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。     

强降雨条件下北京地区地下水位动态特征——以7·21特大暴雨为例

北京地区的地下水动态类型作为典型的降水-开采型,降雨入渗对本区的地下水补给有着重要影响,因此降雨条件下地下水位动态特征具有重要的研究意义,强降雨作为一种极端天气,既具有降雨入渗的一般特点,又具有其特殊特点;另外,泥石流和滑坡作为北京山区常见的地质灾害,地下水位变化在其形成过程中也起到了不可忽视的作用。2012年北京"7·21"暴雨作为近60 a来最强暴雨,为强降雨条件下地下水位动态特征研究提供了典型案例,本研究通过分析2012年"7·21"北京暴雨前后地下水位变化,结合本区的水文地质条件,探究强降雨条件下北京平原区的降雨入渗规律,发现不同地区在强降雨条件下的入渗差异及其影响因素,为北京地区地下水位动态特征提供理论依据,同时,对强降雨条件下的入渗规律做出了进一步研究。     

地下水位抬升对人工回灌中悬浮物堵塞的影响

为了研究人工回灌条件下地下水位抬升对悬浮颗粒在含水层中的迁移-沉积的影响机理,在室内模拟实验中,采用100 mg/L的金刚砂悬浊水回灌中粒石英砂介质,分别研究了不同抬升速率(0、2、4cm/h)条件下人工回灌过程中的悬浮物堵塞规律。实验结果表明:地下水位抬升速率对堵塞位置和堵塞位置处悬浮物的级配影响不大,悬浮物主要淤积在0~2cm深度处;在26h前地下水位抬升引起的入渗量比地下水位固定的入渗量小,在26h后二者相反;水位抬升使介质表层堵塞发展速度减慢,非堵塞层渗流状态出现非饱和时刻滞后;在堵塞层0~2cm处地下水位抬升使堵塞速率小于地下水位固定的堵塞速率。     

利用包气带环境示踪剂评估张掖盆地降水入渗速率

降水入渗补给速率是干旱半干旱地区地下水资源评价和保护中的重要参数。长期以来在河西走廊中游盆地地下水资源评价中,一直认为地下水位埋深>5m的地带难以产生降水入渗补给。本文在黑河流域中游的张掖盆地分别选择沙丘区和裸地区,综合运用包气带同位素和水化学信息,开展了降水入渗补给研究。包气带氯质量平衡法结果表明:现代气候条件下,张掖盆地地下水位埋深>5m的地带仍存在降水入渗补给,在沙丘覆盖区,地下水位埋深6.3m时,降水入渗补给速率为13.3～14.4mm/a,入渗系数0.10～0.11;在裸地区,地下水位埋深8.6m时,降水入渗补给速率为16.8～18.4mm/a,入渗系数0.13～0.14。     

基于核磁共振的地表积雪融化入渗试验模拟

自然条件下岩体的冻融损伤程度往往决定于岩体的含水状态。但以往研究更多的关注岩体冻融的温度条件,而对其湿度条件尤其是自然条件下的吸水过程则鲜有研究。通过自主设计的室内积雪融化入渗实验,模拟自然条件下地表积雪融化下渗的过程。通过核磁共振（NMR）分层含水率测试,对积雪入渗前后试样内部的含水状态进行了实测。实验结果表明：（1）积雪融化速度及融化后入渗速度受到样品孔隙结构的显著影响,开放的宏观节理是融雪融化入渗的理想通道,孔隙率越大积雪融化入渗速率越快,在孔隙率相近的情况下,孔隙的连通性越好积雪融化入渗速率越快;（2）融雪入渗过程中样品内部水分分布不均匀,融雪入渗后样品不同位置的饱和度差异明显;（3）融雪入渗后部分样品的饱和度并没有达到冻融损伤的门槛值。考虑到自然条件下积雪融化入渗条件更为苛刻,岩体的含水状态会成为制约冻融损伤过程的关键因素。     

一种新型人工降雨入渗实验系统研制

人工降雨入渗实验是产流过程与机理研究的重要手段之一。为了提高人工实验观测的精度和可靠性,通过技术升级改造,研制了一种新型人工降雨入渗实验系统,主要包括下垫面系统、人工降雨系统和数据观测记录系统三部分。开展了25场人工降雨入渗实验对该系统的各项指标和功能进行验证。并用Horton下渗公式对各场次下渗过程线进行拟合,各场次的拟合结果良好,均方根误差小于0.15,相关系数和纳西效率系数分别在0.97和0.95左右。研究结果表明该系统在降雨时间过程的平稳性与空间分布的均匀性、流量观测的精度与时间分辨率、系统的自动化程度与便携性等方面表现优异,能够为降雨入渗产流机理研究提供重要的技术支撑。     

