利用Van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线

利用Van Genuchten模型对用砂性漏斗测量中砂的吸湿过程和脱湿过程土壤水分特征曲线进行拟合,结果表明实测曲线和拟合曲线吻合很好,并得出Van Genuchten模型中的残余含水量、特性参数α和n,模拟计算表明,中砂有αw=1.69αd的关系,为研究水分和污染物在非饱和土壤中运移问题提供土壤水分运动键参数.     

Van Genuchten模型参数对降水入渗数值模拟的敏感性

详细分析不同评价指标下的van Genuchten方程参数敏感性,对于深入认识参数物理意义、合理确定参数值、提高降水入渗数值模拟准确性具有重要意义.用HYDRUS软件建立一维变饱和水分运移模型,以实际补给量、补给过程曲线和极限蒸发深度作为评价指标,采用单因素扰动分析法对van Genuchten方程各参数敏感性进行理论分析,进而选取多组参数实例,分析同一岩性类别下,不同土样土壤水力参数差异及其对入渗补给模拟结果的影响.结果表明:形状系数 (n)、土壤进气值的倒数 (α) 与极限蒸发深度呈负相关关系,是影响极限蒸发深度的显著因素;饱和含水率 (θ_s)、n、饱和渗透系数 (K_s) 对于入渗补给影响的敏感性较高,三者在实际土样粒径分布、干密度和孔隙性的共同影响下发生同向变动.合理的参数敏感性分析及数值模拟调参过程需结合土壤参数的物理意义来开展.      

土壤水分特征曲线在天然气水合物开采数值模拟中的应用探讨

在使用TOUGH+HYDRATE程序进行水合物开采数值模拟时常用van Genuchten模型计算毛管力,而毛管力大小直接影响水合物开采过程中的产气和产水,因此在数值模拟过程中正确选用模型参数尤为必要。我国某海域天然气水合物储层为未胶结泥质粉砂储层,常规的毛管力测定方法如压汞法、离心法等对该类岩心并不适用,如何测定该类岩心的毛管力并将其应用于van Genuchten模型参数选取具有重要意义。本文探讨了如何应用土壤水分特征曲线测定实验间接获取该类岩心的毛管力数据,为验证该方法的可行性,本文对参考文献[7]中公开的粉砂土壤水分特征曲线测定实验数据进行换算和拟合后得到T+H程序所需的van Genuchten模型参数,结果可为泥质粉砂储层水合物产能研究工作提供参考。     

基于Matlab方法确定VG模型参数

根据中国科学院栾城试验站大田土壤剖面所采土样实测土壤负压h和土壤含水率θ实验数据,采用van Genuchten模型来描述土壤水分特征曲线(h-θ曲线),VG模型中的参数利用Matlab非线性拟合函数来确定,通过对四参数模型和三参数模型的比较表明,四参数模型拟合的参数与三参数模型中的参数非常接近,但四参数模型能够更好地拟合实测数据,误差比三参数模型相对较小。且计算值与实测值的残差平方和范数小于0.07%,拟合较好。     

干密度和初始含水率对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响

采用压力板仪详细研究了不同击实条件对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响,并采用van Genuchten模型对实测试样的土水特征曲线进行了拟合。分别取在初始击实含水率相同的条件下,击实干密度不同的试样以及在击实曲线上同一干密度处对应的不同初始击实含水率的试样,对其进行土水特征曲线测试。结果表明:击实干密度越大,空气进气值越高。击实含水率越大,试样可塑性越好,其空气进气值越大。     

校正系数对不同形式的Van Genuchten方程各拟合参数的影响

Van Genuchten模型应用十分广泛,但是参数m的不同形式以及是否加入校正系数会对Van Genuchten模型的拟合参数造成极大的影响。基于此,考虑m 3种取值(m不受限制、m=1–1/n、m=1–2/n)以及Van Genuchten模型中是否含有校正系数C_ψ,采用Matlab拟合67组砂土土-水特征曲线数据,分别研究残余基质吸力ψ_r、C_ψ对3个拟合参数a、m、n的影响。结果表明:m不受限制时,随着ψ_r增大,参数a、n减小,参数m增大;m受到限制时,随着ψ_r增大,参数a减小,参数n增大;m不受限制时,加入校正系数增大了拟合参数a、n的离散程度,但是减小了m的离散程度;m受到限制时,加入校正系数增大了拟合参数a的离散程度,但是减小了n的离散程度;几乎所有工况下的参数a都与无任何限制条件下的参数a呈线性关系;对于参数n,几乎不存在这类线性关系。     

