植被退化对高寒土壤水文特征的影响

在黄河源冻土严重退化地区,采用选择典型区域和样地进行实验和模型模拟的方法,对不同植被退化特征条件下高寒土壤的水分特征曲线、土壤饱和导水率、土壤入渗及土壤水分进行研究.结果表明:Gradner和Visser提出的经验方程θ=AS-B对该地区土壤水分特征曲线有良好的模拟性;不同植被盖度条件下土壤的饱和导水率和土壤入渗有明显的区别,表层0～10cm范围内,黑土滩的饱和导水率和入渗强度最强,30cm以下土层中土壤饱和导水率、入渗强度以及土壤含水量几乎不受植被的影响.随植被退化表层土壤含水量出现明显降低,退化越严重,水分流失越多,最多时能达到38.6%,植被根系最发达的10～20cm范围的土壤含水量流失对高寒草甸土壤环境影响最大,水分流失导致退化草甸恢复难度较大.通过比较研究,在黄河源地区考斯加科夫(Kostiakov)入渗公式f(t)=at-b更适用于该研究区域高寒草甸土壤水分入渗过程的研究.     

大埋深条件下降雨入渗补给的初步分析

运用SWAP模型对太行山山前平原--河北省栾城县田间土壤水分运动进行了数值模拟.从土水势及土壤含水量等方面,初步分析了降雨灌溉入渗补给条件下土壤水分运动的规律.通过分析和讨论,探求了大埋深条件下降雨入渗过程,初步揭示了降雨入渗对地下水位变化的影响.     

青藏高原多年冻土区活动层土壤入渗特征及机理分析

青藏高原多年冻土区活动层土壤的入渗规律研究是高寒区土壤水循环过程研究的主要内容。以青藏高原多年冻土区高寒沼泽草甸、高寒草甸和高寒草原的活动层土壤为研究对象,裸地为参照对象,分析了不同植被类型土壤的入渗规律及其主要影响因子。结果表明：不同植被类型土壤的入渗能力排序为高寒草原>裸地>高寒草甸>高寒沼泽草甸。高寒草甸土壤中致密的根系对土壤水分的运移具有强烈的阻滞作用,降低了土壤的入渗性能,而高寒草原土壤层根系较为稀疏,对土壤入渗的阻滞作用较弱,土壤水分向深层的渗漏速率较大。通过对比4种土壤入渗模型的模拟结果,发现Horton模型更适用于描述高寒草地土壤水分的入渗过程。另外,不同入渗模型对裸地入渗过程的模拟均优于其他植被类型草地,说明植被类型及植物的生长状况影响土壤入渗过程的模拟效果。全球变暖条件下,多年冻土区土壤入渗研究将为青藏高原多年冻土区陆地水文过程模型提供参数支持,为未来水资源变化研究提供基础数据。     

额济纳绿洲土壤入渗特征与土壤状况的关系研究

土壤水分入渗是自然界水循环中的重要部分,土壤水分入渗与土壤状况有很大的关系,应用Guelph渗透仪测定了黑河下游额济纳绿洲的土壤饱和导水率,并分析比较不同植被覆盖类型下测得的试验结果.结果表明:额济纳绿洲的几种典型土地利用方式下的土壤饱和导水率,其大小关系为:西戈壁>七道桥保护区沙枣林>二道桥胡杨林>林工站棉花地>二道桥柽柳林>梭梭苗圃地;通过因子的KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验,影响土壤入渗的因子被归类为三个主成分,分别为土壤疏松程度因子、土壤水分因子、容重和阴阳离子总量因子,它们的主成分的累计贡献率为80.427%,其中粘粒质量分数因子对于土壤入渗的影响最大,土壤中阴阳离子总量因子和容重因子影响最小.     

