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珊瑚海岛包气带中氮磷的迁移、转化和累积规律

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中国环境科学 2024年第10期44卷 5776-5787页

作者：李莉张盼赵志伟张赛龚星许庭浩重庆大学环境与生态学院重庆400045 广东工业大学土木与交通学院广东广州510006

珊瑚海岛包气带中氮磷的迁移转化直接影响海岛地下水质量和土壤结构.通过XRd和SEM分析,明确了珊瑚砂特殊的CaCO_(3)物相成分和多孔形貌特征.采用静态吸附实验明确了珊瑚砂对N、P的吸附机理;通过短期连续降雨和长期间歇降雨模拟柱实验分... 详细信息

珊瑚海岛包气带中氮磷的迁移转化直接影响海岛地下水质量和土壤结构.通过XRd和SEM分析,明确了珊瑚砂特殊的CaCO_(3)物相成分和多孔形貌特征.采用静态吸附实验明确了珊瑚砂对N、P的吸附机理;通过短期连续降雨和长期间歇降雨模拟柱实验分别研究了N、P在珊瑚砂中的运移机制和不同深度剖面N的转化和P的累积规律.结果表明,珊瑚砂对NH_(4)^(+)和dIP的平均吸附量为192mg/kg和2051.75mg/kg,吸附模型分别符合可逆线性吸附和Freundlich等温吸附模型;NH_(4)^(+)的运移机制可由线性平衡CdE模型解释,低浓度dIP的运移过程符合含衰减项的双点位化学非平衡模型;而高浓度dIP的运移过程无法由模型拟合,结合pH值推测了其与CaCO_(3)发生的溶解沉淀平衡反应.长期降雨条件下,结合微生物分析得出土壤中存在N_(2)→NH_(4)^(+)→NO_(2)^(-)→NO_(3)^(-)→N_(2)/dON的氮转化路径,存在地下水氮污染的风险,而dIP则以非溶解态磷形式被固定,其长期累积可能对土壤结构不利.简言之,N、P在珊瑚海岛包气带中的迁移、转化、累积方面具有特殊性,明确其规律可为海岛生态建设中的环境风险控制提供科学依据.

关键词：珊瑚砂静态吸附氮磷运移 hydrus-1d 微生物

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基于不同土壤转换函数的土壤水分运移模拟对比研究

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地质学报 2024年

作者：陈思源王云权齐鹏飞孙自永中国地质大学(武汉)

土壤水力参数是土壤水分运移模拟的关键输入。在野外应用中,土壤水力参数一般由土壤转换函数(PTF)基于土壤质地信息估计获取。为了对比分析不同PTF对土壤水分运移模拟的影响,本文选取了八个常用的PTF,基于七个FLUXNET中的站点,利用HYdRU... 详细信息

土壤水力参数是土壤水分运移模拟的关键输入。在野外应用中,土壤水力参数一般由土壤转换函数(PTF)基于土壤质地信息估计获取。为了对比分析不同PTF对土壤水分运移模拟的影响,本文选取了八个常用的PTF,基于七个FLUXNET中的站点,利用hydrus-1d软件开展了土壤水分运移的模拟。结果表明,使用不同的PTF会导致预测结果的显著差异。对于VGM模型,Rosetta3是最稳定的PTF;对于BC模型,Cosby2是最稳定的PTF。基于本文的模拟结果,不同PTF应该在模型中比较使用,以避免由于PTF的选择而带来的不确定性。

关键词：土壤水分运移土壤转换函数 BC模型 VGM模型 hydrus-1d

汉江上游表层沉积物对Mn(Ⅱ)/Cd(Ⅱ)的吸附和运移特征

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农业环境科学学报 2024年

作者：李鹏飞杨婵宋凤敏赵航航李巧云齐文博刘智峰陕西理工大学化学与环境科学学院秦巴生物资源与生态环境国家重点实验室(培育)