大降雨强度下雨水人渗规律研究

基于Green Ampt入渗模型 ,研究了符合Green Ampt入渗模型的干土构成的缓坡 ,在大降雨强度的情况下的入渗规律。利用Green Ampt入渗模型提出了考虑气压势的入渗率公式 ,得出了在恒定的降雨强度下的实际入渗关系式。并与控制坡面流的一维圣维南不稳定流方程组结合 ,得到了干土坡在大降雨强度下的入渗及坡面径流的数值模拟     

强降雨条件下气压对滑坡延时效应研究

在强降雨入渗条件下,浅层边坡土体中的气体可能被封闭,孔隙气压力在封闭条件下随着雨水的入渗不断增加。结合湿润峰面受力分析对封闭气体压力的物理意义进行了说明,通过考虑简化的气阻入渗模型,对比经典的Green-Ampt入渗模型,研究了气压对入渗率和下移的湿润峰的影响。应用该入渗模型,对下部为基岩的大面积浅层边坡雨水入渗过程以及边坡稳定性进行分析。研究表明,封闭气压显著降低了边坡体内雨水的入渗率,对安全系数的降低具有明显的延时性,这进一步揭示了部分地区雨后滑坡频繁发生的重要原因。因此,考虑封闭气压对大面积边坡降雨安全预报具有重要意义     

水致黄土深层滑坡灾变机理

在黄土地区,雨后观测和人工降雨试验均表明地表水在黄土中的入渗深度有限,并不影响黄土深部的含水率。因此水分入渗是否直接造成斜坡深层滑移颇受争议。本文通过黄土地区自然降雨条件下的现场观测,发现地表水在黄土中的入渗沿垂直剖面可以划分为3个带:即活动带,稳定带和饱和带。活动带受大气降雨和蒸发的影响,为瞬态流,向下则转化为稳定流;稳定带含水率不变,但仍有稳定的水分运移至地下水位。地下水以下降泉的形式排泄。在入渗和排泄条件长期不变的情况下,地下水位可维持动态平衡。若地表入渗量加大,如灌溉或管道漏水等,稳定带含水率升高,并伴随地下水位抬升,以达到新的平衡,此水文动态转化过程会诱发滑坡。以延炼滑坡为例,分析了长期地表水间歇性滴渗条件下,边坡的水力动态变化过程,及其对边坡稳定性的影响。观测及分析结果表明,黄土深层滑坡主要与地表水入渗导致的地下水位抬升有关,由于其过程缓慢,容易被忽视而致灾。     

岩溶山区采煤条件下隔水层破坏及地表水入渗特征研究

在采空区上部、采煤沉陷区边缘以及沉陷区外,采用地面水文地质调查、钻孔地下水位简易水文地质观测、压水试验和试坑渗水试验,综合分析岩溶山区采煤条件下隔水层破坏及地表水入渗模式。对比1955年与2011年两个时期的地下水位值及地表水入渗量,经多种试验验证:采空区上方近地表岩体破碎,隔水层失去隔水作用,与含水层融为统一含水体;采煤沉陷区内,钻孔地下水位下降幅度最高达到86.30m,地表水入渗量最高可达到经验数值的31.61倍,地表水入渗模式以垂直渗透补给地下水含水体为主;采煤沉陷区外,地表水入渗量基本不变,地下水位没有明显下降,隔水层仍保持隔水作用,地表水以坡面流为主。     

冻结-冻融过程中水分运移机理

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.     