青藏高原风火山流域多年冻土活动层土壤水分入渗特征及变化分析

坡向和坡位是影响坡面活动层土壤水分入渗的重要因素,然而当前对多年冻土区活动层土壤冻融循环影响下不同坡向、坡位土壤水分入渗特征的研究甚少。本文设置了不同时空条件的野外试验点,更加系统地分析了青藏高原多年冻土区活动层土壤水分入渗过程的时空差异性。选取青藏高原腹地风火山流域高寒草甸坡面活动层土壤为试验地,分别在不同的坡向(阳坡、阴坡)和坡位(坡顶、坡中)设置观测点,分析活动层土壤在完全融化期(7—8月)和开始冻结期(9—10月)坡面水分的入渗特征及其时空差异性,评估不同入渗模型在研究区的适用性。结果表明,多年冻土区坡面活动层土壤水分入渗特征具有较强的时空差异性。土壤水分入渗过程可以分为入渗瞬变阶段(0～30 min)、入渗渐变阶段(30～100 min)、入渗稳定阶段(>100 min)三个阶段,入渗速率的大小整体表现为阳坡>阴坡,坡顶>坡中,完全融化期>开始冻结期,瞬变阶段>渐变阶段>稳定阶段。五种模型对入渗过程的模拟结果显示,Horton模型对青藏高原多年冻土区土壤水分入渗过程的模拟效果最佳,而通用经验模型和蒋定生公式对入渗的拟合曲线和统计参数几乎完全...     

非饱和土壤水分运动参数的测定

五十年代以来,应用能量观点研究非饱和土壤(包气带)水分运动,有了很大的发展。在应用这个理论对土壤水分运动进行定量分析时,求其基本方程的解或数值解,都离不开方程中出现的几个基本参数——导水率K(θ)(又叫水力传导度或非饱和土渗透系数)、扩散率D(θ)(又叫扩散度或扩散系数)和容水度C(θ)(又叫比水容量)。而且,对于某种密度的同一种土壤,它们都不是常数,是随土壤含水率θ(体积比)而变化的。另外,研究土壤水运动,对土壤水的相对能量值(土水势)的测定也是不可缺少的资料,     

包气带增厚区土壤水力参数及其对入渗补给的影响

为探讨包气带深部增厚区土壤水力参数变化对入渗补给过程的影响,采用压力膜仪对河北正定深部包气带(8.0~21.0 m)10个原状土样进行水分特征曲线测试,利用RETC软件中Mualem-van Genuchten导水率模型对其拟合,获取含水率与非饱和导水率的关系曲线,并根据达西法对其进行分析讨论.结果表明:场地包气带深埋区的非饱和导水率为25~240 mm/a.当某一埋深历史水位下降速度越快,该埋深处相同含水率情况下土壤非饱和导水率越大,说明对应土层的入渗补给强度越大;因包气带厚度增大使原来位于饱水带的层状非均质土层转变为包气带,潜水位波动下降过程中深部包气带土层因排水压密作用,使得土壤水力特性发生变化,进而影响垂向入渗补给过程.      

毛乌素沙地风沙滩区降水入渗响应研究

为研究毛乌素沙地地下水浅埋区降水入渗补给滞后响应时间,确定补给滞后的影响因素,为该地水文生态保护与地下水资源评价提供科学依据,以陕北毛乌素沙地风沙滩区为研究区,基于原位试验数据和相关分析法,分析土壤含水率和地下水位对降水入渗的响应机制,运用土壤水均衡分析探讨降水入渗响应与各影响因素的关系式。结果表明,小雨型降水土壤含水率响应深度为0~10cm,中雨型为10~90cm,大雨型与暴雨型均>90cm。最大响应深度z与降水量P显著线性相关。在地下水位一定的前提下,随着前期累计降水增大,当前降水入渗响应深度也增大,前期累计降水对当前降水入渗的影响时段在144 h以内。雨后土壤水分与地下水补给均存在滞后。入渗响应滞后时间与土壤深度呈正比,与降水强度和土壤初始导水率的差成反比。     

含砾石土壤降雨入渗过程模拟

在室内模拟降雨试验的基础上,利用多重相互作用连续体(MINC)组件,对含砾石土壤降雨入渗过程进行了数值模拟,以期深入理解含砾石土壤中的水土过程.研究结果表明,土壤中砾石的存在能够导致土壤水分饱和度增加,使得土壤总入渗量以及降雨入渗深度降低.含砾石土壤中存在一个陡的湿润锋面,在湿润锋面上土壤水分饱和度急剧下降.MINC组件可以很好地模拟含砾石土壤降雨入渗过程,其对含砾石土壤湿润锋和土壤含水率变化的模拟值与实测值吻合较好.降雨期间土壤水分饱和度沿土壤剖面的变化可用来解释含砾石土壤降雨入渗深度降低的原因.     