为研究汉江上游沉积物对Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）的吸附特性和运移规律，自汉江上游某干流段采集供试表层沉积物样品，采用静态-动态吸附方法，结合hydrus-1d软件，对沉积物中Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）的吸附和运移特征进行研究。批平衡吸附实验结果... 详细信息

为研究汉江上游沉积物对Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）的吸附特性和运移规律，自汉江上游某干流段采集供试表层沉积物样品，采用静态-动态吸附方法，结合hydrus-1d软件，对沉积物中Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）的吸附和运移特征进行研究。批平衡吸附实验结果表明，沉积物对Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）的吸附性能主要受溶液pH的影响，随着溶液pH升高，沉积物对Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）的吸附量和吸附率均增大，当pH=7时，沉积物对Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）的吸附量与吸附率较为理想。在吸附过程中，沉积物对Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）的吸附行为更符合伪二级动力学模型，表明在Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）的吸附过程中起主要作用的是化学吸附，该模型下Mn（Ⅱ）相关系数R2为0.999 9，Cd（Ⅱ）相关系数R2为0.999 5，且通过吸附量和t1/2计算Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）在沉积物上的颗粒内扩散系数发现颗粒内扩散在吸附过程中也有重要作用。柱实验结果进一步说明，重金属在沉积物中的迁移主要受重金属浓度的影响，随着淋溶液中重金属溶液浓度的增加，穿透土柱和迁移完成的时间越短出流液浓度峰值到达越早，Mn（Ⅱ）在40～300 mg·L-1不同浓度下穿透土柱和迁移完成的时间逐渐降低，最短为132 h和540 h，Cd（Ⅱ）在50～200 mg·L-1不同浓度下穿透土柱和迁移完成的时间逐渐降低，最短为94 h和556 h，表明重金属离子在水体沉积物中易迁移，造成水体中更深度的污染。沉积物吸附Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）前后的FT-IR图表征结果表明，离子交换、络合反应和沉淀反应是沉积物吸附Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）的主要机制。结合批平衡吸附实验与柱实验的分析结果，证实了重金属离子在表层沉积物中易迁移，造成水体更深程度的污染，FT-IR与XPS表征分析发现Mn（Ⅱ）/Cd（Ⅱ）与Fe氧化物和碳酸盐发生沉淀反应。

关键词：沉积物 Mn(Ⅱ)/Cd(Ⅱ) 吸附实验 hydrus-1d

某工业场地土壤砷的空间分布及As(Ⅲ)迁移规律研究

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土壤通报 2024年第2期55卷 502-512页

作者：左玉涛孔文亮代义彬 SEIdOU C.d. 王铁军天津大学地球系统科学学院表层地球系统科学研究院天津300072 天津北大港湿地自然保护区管理中心天津300270 天津大学天津环渤海滨海地球关键带国家野外科学观测研究站天津300072 天津大学天津市环渤海关键带科学与可持续发展重点实验室天津300072

[目的]旨在掌握某工业场地土壤中砷(As)的空间分布特征并揭示其迁移规律,为该工业场地土壤As污染防治提供数据与理论基础。[方法]本文选取葫芦岛市某工业场地为研究区,首先统计分析了场地内土壤As含量的空间分布特征,并比较了等温与动... 详细信息

