包气带弱渗透性黏土透镜体对降雨入渗补给影响的数值模拟

大气降雨是华北平原浅层地下水的主要补给来源。长期过量开采地下水造成地下水位持续下降,使原来处于饱水带的透镜体位移到包气带中,形成了厚度大、非均质性更为复杂的包气带。厚层包气带中弱渗透性黏土透镜体对于降雨入渗补给的影响是关系到降水入渗过程及补给量评价的基本问题。用HYDRUS软件建立数值模拟模型,模拟探讨单次降雨条件下,透镜体埋深、宽度比、厚度等要素对入渗路径、入渗补给时间和入渗补给量的影响。结果表明:入渗过程中弱渗透性黏土透镜体两侧会形成较快的绕流;透镜体会减小补给峰值并延长总体补给时间,但不改变补给起始时间;透镜体埋深与极限蒸发深度的相对关系决定了潜在补给量的大小,透镜体埋深或因透镜体形成的上层滞水处于极限蒸发深度以上会减少潜在补给量。     

有效参数的幂平均算法对农田尺度阿特拉津淋溶动态数值模拟的影响

以模拟农田尺度降雨入渗—重分布条件下阿特拉津(atrazine)在非饱和土壤中的淋溶动态为数值算例,通过在北京东郊的一块27m×27m的农田采集100个土壤样品,测定其主要理化性质,间接计算获得各土壤样品的van Genuchten型水力学参数、溶质运移的弥散度及atrazine在土壤中吸附的分配系数,进而基于柱模型假设,运用HY DRUS 1D软件得到不同时刻采样区内土壤水负压和atrazine浓度的平均分布。在此基础上,重点探讨了应用幂平均算法计算不同的等价有效参数对农田尺度下土壤水负压和atrazine浓度平均分布的数值模拟精度的影响。就所设计的降雨入渗—重分布条件下atrazine淋溶的算例而言,土壤水力学参数、溶质运移参数和吸附特性参数取几何平均或调和平均作为有效参数值,空间平面上呈正态分布的土壤水负压的初值采用算术平均值作为流场模拟的初始条件,可以获得满意的数值模拟结果。     

北麓河流域多年冻土区退化草甸的土壤水文特征分析

选取长江源北麓河地区受冻融作用影响而严重退化的高寒草甸典型区域进行取样, 通过实验和模拟等方法, 对该区域内不同深度土层的土壤特征曲线、土壤饱和导水率、土壤粒径、容重和总孔隙度进行了研究和分析.结果表明: 土壤的水分特征曲线由Gardner等与van Genuchten提出的幂函数方程拟合效果良好, 0.1 MPa为土壤水分特征曲线的临界值. 0~5 cm表层土壤的持水能力最小, 20~30 cm土壤的持水能力最大. 0~5 cm表层土壤供水能力最小, 15~30 cm土层的供水性能最好, 适合植被根系的生长.土壤的饱和导水率随着深度的增加而减小.     

邯郸地区土壤水入渗规律实验及数值模拟方法研究

在对土壤入渗理论进行总结和分析的基础上,依据邯郸市平原区的水文水情的基本特点,选定2~3处地点进行实验,完成了静态数据的收集和动态数据的观测,确定了实验区土壤质地类型、土壤容重等物理特性,结合实验测定的饱和导水率K、土壤水分特征曲线θ（ h）推算非饱和导水率K（θ）、扩散率 D（θ）等土壤水分运动参数。运用上述数据对Van Genuchten模型加以改进,并运用改进后的模型对实验中的水分变化过程进行数值模拟。结合实测成果和数值模拟成果,对邯郸市平原区已选定实验点土壤水入渗规律进行分析。     