沟灌土壤水分运动数值模拟与入渗模型

为进一步探明沟灌二维土壤水分运动规律,以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了沟灌土壤水分运动数学模型,用多组试验资料对模型模拟结果进行验证,两者基本吻合,表明模型可用于模拟沟灌二维土壤水分入渗过程.用所建模型对不同因素组合下沟灌土壤湿润体特性进行模拟分析,结果表明:土壤初始含水率、沟间距对沟灌累积入渗量影响较小,土壤质地、容重、沟底宽和沟中水深对其影响较为显著;沟底宽、土壤初始含水率对土壤湿润体水分分布影响较小,土壤质地、容重对其影响较大,沟间距、沟中水深对其影响主要在零通量面附近,当入渗发生交汇后,零通量面处垂向湿润锋运移加快.以此为基础,建立了包含湿周在内的沟灌累积入渗量计算模型.     

考虑气压势影响的降雨入渗数值模拟研究

利用一维下渗模型的数值模拟方法研究下渗试验过程中气压势与饱和水力传导度K_s的关系。数值分析表明,可通过由下渗过程中表层湿润的饱和度来折减K_s值的途径考虑气压势的影响,从而改进计算方法。下渗试验的模拟计算结果表明,改进后的方法比常用的方法有更高的精度。     

变水头入渗试验推求垂向渗透系数的计算方法

在Philip与Nestingen土壤水运动计算方法基础上,推导出描述单环变水头入渗试验中水深变化过程的计算公式,提出了确定土壤垂向渗透系数的MP方法.利用土壤非饱和数值模拟及室内土槽入渗试验得到的单环水位变化过程,验证了MP方法推求土壤垂向渗透系数的可靠性.结果表明:MP方法推求的土壤垂向渗透系数比目前采用的Philip方法、Nestingen方法及Green-Ampt方法精度更高,具有广泛的应用前景.     

基于遗传算法-支持向量机的滑坡渗透系数反演

求解库岸边坡岩土体的渗透系数是研究滑坡渗流场及多场演化的基础,一般通过原位试验和室内试验求得,但试验成本较高且试验位置具有一定的随机性。本文以三峡库区马家沟滑坡为例,提出一种利用地下水位动态观测资料反演滑坡岩土层渗透系数的方法。具体步骤为:（1）依据滑坡的勘察资料和水位观测数据,构建滑坡数值模型;（2）利用SPSS生成不同渗透系数正交试验组合,并将渗透系数代入数值模型中计算监测井的水位,得到不同渗透系数及其对应的模拟水位数据;（3）应用遗传算法优化的支持向量机构建坡体模拟水位与渗透系数的非线性映射关系,再通过代入实际动态监测水位值求得滑坡岩土层的渗透系数;（4）将求得的渗透系数代入数值模型,用计算的模拟水位与实际观测水位进行对比验证。研究结果表明:遗传算法优化的支持向量机具有良好的学习预测效果,能准确预测渗透系数与水位的关系。该反演方法具有高效、准确的优点,反演结果的精度满足实际应用需要。     

基于土壤水模型及站点资料的土壤湿度同化方法

基于非饱和土壤水模型和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter)同化算法并结合陆面过程模型VIC发展了一个土壤湿度同化方案,并进行了理想试验及同化站点资料的同化试验。理想试验结果表明：扩展卡尔曼滤波方法能完整反演土壤湿度廓线,对土壤湿度的估计有较大改善;观测深度、观测层数和观测资料引入频率对同化结果有一定影响;加大观测频率,可以进一步改善同化效果。利用气象强迫驱动陆面模型VIC算出地表入渗条件而进行的同化站点资料的试验所得土壤湿度分布与观测资料基本吻合,反映了站点土壤湿度的月、季变化,表明该方案是合理的。     

基于不同地质统计方法的渗透系数场对污染物运移的影响

渗透系数场的空间变异性是影响污染物运移结果的决定因素,而地质统计方法是解决渗透系数空间变异性的主要技术手段。本文利用野外场地实测数据,采用普通克里格法和指示克里格法、顺序高斯模拟法和顺序指示模拟法四种地质统计方法,插值估测和模拟再现随机渗透系数场,进而对比研究四种渗透系数场对大尺度污染物运移的影响。研究结果表明,污染羽的质心位置（一阶矩）主要由渗透系数的平均值来决定;污染羽在空间上的展布范围（二阶矩）主要受渗透系数空间变异方差的影响;条件模拟克服了估计法的平滑效果,较好地再现真实曲线的波动性,渗透系数（ lnK）估计方差与污染羽空间二阶矩随着条件模拟次数的增加而减小,并且顺序指示模拟程度更加明显。     

