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。     

沟灌土壤湿润体空间矩特征参数估算模型

为进一步增加矩分析理论在研究沟灌土壤湿润体运移特性方面的实用性,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,定量分析了土壤初始含水率、入渗水深、沟底宽和边坡系数等因素对沟灌自由入渗条件下土壤湿润体空间矩特征参数的影响,并建立了其与主要影响因素间的函数关系式。结果表明,土壤初始含水率、入渗水深和沟底宽对垂直向土壤水分分布的质量重心影响较大;水平向湿润锋的平均离散度主要受土壤初始含水率、入渗水深、沟底宽和边坡系数的影响,而垂直向对土壤初始含水率和入渗水深变化的敏感性较高;选取不同土壤质地对所建模型的可靠性进行了验证,结果表明所建模型估算不同入渗时刻的空间矩特征参数值与根据HYDRUS软件模拟结果所得计算值具有高度一致性,所有验证组合条件下两者相对误差绝对值均值均低于8.5%,且无显著性差异,说明所建模型估算沟灌土壤湿润体空间矩特征参数具有高度可靠性。研究结果可为沟灌灌水方案设计和管理提供理论基础和技术支撑。     

单环入渗试验与数值反演法结合推求土壤水力参数

单环入渗试验广泛应用于野外测定土壤水力参数。文章在三维非饱和带水分模拟程序VSF基础上,加入了单环入渗水流计算模块,并将改进的VSF与参数优化程序LEVMAR相耦合,构建了适用于单环入渗试验的土壤水力特征参数反演程序VSF-LEVMAR。利用大型室内土槽单环定水头入渗及变水头入渗试验资料,反求水平及垂向饱和入渗系数等土壤水力参数。应用结果表明:该方法既可以利用单环定水头入渗试验单独推求吸湿过程中的土壤水力参数,也可以结合单环定水头入渗与变水头入渗试验同时推求吸湿及脱湿过程中的土壤水力参数。     

紫色土典型三角形层状剖面入渗模拟

通过室内特制的土壤水分入渗试验装置,分别设置上粗下细和上细下粗两种典型不同质地紫色土三角形层状剖面,探讨典型不规则层次结构的土壤入渗特性。结果显示,同一三角形层状剖面入渗,粗质土半剖面的垂直湿润锋随时间推进速度快于细质土。对于粗质土,上细下粗剖面设置下其半剖面的垂直湿润锋随时间推进速度快于上粗下细,但对于细质土,两种层状剖面设置下其垂直湿润锋随时间推进速度差异不明显。无论上粗下细,还是上细下粗,两种层状剖面对斜面湿润锋变化曲线影响不大。两种层状剖面入渗,湿润锋、入渗速率与时间均呈极显著幂函数关系。建立的紫色土典型三角形层状剖面入渗模型,经验证,模拟值与实测值具有非常好的一致性,且可与经验模型相互转换,模型参数也具有一定的物理意义。     

紫色土中砾石夹层对土壤水分入渗的影响

为探究紫色土中砾石夹层对土壤水分入渗的影响因素,通过室内模拟土柱入渗试验,采用一维垂直水头法研究2种砾石粒径（10~20 mm、20~76 mm）和5种砾石含量（0%、10%、20%、30%和40%）分别与累积入渗量、入渗特性和湿润锋进程之间的关系。利用Horton方程和Philip公式验证入渗特性,以及幂函数拟合湿润锋进程。结果表明:① 在相同砾石粒径下,累积入渗量随着砾石含量的增加而减小;对于20~76 mm粒径砾石夹层,20%砾石含量及以上含量对水分入渗的阻碍程度相似。② 当砾石粒径相同时,初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率都随砾石含量的增加而减小;当砾石含量相同时,大粒径砾石夹层的初始入渗率大于小粒径砾石夹层。③ 砾石粒径大小与其对湿润锋的阻碍程度呈负相关。④ Horton方程对累积入渗量变化规律的验证效果要优于Philip公式;幂函数能较好地模拟含砾石夹层土壤中湿润锋的进程。     

上方来水对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响

在防止土壤侵蚀和雨后抑制蒸发的条件下,利用室内模拟降雨试验,研究了上方来水对坡面降雨入渗、湿润锋运移以及土壤水分再分布的影响。结果表明:对于初始含水量很低的土壤,与上方无来水相比,上方来水时降雨入渗过程中入渗率有一个上升的阶段,但平均入渗率反而降低;在降雨入渗初期,由于上方来水的沿程入渗,上方来水对坡面湿润锋运移的影响较大,但随后几乎没有影响,湿润锋的运移主要与基质势梯度有关;土壤水分沿坡面呈"波浪形"分布是坡面径流的波动性、上方来水(径流)的沿程入渗以及侧向沿坡向下流等综合作用的结果。     

膜孔多向交汇入渗湿润体特性试验研究

通过大量膜孔多向交汇入渗试验资料.分析了膜孔多向交汇入渗湿润体形状、湿润锋运移和湿润体内土壤含水率,该研究成果可为进一步研究膜孔交汇入渗规律和膜孔灌技术提供参考.     