[目的]旨在掌握某工业场地土壤中砷(As)的空间分布特征并揭示其迁移规律,为该工业场地土壤As污染防治提供数据与理论基础。[方法]本文选取葫芦岛市某工业场地为研究区,首先统计分析了场地内土壤As含量的空间分布特征,并比较了等温与动态吸附两种获取土壤中As(Ⅲ)吸附参数的实验方法的特点与适用性,最终利用hydrus-1d模型反演计算了As(Ⅲ)在供试土壤中的d_(L)、K、α、β等迁移参数。[结果]场地土壤As浓度水平分布具有显著差异,在垂向上主要富集于40 cm深度内,且随深度增加而降低。等温吸附实验的结果表明:土样中As(Ⅲ)的平衡固相浓度随液相浓度增加呈非线性增长趋势,Langmuir模型(R^(2)=0.988)对实测数据的拟合效果优于Henry和Freundlich模型。动态吸附实验结果展示了As(Ⅲ)相对浓度完全穿透土柱所需的污染液体积随As(Ⅲ)初始浓度的增加而减少的规律;hydrus-1d反演结果表明三类吸附模型中,Langmuir模型(R^(2)=0.990)更适用于模拟土样中As(Ⅲ)的动态吸附过程。相较于等温吸附实验,使用动态吸附实验模拟As(Ⅲ)迁移行为更接近其在土壤中的真实迁移过程。[结论]该场地中的As污染来源于工业活动,主要集中在浅层土壤;土壤中As(Ⅲ)的迁移行为表现为非线性过程,较高的初始浓度将加速As(Ⅲ)的垂向迁移。动态吸附实验方法应优先应用于土壤As迁移过程及其参数获取的研究中。

关键词：土壤砷工业污染等温吸附动态吸附 hydrus-1d

农田排水回灌中悬浮物堵塞引起的变饱和入渗过程研究

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农田排水回灌中悬浮物堵塞引起的变饱和入渗过程研究

作者：杨可黑龙江大学

学位级别：硕士

随着水资源需求量的不断扩大,农田扩张及灌溉模式不合理使得农业区域水资源供需矛盾日益突出,为缓解这一矛盾,农田排水资源化利用迫在眉睫。农田排水可以通过土壤渗滤系统(SAT)预处理后达到再利用标准,既提高了农业用水利用率,又能有效... 详细信息

随着水资源需求量的不断扩大,农田扩张及灌溉模式不合理使得农业区域水资源供需矛盾日益突出,为缓解这一矛盾,农田排水资源化利用迫在眉睫。农田排水可以通过土壤渗滤系统(SAT)预处理后达到再利用标准,既提高了农业用水利用率,又能有效缓解农业面源污染问题。但农田排水在入渗SAT场地时遭遇的堵塞问题一直是制约其效率的关键因素,其中由悬浮颗粒引起的堵塞问题尤为突出。为了解析农田排水在SAT系统中的渗透过程,以及悬浮物堵塞现象的发展及其相互作用,为场地实验提供理论支撑,本研究着手调查农田排水的水质特性,并评估其入渗时的堵塞风险。考虑到农田排水中悬浮物质的特性及可能引发的不同堵塞模式,进行了室内实验,旨在揭示堵塞演进与渗透特性间的协同效应。进而依据实验结果揭示的关键原理,运用hydrus-1d程序构建了可反映非饱和渗透与悬浮物堵塞双重影响的数学模型,并将野外调查的详实数据融入其中,构建出一个前瞻性的预测模型,旨在实时模拟农田排水入渗SAT场地过程中,悬浮物堵塞动态演变的过程。主要研究成果包括:(1)以武汉市某水稻田为背景,采集其农田排水样品进行测试分析,结果表明:其悬浮物浓度较大,是造成回灌堵塞的主要原因;水化学各项数据符合地下水回灌的基本控制项目,仅有金属元素为Fe和Mn超出选择控制项目,其余项目均达标,碳酸氢根与钙离子含量达标,但浓度较高,可能会产生钙沉淀,引发化学堵塞;有机物的主要来源是肥料使用和人类活动,产生堵塞的可能性较小。(2)实验室农田排水回灌模拟实验表明:农田排水入渗时发生的堵塞是内部-表面混合堵塞,其发展过程呈阶段性。初始阶段,内部堵塞现象率先显现,主要集中在0-11 cm的砂层范围内,这个阶段对砂柱含水量的影响相对有限,始终保持在高饱和状态(大约在80%至100%之间)。然而,随着表面渗透介质的孔径逐渐缩小,降至小于悬浮颗粒的尺寸,表面堵塞现象开始显现。此时,悬浮物质主要聚积在渗透介质的表层,导致砂柱剖面的饱和度从先前的饱和状态转变为部分饱和(约65%)。实验终止时,观察到的表面阻塞层累积厚度的最大值达到了0.7 cm。(3)基于非饱和渗流、悬浮物运移等基本原理,建立悬浮物堵塞-变饱和渗流的数学模型,利用hydrus-1d程序对其进行求解,实现不同悬浮物浓度入渗过程的研究,模拟结果显示该模型能较好地反应回灌过程中的堵塞过程与渗流过程。在内部堵塞时,渗透系数的下降趋势与悬浮物浓度成正比,且在此阶段,砂柱饱和度变化相对平缓;相比之下,在表面堵塞阶段,相同情况下,悬浮物浓度的提升会显著加快淤积层的形成,导致含水介质的排水能力急剧减弱。一般情况下,沉积物的深度超过3 cm后,渗透率的下降趋于0,基本上达到了堵塞状态。在野外场地实验中,悬浮颗粒含量低于2.5 g/L的农田污水可以满足该区域的排水场地入渗要求,且不会造成SAT系统完全堵塞。

