t a s a t me r o s a d o uet s o u r i a a t a mu
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 。 [ 关键词] 溶 质运移 ; 数值模 拟 ; 运移模 型
[ 中图分 类号] S5 1 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1 6 77(060 — 5 — 3 0 — 1 20) 00 0 0 5 8 2
TheDe eo me to o u e Tr n p r e r v lp n fS l t a s o tTh o y
Z HAO h n C a g—b n ig,C HEN n Pig,Z HAO a—z Xi e,CHEN i i Ha —xa
( ogi i t f i u a f hn ogPoi e O ny g27 0 ,h眦) D ny gCt Wa r a sB r uo adn r n , ogi 19 C i n y eA r e S vc n 5
to tp een . i n a rs t
Ke r s s lt t n p r; u e ll i lt n t n p r m y wo d : o ue r s ot n m r mua o ;r s o a as i a t
由于人类活 动的影 响 , 中包 括 工业 “ 其 三废” 大量 的
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