基于染色示踪的膜下滴灌棉田水盐运移规律

采用亮蓝FCF染色示踪剂, 研究膜下滴灌条件的水盐运移规律; 分别在灌溉前、灌溉中和灌溉后等不同时间段共开挖13个时刻的剖面, 观察膜下滴灌湿润面的运移情况; 以10 cm间隔的网格, 用MP406土壤水分探测器原位测定3 120个点的土壤体积含水率, 同时取1 430份土样, 利用1∶5土水比浸提法测定土壤盐分; 并利用WATCHDOG气象站监测研究区气象要素.结果表明: 染色示踪能直观表征土壤水盐运动轨迹; 膜下滴灌条件下, 垂直滴灌带方向土壤水流呈点源入渗特征、沿滴灌带方向近似呈线源入渗特征; 现行灌溉模式下, 壤质砂土湿润锋横向运移速率约为8 cm/h; 滴灌对滴头附近土体有一定洗盐效果, 未覆膜区域地表土体出现盐分积累; 灌水时间越长, 湿润锋越深, 横向扩展速率接近无作物小区(8 cm/h); 从土壤水合理利用角度考虑, 满足研究区一膜一带四行的种植模式和土质的单次合理灌水量应为29.4~69.8 mm.      

喀斯特溶槽岩-土界面优势流及其对土壤水分动态的影响

通过对两个典型溶槽剖面的野外入渗实验,结合对入渗锋面的红外成像和染色示踪,分析溶槽中土壤湿润锋运移受岩—土界面优势流、初始水分状态（干湿程度和不均匀分布）及植被根系的影响程度。其结果表明:岩—土界面优势流增加入渗锋面到达处的土壤含水率是溶槽中部的1.1～14.5倍,但岩—土界面优势流形成的侧向水势梯度可降低优势流锋面下移;初始入渗中表土湿润锋运移主要受植被根系大孔隙优势流的影响,岩—土界面优势流作用不显著,但随着入渗深度的加大,岩—土界面优势流侧向弥散对湿润锋运移和土壤水分的影响加强。      

采煤沉陷对风沙区土壤非饱和水分入渗的影响

为研究采煤沉陷后风沙区土壤水分入渗变化规律,通过定水头注水结合入渗湿润峰测定的方法,对毛乌素沙地南缘补连塔矿区沉陷于2004、2005年的2个沉陷区土壤水分非饱和入渗变化进行研究,结果表明,垂直入渗观测时段(入渗开始后0~175 min)后期,与坡面剖面相比,丘间低地较多剖面垂直湿润峰的间距明显较大,垂直入渗持续能力较强。2004年沉陷区坡面未裂处平均垂直入渗速率、第175 min垂直入渗深度显著超过对照区坡面(P<0.05),2005年沉陷区坡面未裂处平均侧渗速率显著超过对照区坡面(P<0.05)。沉陷区丘间低地垂直入渗速率在入渗10 min左右前期升高后期降低,侧渗速率在入渗10~12 min的前期升高后期降低;沉陷区坡面垂直入渗速率、侧渗速率在大部分观测时段内升高。因子分析表明沉陷区入渗特征是丘间低地垂直入渗偏强,坡面侧渗偏强。     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

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.     

基于数值模拟的湿润锋前进法测量精度分析

非饱和土的渗透系数函数测量难度大、耗时长,湿润锋前法(WFM)可在短时间内测得渗透系数函数(HF),但依赖肉眼识别的湿润锋,存在一定的局限性,且该方法的测量精度尚不明确,有待验证。文中针对湿润锋前进法进行研究,探讨初始含水率、湿润锋阀值、降雨入渗速率、传感器位置等因素对湿润锋前进法的测量精度的影响。采用Seep/W软件模拟均质土柱的入渗过程,分析湿润锋前进法数据,计算土体的渗透系数,将其和输入的渗透系数（可认为是真实解）进行比较,对湿润锋前进法的计算精度进行评估,并讨论误差的来源。分析结果表明,湿润锋前进法能够获得比较精确的计算结果;使用湿润锋特征含水率计算湿润锋前进速率,突破了原始湿润锋前进法存在“肉眼观察”的局限性,大大拓展了该方法的适用性;传感器间距对湿润锋前进法渗透系数函数计算精度没有直接影响;初始含水率越低,降雨入渗速率越大,渗透系数函数范围跨度越大。基于文中的分析结果,对湿润锋前进法的试验设计时,建议采用30～50 cm的土柱进行试验,传感器的数量建议为3～4,可以采用任意初始含水率进行试验接近干燥更好,为避免表面积水,建议降雨强度小于饱和渗透系数。     