水势理论在四水转化研究中应用时代特征与趋势:纪念ZFP方法引进我国30周年

20世纪80年代零通量面方法在我国应用中解决了"四水"转化研究中参数不确定性带来的问题,发现在降水入渗补给地下水过程中土壤总水势梯度大于1.0cm H2O/cm,且逐渐降低,流入、流出被监测土层的水量相等时土壤总水势梯度趋近于1.0cm H2O/cm。20世纪90年代,利用土壤水势与含水量之间量化关系,指导了农业节水灌溉,提出在灌溉过程中土壤水势梯度等于1.0cm H2O/cm的时间持续愈长,表明过剩灌溉而浪费的水量愈多的认识。进入21世纪以来,水势理论较广泛地用来解决土壤水盐分运移数值模拟与入渗模型中水文地质参数问题和降水入渗土壤水势运移微观机理研究,并发现表聚型、中聚型和底聚型土壤盐分剖面的水动力学特征。通过土壤水动力场调控改变土壤水盐(养分或污染物)运移是未来重要研究方向。     

土壤中空气对土结构和入渗过程的影响

分析了土壤表面积水入渗过程中压缩气体对土体结构的影响理论,并通过二维土柱入渗试验对其进行了分析及验证。在积水深度为2.8 cm的条件下,对2个初始含水量、3个孔隙率下的土柱进行了试验,测量出其在试验过程中的气体压力和入渗量,并同时观察土体结构的变化。理论和试验结果表明,气体出现突破之前,土壤内气体压缩产生的气压对湿润区土体的顶托作用会破坏土体的平衡,从而在湿润锋处产生水平裂缝,破坏入渗土体的连续性。试验还发现,入渗过程中土体结构变化大小受土壤初始结构和含水率的影响,初始结构越牢固、含水量越大,结构和气压变化越小,根据结构变化不同,可以划分出两种不同的试验过程。同时入渗土体内出现裂缝时,气压的减渗作用尤为显著,甚至会导致试验过程的停止。     

环渤海平原土壤盐分不同聚型的水动力学特征

为了解环渤海低平原微咸水灌溉的土壤容盐能力问题,对大量野外监测和采样测试数据进行了研究。结果表明,该平原的土壤盐分剖面分布特征具有表聚型、中聚型和底聚型3种类型,其与蒸发、降水或灌溉入渗影响和潜水位埋深变化相关。不同聚型剖面形成的水动力特征各不相同：表聚型土壤盐分剖面的水势梯度指向地表,其绝对值远大于1.0 cmH₂O/cm;中聚型土壤盐分剖面上部的水势梯度指向地下水面,剖面下部的水势梯度指向地表;底聚型土壤盐分剖面的水势梯度指向地下水面,水势梯度大于1.0 cmH₂O/cm。表聚型土壤盐分剖面不利于微咸水灌溉农田和作物生长。     

大降雨条件下气压力对边坡稳定的影响研究

对于大面积浅层风化土边坡,当下部含有浅水位或不透水基岩层时大降雨将导致下部气体被封闭。随着湿润峰的下移,气压不断增大。封闭气压力不仅降低了雨水在边坡土体的入渗率,而且对边坡的稳定有显著影响。通过分析封闭气压力的形成和相关理论,提出取 大小的气压力头来研究边坡的稳定性（Hc为一水头值,与土体孔隙尺寸分布有关; hd为土体进气值水头）。结合非饱和土的Mohr-Coulomb破坏准则和极限平衡法,将封闭气压力引入到边坡的稳定分析中,建立了考虑气压力影响下的稳定分析模型。与传统的不考虑气压力的稳定分析方法作对比,提出了气压力影响率概念。研究表明,封闭气压力显著降低了边坡的安全系数,传统的无限边坡稳定计算方法偏于危险。研究结果对无限边坡的强降雨安全预报具有较好的指导作用。     

Application of HYDRUS-1D in understanding soil water movement at two typical sites in the North China Plain

Recharge and discharge, such as rainfall infiltration and evapotranspiration in vertical direction, are major processes of water cycle in the shallow groundwater area of the North China Plain. During these processes, soil water movement in the unsaturated zone plays an important role in the transformation from rainfall infiltration to groundwater. The soil water movement models were developed by using HYDRUS-1D software at two typical experimental sites in Cangzhou (CZ) and Hengshui (HS) with different soil, vegetation and similar climate conditions. As shown in the results, the comparison in precipitation infiltration features between the two sites is distinct. The soil water experiences strong evaporation after precipitation infiltration, which accounts for 63% of the total infiltration at the HS site where the soil is homogenous. It is this strong evaporation effect that leads to slight increase of soil water storage. At the CZ site, where the soil is heterogeneous, the evaporation effect exists from July to October of the simulation period. The total evaporation accounts for 33% of the total infiltration, and the evaporation rate is slow. At the end of the simulation period, the soil water storage increases and the water table decreases, indicating a strong storage capacity at this site.     