关键词：农田排水土壤渗滤系统 hydrus-1d 堵塞

土壤水盐迁移和棉花生长对掺沙棉杆隔层的响应与模拟

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土壤水盐迁移和棉花生长对掺沙棉杆隔层的响应与模拟

作者：王立成塔里木大学

学位级别：硕士

风蚀荒漠与绿洲农田是新疆旱区地表景观的典型表现,水资源短缺成为当地农业发展的重要限制因素。为揭示土壤水盐迁移和棉花生长对掺沙棉杆隔层的响应特征。于棉杆隔层中设置5个风积沙质量掺比（0%、85%、90%、95%、100%,代号分别为T0、... 详细信息

风蚀荒漠与绿洲农田是新疆旱区地表景观的典型表现,水资源短缺成为当地农业发展的重要限制因素。为揭示土壤水盐迁移和棉花生长对掺沙棉杆隔层的响应特征。于棉杆隔层中设置5个风积沙质量掺比（0%、85%、90%、95%、100%,代号分别为T0、T85、T90、T95、T100）,开展室内土柱积水入渗试验,结合hydrus-1d软件对土壤水力参数进行反演,同时开展三个灌水梯度下(60%、80%和)的田间土柱栽培试验和土壤水盐迁移运动模拟,结合随机森林等机器学习回归预测模型,探究棉花生长情景下的田间土壤水盐迁移规律。在对株高、茎粗与产量等进行初步分析的基础上,对容重、有机质、株高等12个因子开展主成分分析,评价了不同掺沙棉杆隔层处理下的土壤、棉花生长及产量表现。得出结论如下:（1）通过室内土柱积水入渗试验探究了水分入渗特征与水盐分布变化。掺沙棉杆隔层阻滞水分下渗,延长了入渗历时。CK入渗历时最短,T0和T95入渗历时较长,T85、T90和T100入渗历时较短,且无显著差异。入渗初始阶段,入渗率较大且无显著差异,稳渗阶段入渗率表现与各处理入渗历时恰好相反。入渗率随时间的变化关系模型,以Kostiakov拟合与实际情况最为相符,Horton与Philip模型稍差。T0阻渗效果最好,T95次之。湿润锋与累计入渗量之间存在显著的线性变化关系。入渗结束后,上层土壤盐分淡化、底部土壤积盐,隔层上部土壤含水率T0最高,T95次之。再分布两天后,水分剖面分布趋于均匀,土壤中部盐分下移,下移最大的为T95与T0幅度。（2）在田间土柱栽培试验中探究了土壤水盐时空演变特性与棉花生长、产量表现。60%ETc灌水条件下,T90E60、T95E60花铃期、吐絮期提墒作用显著。80%ETc灌水条件下T0E60、T95E60苗期、花铃期提墒作用显著。ETc灌水条件下,T0E100蕾期、花铃期提墒作用显著。ETc灌水条件下土壤脱盐,60%ETc与80%ETc灌水条件下土壤积盐,80%ETc灌水条件下土壤积盐程度高于60%ETc,且60%ETc与80%ETc灌水条件下均为T0积盐程度最高,ETc灌水条件下生育期末TE100与T95E100耕层实现脱盐。隔层位置上下土层含盐量显著高于无隔层对照。生育期末,表层土的容重均低于播前水平,有机质含量高于播前水平,深层与表层相反。隔层上下土层容重与隔层中掺沙的比例呈现正相关关系,有机质与掺沙比例间呈现负相关关系。