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     

Monitored and simulated variations in matric suction during rainfall in a residual soil slope

This research combines field, laboratory and numerical investigations to estimate the development of a wetting front within a 1.2 m residual soil mantle on a steep forested slope during rainfall events. The field-monitored variations in matric suction due to rain-water infiltration during various events revealed that the maximum infiltration rate was much higher when the wetting front resided in the upper 20 cm of soil compared to the case when the wetting front advanced to depths > 20 cm. Laboratory investigations on soil hydraulic properties (i.e., soil water characteristic curve, and hydraulic conductivity) were useful to establish the parameters of a multilayer finite-element model for one-dimensional vertical infiltration. These parameters were subsequently calibrated by matching the predicted and field measured transient pore water pressure responses during actual rainstorms with irregular rainfall patterns. The calibrated simulation model was used to assess the migration of the wetting front under uniform rainfall with different intensities. Based on the numerical results, a hyperbolic equation was developed to predict the duration of uniform rainfall required for the propagation of wetting front to a certain depth for a given rainfall intensity. The proposed equation was subsequently tested against field-monitored advancements of the wetting front during real rainstorms with variable rainfall intensity.     

Numerical investigation of tunneling in saturated soil: the role of construction and operation periods

This paper numerically investigates the slurry shield tunneling in fully saturated soils with different hydraulic conductivities in short- and long-term scales. A fully coupled hydromechanical three-dimensional model that accounts for the main aspects of tunnel construction and the hydromechanical interactions due to tunneling process is developed. An elasto-plastic constitutive model obeying a double hardening rule, namely hardening soil model, is employed in the numerical simulations. The research mainly focuses on assessing the influence of soil hydraulic conductivity and the method to simulate backfill grouting in the tail void on the evolution of ground subsidence, excess pore water pressure and lining forces. Two different consolidation schemes have been taken into account to computationally address the tunnel construction in soil with low and high hydraulic conductivities. In addition, different methods are employed to simulate the tail void grouting as a hydromechanical boundary condition and to study its effects on the model responses. Finally, the influences of infiltration of the fluidized particles of grouting suspension into the surrounding soil and its corresponding time–space hydraulic conductivity evolution on the displacements and lining forces are studied.     

分形渗透模型在饱和冻土中的应用

冻土中的渗透系数对于评估冻土工程中的水,热和溶质迁移至关重要。以往研究表明,渗透系数主要依赖孔隙结构,经常被描述为孔径大小和孔隙率,但是这两个参数并不能充分地表征孔隙结构。为加强对孔隙结构的描述,引用分形理论研究了冻土中的渗透系数。基于非均匀毛细管束模型和分形理论,提出了饱和冻土中渗透系数的分形模型,并提出通过土体冻结特征曲线获取冻土中孔径分布的理论方法。为了验证分形模型的有效性,对已有实验数据进行分析。分析表明,分形渗透系数模型是毛细管分维、最大孔径、黏度和迂曲度的函数,孔径分布变化是导致冻土渗透系数变化的根本原因。通过对比,计算值与实测值吻合较好。结果表明分形模型可以较好的预测冻土中的渗透系数,研究结果可为冻土渗透机理研究提供参考。     

软土固结试验数值模拟

基于太沙基一维固结理论,采用有限差分法对室内固结试验进行了数值分析,编制了室内固结试验的C++数值程序和自动求解固结系数的Matlab拟合程序,该程序能够模拟不同尺寸（排水高度）软土试样的固结过程。讨论了试样尺寸、渗透系数和初始固结应力对模拟结果的影响。数值结果显示随着排水高度和渗透系数的增加,由时间平方根法和时间对数法求解的固结系数比不断减小,且排水高度较小时固结系数比变化较快。土体初始应力越小,主固结完成所需的时间越长。与日本广岛重塑土大尺寸试样固结试验结果进行了比较分析。研究结果表明所采用的数值方法能够较好地模拟软土的固结试验过程,可以进行一定条件下大尺寸软土试样的固结特性研究,研究成果对于揭示软土的固结变形发展有一定的理论价值和实际意义。