近几十年来,由于过度开采地下水及不合理灌溉等造成的水土环境退化、水资源利用效率低等问题严重影响着社会经济发展、农业生产及人们的生活;此外“工业三废”的乱排乱放、化肥农药的大量施用造成的土壤和地下水污染问题危害着农作物的品质甚至人类的健康。在自然界中,土壤并非都以均质土体存在,层状土壤十分常见,且存在多种不同的土体构型。层状土壤中因其每层土质的渗透性能不同,会直接影响着土壤水分和溶质在时空上的分布状况。因此需要深入探讨不同土体构型中的水分运动和溶质运移特征,以便更好地把握天然土壤中水分运动和污染物的运移行为,进而为水资源优化调控和土壤/地下水污染防治提供理论依据。本文的工作分为理论研究和室内实验两部分,理论部分利用Hydrus-1D软件通过设置2 m厚层状土壤剖面,设计了五种土体构型:构型一(上砂下粉型),构型二(上砂下黏型),构型三(夹黏型),构型四(夹砂型),构型五(底部漏砂型)。室内实验分为土柱积水入渗实验和土柱溶质运移实验两组。主要包括三方面的内容:一是基于五种土体构型,借助Hydrus-1D软件,研究了时间和空间离散对不同边界条件下层状土壤水流和溶质运移数值模拟的影响。其中水流和溶质运移上边界分别选取定水头入渗、变压头/通量入渗和定浓度脉冲输入,下边界为自由排水边界和零浓度梯度边界。二是通过土柱积水入渗实验,分析了不同因素(积水深度,土壤初始含水量,土体构型)对非饱和条件下层状土壤水分运动的控制作用,且验证了所求水力参数的精度;三是以非反应性溶质溴离子为研究对象,探讨了其在不同土体构型非饱和条件与饱和条件下的运移特征。所得结论如下:(1)时间和空间离散对于层状土壤水分运动数值模拟的影响是不同的,具体表现在:不同构型的土壤在不同边界条件下,数值模拟稳定时(即有数值解)所选取的时间和空间步长明显不同。对构型一不同边界下(定水头入渗和变水头/通量入渗),初始时间步长对数值模拟基本无影响,且最小时间步长均在10-5-10-4 d模拟结果稳定,而空间步长在不同边界下取值范围不同。对构型二定水头入渗和变水头/通量入渗边界下,初始时间步长取值在2×10-5-10-2 d内模拟结果稳定,最小时间步长应在10-5-10-4 d;而空间步长在定水头边界下应为1-10 cm,在0-0.5 d定水头、后零通量边界(h0=-800 cm)下为1-5 cm。对构型三,定水头边界下空间步长在0.5-1 cm内模拟收敛且稳定;在0-0.5 d定水头、后零通量边界下,最小时间步长应在10-5-10-3 d,空间步长应在0.5-5 cm内。对构型四,定水头入渗和变水头/通量入渗边界下最小时间步长均应在10-5-0.01 d,空间步长应在0.5-5 cm。对构型五,两种边界下最小时间步长都应在10-5-10-3 d;空间步长在不同边界条件下数值模拟的稳定性不同,其中定水头边界(h0=-800 cm)下,空间步长应在0.5-10 cm,而0-1 d定水头、后零通量边界下,空间步长应在0.5-5 cm。此外,当层状土壤中存在导水率很小的较黏土层时,边界条件对土壤水流数值模拟也有重要的影响,当上边界供水能力过大时会使土层“过饱和”而导致数值解不稳定。(2)时间和空间离散对于饱和条件下层状土壤溶质运移数值模拟的影响差异明显。首先对比构型一在非饱和与饱和条件下的溶质运移模拟结果,发现非饱和条件下的数值模拟对时间步长具有一定的要求,只有当最小时间步长在10-5-10-4 d内才能计算求得数值解。而在饱和条件下的溶质运移模拟中,时间步长对数值模拟稳定性的影响极小,或者说基本无影响。但空间步长则影响较大,其中构型一、二、三在定浓度输入和脉冲输入下的空间步长都应在0.5-2 cm,而构型四和构型五空间步长应在0.5-5 cm。此外在溶质运移的数值模拟中,要依据模拟的土壤尺度恰当地估计和选取弥散度值。(3)层状土壤分层界面处由于导水率的急剧变化,对水流和溶质运移的数值模拟也具有一定的影响。尤其当土壤中存在较黏的土层时,水分和溶质会在黏-壤界面处滞留,使得附近的压力水头和溶质浓度高于其它地方。此外,因空间步长选取不当在土壤分层界面及入渗界面处产生的数值解不稳定问题,可以通过在界面处加密节点,进行非均匀离散来改善和解决。(4)在层状土壤积水入渗试验中,湿润锋在到达土层界面后由非线性推进转为线性推进,入渗率随时间延长逐渐减小。积水深度、土体构型及初始含水量对水分运移的影响作用机制不同:积水深度主要通过影响入渗界面处的压力势来影响水分的运动过程,对入渗通量有着直接作用;土体构型对水分运动的影响主要是因剖面中不同质地土壤的孔隙、黏粒含量等差异导致渗透性、持水能力不同,且造成土层突变界面产生水力阻滞作用。土壤初始含水量对入渗的影响是通过两方面共同作用的,即与土壤含水量直接相关的水势梯度的作用和间接相关的土壤团聚体遇水后的崩解挤压作用。故可适当调整这三种因素减小土壤渗漏量,以优化田间水分管理。此外利用Hydrus-1D软件反演、优化的参数较RETC软件拟合的“实测”参数更适用于室内层状土壤积水入渗特征的模拟与预测。(5)利用室内积水入渗与出流实验,对比饱和与非饱和条件下不同土体构型下溶质的运移特征。饱和条件下利用两构型(均质砂壤、上砂下粉)实验下的出流Br-的浓度,通过Hydrus-1D反演的饱和导水率和弥散度有所不同,且由于饱和导水率和弥散度的差异使得入渗率有所不同,进而使Br-的穿透曲线差异明显。非饱和条件下,两构型(上砂下粉、上粉下砂)因导水能力和入渗率明显不同,进而导致各层土壤的电导率值的变化趋势和溶质的运移及分布状态存在差异。