棉花株高、茎粗、叶面积的logistic生长函数拟合R2均在0.94以上,均随着灌水量的增加而增加。60%ETc与80%ETc灌水条件下,最大株高、茎粗、叶面积均出现在T0与T95,ETc灌水条件下,以T100E100显著较高。棉花根冠比与灌溉水利用率均随着灌溉水平的提高而减小。根冠比与单株产量在60%ETc与80%ETc灌水条件下均为T0最高,T95次之。ETc灌水条件下根冠比为T95E100最高,T90E100次之,株产量以T100E100最高,T95E100次之。掺沙棉杆隔层在具有改善土壤适耕层墒情的同时,具有一定的聚盐效应,但在棉花生育期内未表现出对生长的胁迫抑制作用。对容重、有机质、单株产量、最大株高等12个因素开展主成分分析及路径分析表明,提取的三个主成分分别与棉花生长与产量（PC1）、水分利用效率（PC2）、土壤（PC3）密切相关,PC2对PC1有显著的正向影响,以T0E80综合总分最高,T95E80次之。（3）土壤水力参数与掺沙比例间有明显的相关性,以最高相关系数接近1、最低最低相关系数为0.6。hydrus-1d数值模型在土壤水分预测中拟合优度R2为0.7163,在土壤盐分预测中拟合优度R2为0.6875。0至30cm土层深度,拟合R2均大于0.6,随着土层深度的增加,灌溉对土壤水盐含量的影响逐渐降低,同时模型的拟合优度也逐渐降低。机器学习算法中,支持向量机在土壤水分回归预测中表现较差,在土壤盐分中表现较好,随机森林、K近邻与BP神经网络模型R2均较好,表现最优的为K近邻。对比机器学习回归预测模型与hydrus-1d数值模型,发现K近邻回归预测模型在田间土壤水盐预测中具有更好的适用性。综上所述,T0E80与T95E80在室内积水入渗试验中表现出了较好的阻渗增蓄作用,在田间棉花生长条件下的土柱栽培试验中也表现出较好的提墒作用,虽然盐分出现了一定程度的积聚,但生育期内并未对作物的生长产生盐分胁迫抑制,作物生长与产量表现均较为突出。考虑土壤水盐环境、棉花生长及水分利用效率等多方面因素,推荐采用T0E80与T95E80处理,结合秸秆多元化利用与绿洲农业风积沙资源禀赋的现状,推荐采用T95E80处理。

关键词：水盐灌水量掺沙隔层棉花生长 hydrus-1d

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酚氰废水污染物在包气带中的迁移预测

地下水 2024年第3期46卷 57-60页

作者：李贵仁华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050021 自然资源部金属矿山地下水灾害防治工程技术创新中心河北石家庄050021 河北省矿山地下水安全技术创新中心河北石家庄050021

以某地区焦化项目为研究对象,根据工程分析结果,利用hydrus-1d软件构建该项目酚氰废水处理站调节池渗漏液中典型的污染物耗氧量、氨氮、氰化物、石油类、挥发酚、苯并芘、硫化物在包气带中的运移模型,模拟预测各污染因子在包气带中的垂... 详细信息