非饱和土渗流及其参数影响的数值分析

基于一维的Richards方程,考虑van Genuchten提出的土-水特征曲线和水力传导系数的表达式,采用差分方法进行求解,研究该土-水特征曲线对孔隙水压力分布的影响,分析该模型四个参数θs、θr、α和n对孔隙水压力分布的作用特征。结果表明经验参数α和n对孔隙水压力分布产生显著的影响。α影响土-水特征曲线的位置和水力传导系数斜率,其值越大,基质吸力越滞后,孔隙水压力分布弯曲度随着α值的增大而明显;n决定土-水特征曲线的斜率,其值大意味着基质吸力易消散。计算分析显示θr值变化引起孔隙水压力分布微弱的差异,这差异随着时间的增长而增大;饱和含水量θs对孔隙水压力分布也产生不小的影响,随θs的降低孔隙水压力消散减慢。     

参数m的形式和最大基质吸力点对Van Genuchten方程各参数的影响

Van Genuchten模型经常用于拟合土-水特征曲线,但拟合参数m、n之间的不同关系以及是否加入最大基质吸力点(10~6 kPa,0)会对Van Genuchten模型的拟合参数造成极大的不确定性。为此,考虑m 3种取值(m不受限制、m=1-1/n、m=1-2/n)以及数据中是否含有最大基质吸力点(10~6 kPa,0),探讨各工况3个拟合参数a、m、n之间的关系,同时选用各工况的拟合参数,求解基质吸力为10~6 kPa时的饱和度,分析各工况下该点处饱和度的相互联系。结果表明:当m受到限制时,加入最大基质吸力点减小了各拟合参数的离散程度和区间范围;而m未受限制时,加入最大基质吸力点减小了a的离散程度和区间范围,但增大了m、n的离散程度和区间范围。在各约束条件下拟合参数a与未受约束时的a呈线性关系;而对于n则不存在这类关系;对于在不同工况下最大基质吸力点处的饱和度,其值与m未受约束时最大基质吸力点处的饱和度呈线性关系。     

干密度对路基性能的影响研究

通过滤纸法试验,测得3种干密度下的土-水特征曲线,拟合得到3种干密度下的Van Genuchten模型参数,分析干密度对土-水特征曲线及Van Genuchten模型参数的影响。通过室内回弹模量试验,分析压实度和含水率对回弹模量的影响,并建立回弹模量与压实度和含水率之间的关系式。基于水力耦合机制,结合试验结果建立地下水位变化作用下的路基湿度及变形的动态响应模型,计算地下水位从-6 m上升到-3 m后,路基的含水率和回弹模量分布以及路基的变形。计算结果表明,干密度对土-水特征曲线Van Genuchten模型参数产生显著影响,饱和体积含水率随着干密度的增大线性减小,残余体积含水率随着干密度的增大线性增大,参数a与进气值的倒数线性相关,参数n随干密度的增大线性增大;回弹模量随着含水率的增大而减小,随着干密度的增大而增大;地下水位上升导致路基土的含水率显著增加,回弹模量明显下降,引起不可忽视的路基变形;不同填筑压实度下,地下水位变化引起的路基变形差异很明显,控制路基土的压实度是提高路基土性能的有效途径。     

三峡库区黄土坡滑坡非饱和水力参数研究

非饱和水力参数在计算滑坡降雨入渗过程与稳定性时是至关重要的材料参数。在三峡库区黄土坡滑坡上进行双环渗透试验,获取黄土坡滑坡表土层的饱和渗透系数。对黄土坡滑坡表土层的含水率和基质吸力进行实时监测,采集了黄土坡滑坡表土层中含水率和基质吸力随时间的变化数据,采用van Genuchten土-水特征曲线模型拟合了4个实时监测剖面的土-水特征曲线及其拟合参数。将饱和渗透系数与土-水特征曲线拟合参数代入van Genuchten渗透系数函数模型,求出了黄土坡滑坡表土层在非饱和条件下的渗透系数函数,为黄土坡滑坡在降雨作用下的稳定性计算提供了可靠的水力参数     

A comparative study of suction stress between sand and silt under unsaturated conditions

The purpose of this study is to estimate and compare suction stress between sand and silt sampled from the coast of Korea. The water content and matric suction of sand (Joomunjin) and silt (Saemangeum) were first examined using an automated soil–water characteristic curve (SWCC) apparatus based on the axis translation technique. SWCCs were then estimated from the test results using the van Genuchten (1980) model. At equal matric suction, the corresponding water content of silt was higher than that of sand. Moreover, the saturated water content and air-entry value (AEV) of silt were larger than those of sand. Using the fitting SWCC parameters, suction stress characteristic curves (SSCCs) were estimated according to the method proposed by Lu and Likos (2006). The SSCC behavior for sand and silt was different and significantly depended on the material properties, particularly pore size and pore size distribution. For sand, the suction stress exhibited rapid variation with changes in matric suction, but for silt, the suction stress approached a constant value as the matric suction increased. In addition, when the matric suction was smaller than the AEV of soil, the suction stress was equal to the magnitude of the matric suction. In contrast, when the matric suction exceeded the AEV of soil, suction stress had a nonlinear shape with respect to the matric suction.     