van Genuchten模型参数的物理意义

van Genuchten模型是目前拟合水土特征曲线应用最广泛的数学模型,但该模型参数多,且物理意义复杂,特别是参数α的物理意义至今尚未有统一的认识。文章通过理论推导,结合4种样品（粗砂、中砂、细砂和粉砂）实测的水土特征曲线,对van Genuchten模型的参数α、m和n的物理意义进行了探讨,重点研究了α与进气值和拐点处负压（hi）的关系。推导出的van Genuchten模型的1/α与hi的关系和实测数据均证明了1/α不仅与hi有关,还受参数m和n的影响。粗砂和中砂的1/α与hi大致相等,细砂和粉砂的1/α则大于hi。粗砂的进气值与1/α近似相等,其它介质中1/α与进气值之间存在更复杂的关系。另外,m和n作为独立变量在拟合水土特征曲线时精度更高,但在计算非饱和渗透系数时给定m=1-1/n的约束条件是必要的。     

地下水数值模拟中入渗补给滞后的处理方法

地面水入渗补给地下水具有滞后性。文章介绍了地下水数值模拟中入渗滞后补给的权系数方法,该方法仅有一个参数需要确定。基于均质介质和底面为自由液面的一维土柱的理想模型数值试验,利用不同滞后因子的饱和地下水流模型同饱和-非饱和地下水模型求解的入渗补给量进行对比分析,认为待定参数与地下水位埋深成反比,与介质的饱和渗透系数成正比,通过40组设定的模型试验得到地下水埋深和饱和渗透系数对应的待定系数取值的统计关系式。这些成果为饱和地下水流模型中入渗滞后性的描述提供了参考,将提高地下水流模拟的仿真性。     

基于氢氧同位素的华北平原降水入渗过程

华北平原地下水浅埋区水循环主要以垂直方向上的入渗、蒸发和蒸腾的方式存在,同位素可以作为一种有效"示踪剂"揭示降水入渗补给地下水的过程。选择华北平原中、东部地下水浅埋区的衡水和沧州为典型实验点,研究不同降水特征、土壤质地和植被条件下入渗过程的差异性。结果表明,土壤非均质条件下(沧州),降水入渗补给过程中伴随着蒸发、植被蒸腾作用以及与土壤前期水分的强烈混合作用,活塞流入渗的同时土壤100 cm深度可能还存在大孔隙优先流;土壤均质条件下(衡水),降水向下均匀入渗,入渗速度较快,土壤水运动以新水基本代替老水的活塞流为主要形式,并经过强烈的蒸发浓缩作用补给地下水。     

淮南市区浅层地下水求参公式的建立

根据淮南市区浅层地下水埋深浅，滞后效应小等特点，推导出一套实用的水文参数计算公式，包括：降水入渗补给地下水系数ａ，蒸发极限深度Ｌ，蒸发系数Ｃ，以及浅层地下水的给水度ｕ的计算公式。     

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.      

种植条件下降雨灌溉入渗试验研究

基于清水河平原头营和黑城试验场降雨(灌溉)入渗过程土壤水分运移观测试验数据的分析研究,笔者应用能量观点描述了包气带水分运移的分带性、降雨(灌溉)入渗补给地下水的水分条件和地下水入渗补给过程的基本特征。应用蒸散量模型、土壤水分通量模型,计算了作物生长期的蒸发蒸腾量、土壤贮水量的变化量、400cm深度处的土壤水分渗漏量及渗漏系数。从多年的角度分析了深层土壤水分渗漏量、渗漏系数与地下水入渗补给量和补给系数的关系。它对分析降雨(灌溉)入渗对地下水的补给过程和定量分析地下水入渗补给量、入渗补给系数具有重要价值。     

Evaluation of probabilistic flow in two unsaturated soils

A variably saturated flow model is coupled to a first-order reliability algorithm to simulate unsaturated flow in two soils. The unsaturated soil properties are considered as uncertain variables with means, standard deviations, and marginal probability distributions. Thus, each simulation constitutes an unsaturated probability flow event. Sensitivities of the uncertain variables are estimated for each event. The unsaturated hydraulic properties of a fine-textured soil and a coarse-textured soil are used. The properties are based on the van Genuchten model. The flow domain has a recharge surface, a seepage boundary along the bottom, and a no-flow boundary along the sides. The uncertain variables are saturated water content, residual water content, van Genuchten model parameters alpha (α) and n, and saturated hydraulic conductivity. The objective is to evaluate the significance of each uncertain variable to the probabilistic flow. Under wet conditions, saturated water content and residual water content are the most significant uncertain variables in the sand. For dry conditions in the sand, however, the van Genuchten model parameters α and n are the most significant. Model parameter n and saturated hydraulic conductivity are the most significant for the wet clay loam. Saturated water content is most significant for the dry clay loam. Electronic Publication     