温度梯度作用下非饱和土水分迁移研究

为了探明非饱和土中的水分在温度梯度作用下的迁移规律,开展了非饱和土在不同温度梯度作用下的气态水迁移试验和混合态水迁移试验。试验结果表明土样内部的温度场在24 h内均能达到稳态且稳定后的温度场沿土样长度方向线性变化。气态水迁移量和液态水迁移量均随着温度梯度的增加而增加,气态水迁移量的增幅显著大于液态水迁移量的增幅。在气态水迁移中,温度效应随着土样初始含水率的增加而显著增加;在液态水迁移中,温度效应与土样初始含水率的关系不大。最后建立了非饱和土在不同温度梯度作用下,当其水分场接近稳态时,土样内部含水率梯度的表达式,该表达式包含温度梯度和初始含水率两个影响因素。     

考虑竖向附加应力作用的一维垂直土柱仪研制与应用

渗透系数是研究实际工程渗水问题的关键参数之一。以往对于非饱和土渗透系数的试验研究中,增湿工况较为单一,极少考虑竖向附加应力的影响。基于此,开发了一套一维垂直土柱试验装置以弥补这一缺陷。该装置主要由试验台架、土柱筒、竖向加载装置、供水装置、水分传感器、张力传感器以及数据采集系统等组成,可模拟竖向附加应力作用下降雨、积水入渗、毛细上升工况,可测定增湿过程中水的入渗量与浸润峰时程线、土柱竖向变形以及不同截面的体积含水率与基质吸力的时程曲线,基于瞬态剖面法可获得不同截面处增湿时土的非饱和渗透系数与吸力关系。最后,以兰州Q3非饱和粉质黄土为例,初步开展了不同竖向附加应力作用下土柱积水入渗试验,分析入渗量、湿润锋、体积含水率、吸力及竖向变形时程线变化规律,获取渗透系数与吸力关系的渗透函数变化规律,通过对比类似试验结果,表明试验结果符合渗水规律,验证了研制土柱仪的有效性,但其可靠性还需进一步研究。本试验装置为不同工况下非饱和土体变形、水分迁移规律及渗透特性研究奠定基础,并获得相应试验参数。     

降雨入渗下非饱和坡残积土湿润锋运移试验研究

我国东南沿海地区丘陵山地发育，降雨入渗到土体中的水分是导致滑坡灾害频发的关键因素。以福建省泉州市德化县地质灾害点为主要研究对象，考察典型地质灾害点具有代表性的坡积土与花岗岩残积土的渗透特性。利用自行研制的土体入渗装置，分别在降雨强度为15、30、60 mm/h条件下，考虑降雨历时一致（180 min）与过程降雨量一致（90 mm）两种工况开展一维土柱入渗试验，得到相应的各个土柱含水率、湿润锋、入渗率随时间变化的响应规律。试验结果表明：（1）土体渗透系数越大、雨强越大，土体湿润蔓延距离越深、速度越快。（2）降雨入渗过程中，土体含水率由浅及深逐次对降雨进行响应。不同雨强对含水率的影响主要体现在第一次响应时间以及饱和速度上，雨强越大，响应时间越快，饱和速度也越快。（3）提出可表征在不同雨强作用下，德化县马坪滑坡与崩土岭滑坡的湿润锋入渗公式。该研究成果对台风暴雨型滑坡的孕灾机制分析以及精细化监测预警具有重要的理论及实际意义。     

基于最小作用原理的Richards方程变分解

经典的Richards入渗控制方程属于偏微分方程,具有强烈的非线性,难以求得解析解。以入渗时间为最小作用量,基于Richards方程建立关于入渗路径的时间泛函,将考虑重力项的非饱和土垂直入渗问题转化为泛函极值问题,并构造等价的Euler-Lagrange方程进行求解。计算结果表明,扩散系数D（?）与概化湿润锋距离具有函数关系,当扩散系数D（?）形式已知时,可求得最优路径下湿润锋处含水率、较远处湿润锋最小含水率、土壤含水率最大熵分布3个问题,并基于最优路径检验了本研究条件下,Boltzmann变换和线性变换求解Richards方程的精度。求解过程未引进新变量化简Richards方程,不改变原方程结构,因此其解具有普遍性,可作为非饱和土力学计算的一个补充。