Field experiments yield new insights into gas exchange and excess air formation in natural porous media

Gas exchange between seepage water and soil air within the unsaturated and quasi-saturated zones is fundamentally different from gas exchange between water and gas across a free boundary layer, e.g., in lakes or rivers. In addition to the atmospheric equilibrium fraction, most groundwater samples contain an excess of dissolved atmospheric gases which is called “excess air”. Excess air in groundwater is not only of crucial importance for the interpretation of gaseous environmental tracer data, but also for other aspects of groundwater hydrology, e.g., for oxygen availability in bio-remediation and in connection with changes in transport dynamics caused by the presence of entrapped air bubbles. Whereas atmospheric solubility equilibrium is controlled mainly by local soil temperature, the excess air component is characterized by the (hydrostatic) pressure acting on entrapped air bubbles within the quasi-saturated zone. Here we present the results of preliminary field experiments in which we investigated gas exchange and excess air formation in natural porous media. The experimental data suggest that the formation of excess air depends significantly on soil properties and on infiltration mechanisms. Excess air was produced by the partial dissolution of entrapped air bubbles during a sprinkling experiment in fine-grained sediments, whereas similar experiments conducted in coarse sand and gravel did not lead to the formation of excess air in the infiltrating water. Furthermore, the experiments revealed that the noble gas temperatures determined from noble gases dissolved in seepage water at different depths are identical to the corresponding in situ soil temperatures. This finding is important for all applications of noble gases as a paleotemperature indicator in groundwater since these applications are always based on the assumption that the noble gas temperature is identical to the (past) soil temperature.     

浅埋深地下水作用下苏打盐渍土水分动态变化特征

文章利用野外试验设施分别把地下水埋深控制在1.0,1.4,1.8,2.2和2.5m,研究在不同地下水埋深作用下苏打盐渍土土壤水分平衡和水分动态变化。同时,跟踪在地下水位不断波动条件下田间土壤水分的动态变化。结果表明:地下水埋深在1.0~2.5m时,苏打盐渍土土壤水和地下水的转化关系非常微弱,仅在长期干旱的条件下发生微量地下水毛细上升量;降雨和蒸散作用对苏打盐渍土体积含水量的影响深度不超过40cm,埋深大于1.0m的潜水对0~80cm深度苏打盐渍土体积含水量变化没有明显影响。     

Experimental investigations on the formation of excess air in quasi-saturated porous media

The formation of an excess of dissolved gas (“excess air”) in quasi-saturated media was studied by analyzing and interpreting dissolved noble gas concentrations in laboratory column experiments. Using quartz sand filled columns of 1 m length, two different experimental designs were realized. In the first, groundwater recharge was simulated by a unidirectional vertical water flow through the columns. In the second, groundwater level fluctuations in an aquifer zone without active infiltration were reproduced by cyclic water level fluctuations in the columns. The reproducible generation of excess air under these defined, near natural conditions was successful. Partial or complete dissolution of air bubbles entrapped in the quartz sand could be identified as the mechanism responsible for the generation of excess air. Depending on the experimental design, supersaturation of the dissolved atmospheric noble gases ranging between 1.4% ΔNe and 16.2% ΔNe was found. The measured noble gas patterns were interpreted using inverse modeling and conceptual gas exchange models and were compared to results of numerical simulations of gas bubble dissolution in water filled soil columns. The gas composition in most of the samples resembles either unfractionated pure atmospheric excess air or is fractionated in accordance with closed-system equilibration between entrapped air and surrounding water. In addition to the amount of entrapped air, the hydrostatic pressure exerted on the entrapped air bubbles is the dominating parameter responsible for the total amount of dissolved air. The composition of the excess air component is controlled by the water flow regime, the bubble size distribution, the initially dissolved gas concentrations and the initially entrapped gas composition.     

淮北平原裸地潜水蒸发计算公式比较

依据安徽省五道沟水文试验站观测资料,比较了不同公式在浅埋区黄潮土与砂姜黑土的潜水蒸发计算中的表现.建议使用彭曼公式计算的蒸发能力代替实测水面蒸发以提高拟合效果.对于黄潮土建议采用阿维里扬诺夫公式、沈立昌双曲线公式、叶水庭指数公式和幂函数公式计算潜水蒸发.对于砂姜黑土建议采用阿维里扬诺夫公式、沈立昌双曲线公式、叶水庭指数公式和反logistic公式计算潜水蒸发,不推荐在淮北地区使用清华大学公式.列出了各公式的拟合参数.