莫高窟壁画地仗土-水特征曲线的测定与拟合

壁画的病害对壁画的长期保存和日常维护造成了极大的威胁,水带动易溶盐的迁移是导致壁画病害最主要的原因之一。地仗层作为壁画最直接的载体,其土-水特性关乎着壁画病害的形成与发育。为了研究壁画地仗层的土-水特性,根据莫高窟壁画地仗的物质组成制作了模拟地仗,采用压力板法和蒸汽平衡法分别对模拟地仗进行土-水特性试验,获得了全吸力范围的壁画地仗的土-水特征曲线,并用Van Genuchten（VG）模型和Fredlund-Xing（FX）模型对土-水特征曲线进行拟合。试验结果表明：不同组分的模拟地仗试样的土-水特征曲线有所差异,粗泥层与细泥层土-水特征曲线形态上差异并不明显;同等吸力下粗泥层含水率高于细泥层,在高吸力段粗泥层具有突变性释水的特点;对高吸力段地仗试样土-水特征曲线变化趋势的分析表明,在日常维护中莫高窟洞窟内湿度不应高于58%,湿度宜保持稳定,不应有较大波动;综合全吸力段上的试验数据进行拟合可以获得精度较高的壁画地仗的土-水特征拟合曲线。     

压实黄土水分入渗规律及渗透性试验研究

为了研究压实黄土中的水分垂直入渗规律和非饱和渗透系数函数,在实验室内利用一维土柱垂直入渗模型试验装置,对两组压实黄土土柱试样分别进行了常水头入渗和降雨入渗试验。得到主要结论如下:（1）常水头入渗试验中,累积入渗量和湿润锋前进距离都随入渗时间呈幂函数形式增长,累积入渗量和湿润锋前进距离之间存在线性关系。入渗率在入渗初期最大,之后随入渗时间而快速降低,并在土柱试样底部出水以后达到稳定,且与湿润锋前进距离呈反比关系。（2）降雨入渗试验中,得到两组试样入渗过程中土-水特征曲线数据,分别用van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型对两组试样进行了特征曲线拟合。并利用瞬时剖面法处理了入渗过程中水分和水势传感器的监测数据,得到两组试样的非饱和渗透系数,并拟合得到非饱和渗透系数与体积含水率之间的指数函数关系式。同时,采用van Genuchten和Fredlund等渗透系数模型分别对两组试样的非饱和渗透系数进行预测,通过对比模型预测结果和瞬时剖面法实测值,发现van Genuchten渗透系数模型预测结果更接近实测值。     

大连金远洞更新世洞穴红色堆积物粒度特征及沉积环境分析

采用LS13320型的激光衍射粒度分析仪对金远洞洞穴堆积物进行粒度分析,所测得的数据用Grapher软件绘制堆积物粒度频率曲线,计算粒度参数,以此来研究金远洞更新世洞穴红色堆积物的粒度特征并推断沉积环境.金远洞洞穴堆积物粒度组成中,粉砂含量最高,为优势粒组,平均值为50.14%,其中细粉砂含量高于粗粉砂含量;黏粒含量次之,砂含量最少.样品粒度频率呈多峰态.通过粒度参数计算,推测洞穴红色堆积物的沉积环境以风力沉积为主,后经流水搬运,但堆积物的组成未发生明显变化,反映了搬运的水动力较弱.物质来源主要受气候的影响,环境干冷时以近源沉积为主,环境温暖湿润时以远源沉积为主.     

Fractal features of soil particle-size distributions and their relationships with soil properties in gravel-mulched fields

Soil particle-size distribution (PSD) is an important index for soil classification because it has large influences on soil hydrological characteristics, salinity, fertility, erodibility, nutrient content, swelling/shrinking, and degradation. We present a case study of the fractal characteristics of soil PSD and its relationship with soil properties of gravel-mulched fields in an arid area of northwestern China using single-fractal calculation. Particle size was unimodally distributed within the narrow range of 20–100 μm, with silt as the most common component. Horizontally, silt content was the highest, followed by sand and clay contents. Vertically, clay content increased with depth, while there were no obvious change rules for both silt and sand contents. The volume fractal dimension (D) of PSD ranged from 2.4307 to 2.5260, increased with the content of fine particles but decreased with the content of coarse particles. D was correlated positively with soil-water content and salt content and negatively with bulk density. The saturated soil-water content was strongly correlated negatively with silt content (p < 0.01) and positively with sand content (p < 0.01). The results indicate that D can be a potential indicator of the physical and chemical properties of soil and can also provide a theoretical basis and technical guidance for the effective use and management of the region.