以某地区焦化项目为研究对象,根据工程分析结果,利用hydrus-1d软件构建该项目酚氰废水处理站调节池渗漏液中典型的污染物耗氧量、氨氮、氰化物、石油类、挥发酚、苯并芘、硫化物在包气带中的运移模型,模拟预测各污染因子在包气带中的垂直迁移,计算出通过包气带到达地下水面的时间和浓度值,了解污染物在包气带中的运移规律。结果表明:污染物排放后会沿垂直方向开始依次下渗到达各观测点,且在各观测点浓度先升后降,随着深度的增加,浓度逐渐减小。在模拟时间(20 a)内,污染物各因子经由包气带到达下部灰岩地层时,其浓度均远低于背景值,大部分因子低于检出限。预测结果为下一步污染物在含水层中迁移模拟、确定包气带污染防治措施提供依据。

关键词：酚氰废水包气带迁移 hydrus-1d 地下水溶质运移

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非饱和土的土水特征曲线测试方法研究

中国农村水利水电 2016年第1期 125-128页

作者：伊盼盼牛圣宽柳燕子武昌理工学院武汉430023 长江勘测规划设计研究有限责任公司武汉430010

土水特征曲线是非饱和土的重要的水力特性参数,它在分析非饱和土强度及边坡稳定等问题时起到重要作用。对粉土试样开展了一步流动试验得出溢出水量随时间的关系曲线,利用hydrus-1d水分运移模型对该曲线进行拟合并得出相关参数,根据这些... 详细信息

土水特征曲线是非饱和土的重要的水力特性参数,它在分析非饱和土强度及边坡稳定等问题时起到重要作用。对粉土试样开展了一步流动试验得出溢出水量随时间的关系曲线,利用hydrus-1d水分运移模型对该曲线进行拟合并得出相关参数,根据这些参数反算得出试样的土水特征曲线并和实测数据进行了对比。结果表明,该方法能较好的拟合实测的溢出水量随时间变化的关系曲线,通过模型得出的土水特征曲线和实测值比较接近,证实了该方法的可靠性。通过与传统的测试方法相比较,该方法能够节约大量的时间。因此,通过hydrus-1d水分运移模型反演分析非饱和土的土水特征曲线的方法是快速有效的。

关键词： hydrus-1d 一步流动试验土水特征曲线渗透函数

Effect of pH on transport of Pb^(2+),Mn^(2+),Zn^(2+) and Ni^(2+) through lateritic soil: Column experiments and transport modeling

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Journal of Environmental Sciences 2011年第4期23卷 640-648页

作者： Srilert Chotpantarat Say Kee Ong Chakkaphan Sutthirat Khemarath Osathaphan National Center of Excellence for Environmental and Hazardous Waste Management (NCE-EHWM) Chulalongkorn University Bangkok 10330 Thailand department of Geology Faculty of Science Chulalongkorn University Phayathai Road Pathumwan Bangkok 10220 Thailand department of Civil Construction and Environmental Engineering Iowa State University Ames IA USA Environmental Research Institute Chulalongkorn University Phayathai Road Pathumwan Bangkok 10330 Thailand department of Environmental Engineering Faculty of Engineering Chulalongkorn University Phayathai Road Pathumwan Bangkok 10330 Thailand

This study investigated the effects of pH on the transport of Pb 2＋ , Mn 2＋ , Zn 2＋ and Ni 2＋ through lateritic soil columns. Model results by fitting the symmetric breakthrough curves （BTCs） of bromide （Br ） with CXTFIT model suggested that physical non-equilibrium processes were absent in the columns. The heavy metal BTCs were, however, asymmetrical and exhibited a tailing phenomenon, indicating the presence of chemical non-equilibrium processes in the columns. The retardation factors of Pb 2＋ were the largest of the four metal ions at both pH 4.0 （33.3） and pH 5.0 （35.4）. The use of Langmuir isotherm parameters from batch studies with hydrus-1d did not predict the BTCs well. Rather the two-site model （TSM） described the heavy metal BTCs better than the equilibrium linear/nonlinear Langmuir model. The fraction of instantaneous sorption sites （ f ） of all four metal ions on the lateritic soil was consistently about 30%–44% of the total sorption sites.

关键词： pH effect heavy metals hydrus-1d two-site model lateritic soil