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。     

Structure and parameter schematization of the vadose zone for groundwater recharge modeling

On the basis of published soil profile data typical retention curves and hydraulic conductivity functions were obtained that depend on soil depth, lithological characters, and different surface landscape conditions. The corresponding average soil hydraulic parameters for M.Th.Van Genuchten equations were estimated. These average soil parameters are suitable for groundwater recharge estimations based on unsaturated flow modeling.     

利用EARTH模型计算河北栾城地下水垂向补给量

准确计算地下水的垂向入渗补给量是合理评价和利用地下水资源的基础.EARTH模型是一种集中参数的水文模型,可刻画水流在包气带中的运移过程,弥补黑箱模型的不足.以中国科学院栾城农业生态试验站的地下水位观测资料以及气象资料为基础,综合运用降水、蒸发、土壤水、地下水动态观测资料,利用EARTH模型计算了河北平原地下水垂向入渗补给量.计算结果表明,2003年1月1日至2005年8月31日期间,栾城农业生态试验站在降水量1404.1 mm、灌溉量1050.0 mm的条件下地下水入渗补给量为487.2 mm,平均年入渗补给量为182.6 mm, 占降水和灌溉总量(2454.1 mm)的19.9%.在模拟结果的基础上,对不同年份的降水量(含灌溉)和入渗补给量分布的对比分析表明,河北栾城地下水补给滞后现象明显,在研究时间段内峰值滞后18～35 d.     

基于混合遗传算法估计van Genuchten方程参数

van Genuchten(VG)方程是最常用的土壤水分特征曲线方程,其参数取值的精度直接影响到土壤水分运动方程计算的精度.该文建立了VG方程参数的优化模型,构建遗传算法与Levenberg-Marquardt算法相结合的混合遗传算法对其进行求解,并进行了数值试验.结果表明采用混合遗传算法比普通遗传算法不但提高了收敛效率,而且收敛迭代次数也大大减少;采用混合遗传算法估计参数的精度比非线性单纯形法和阻尼最小二乘法要高一些,而且不需要给参数初值.因此,混合遗传算法可以作为估计VG方程参数的一种新方法.     

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。     

The effects of a dry sand layer on groundwater recharge in extremely arid areas: field study in the western Hexi Corridor of northwestern China

Evaporation capacity is an important factor that cannot be ignored when judging whether extreme precipitation events will produce groundwater recharge. The evaporation layer’s role in groundwater recharge was evaluated using a lysimeter simulation experiment in the desert area of Dunhuang, in the western part of the Hexi Corridor in northwestern China’s Gansu Province. The annual precipitation in the study area is extremely low, averaging 38.87 mm during the 60-year study period, and daily pan evaporation amounts to 2,486 mm. Three simulated precipitation regimes (normal, 10 mm; ordinary annual maximum, 21 mm; and extreme, 31 mm) were used in the lysimeter simulation to allow monitoring of water movement and weighing to detect evaporative losses. The differences in soil-water content to a depth of 50 cm in the soil profile significantly affected rainfall infiltration during the initial stages of rainfall events. It was found that the presence of a dry 50-cm-deep sand layer was the key factor for “potential recharge” after the three rainfall events. Daily precipitation events less than 20 mm did not produce groundwater recharge because of the barrier effect created by the dry sand. Infiltration totaled 0.68 mm and penetrated to a depth below 50 cm with 31 mm of rainfall, representing potential recharge equivalent to 1.7 % of the rainfall. This suggests that only extreme precipitation events offer the possibility of recharge of groundwater in this extremely arid area.