用中子水分仪研究降雨补给地下水过程中土壤水分的变化

本文主要介绍利用包气带和饱水带连系在一起的物理模型,通过中子水分仪对土壤水分含量变化过程的测定,研究降雨入渗补给地下水的机制。 中子水分仪是研究土壤水分运动的理想仪器。据测定,试验系统所提供的起始土壤水分的垂向分布,是由饱水带,支持毛管水带、田间持水量带和表层缺水带等四个区段构成的。此种模型在地下水位埋藏较浅的平原地区具有普遍意义。 试验结果表明,降雨的初渗主要发生在表层缺水带。在此范围内,即使降雨强度不变,含水率也在逐步增加,直至超过田间持水率。稳渗则发生在处于田间持水量状态的区段,土壤水分含量的增加,说明入渗水流是以锋面运动的形式均匀缓慢地向下移动的。当入渗锋面到达支持毛管水带之后,不待完成全区段的土壤含水率增加过程,就发生了地下水位抬升和水平流动。可见,入渗锋面到达支持毛管水带上缘之时就是降雨入渗直接补给地下水的开始。次降雨量降了产生地表径流和补充不足田间持水量的亏缺部分外,其余入渗水量都将成为地下水的补给量。所以,产生入渗补给的首要条件是降雨量必须大于土层缺水量。实际补给量的多少,则与土壤前期含水量、地下水埋藏深度、降雨特性等因素有关。     

降水入渗地下水过程中包气带水份势能梯度的变化

降水通过包气带水分增加、减少和向下入渗补给地下水过程中,制约和控制岩土水分运动方向与入渗速度大小的水分势能梯度,因岩土吸水或者脱水状态的不同,初始含水量大小的不同和含水量的改变,而发生具有明显特征的则律性变化。本文以室内、外实验数据为基础,以非饱和水流运动定律为理论根据,探讨了岩土水势梯度这种变化在动态方面和剖面上的具体表现。     

基于非饱和模拟的海绵体土壤蓄渗能力评价

在武汉市长江新城起步区开展了海绵体土壤蓄渗能力评价,基于10个双环入渗试验和土壤颗分资料,利用HYDRUS-1D构建了非饱和水流数值模拟模型,对2018年降雨蒸发条件下海绵体土壤中的水分运移过程进行模拟,定量计算了海绵体土壤的蓄水容量和入渗水量。结果显示：非饱和数值模拟很好的仿真了降雨入渗过程,可准确计算海绵体土壤的蓄水容量和入渗能力。     

降雨条件下土坡饱和-非饱和渗流分析

分析了降雨入渗的过程,提出了降雨概念模型:讨论了如何用饱和-非饱和渗流数值方法分析边坡在不同雨型下的渗流场;分析结果表明:雨水入渗过程受初始渗流场影响很大,初始含水量的大小影响湿润锋的推进。暴雨情形下,雨水入渗缓慢,浅部土体保持一定吸力,雨停后渗流场仍有较大变化。     

考虑降雨影响的膨胀土边坡稳定性分析简化法

基于非饱和土一维降雨入渗模型,模拟了膨胀土边坡在降雨入渗条件下的水分运移特征。通过试验,研究了膨胀土抗剪强度随含水量变化的关系,提出了一种考虑降雨入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析的简化方法。研究表明,随降雨历时的增加,边坡的安全系数逐渐变小,边坡最危险滑动面有向浅层发展的趋势。这种方法既能避免繁杂的基质吸力测量,同时能够考虑膨胀土的非饱和性,可以基本满足一般中小型工程设计的需要。      

包气带水流中黄土裂隙作用机制研究

野外渗水实验和机制研究的结果表明:在暂时性饱和水入渗条件下,浅部黄土中可以形成裂隙中的水分向孔隙的“单向流”过程;在非饱和流状态下,黄土中的裂隙和大孔隙不起导水作用,而产生水流屏障效应。     

基于FLAC3D平台的边坡非饱和降雨入渗分析

为研究降雨入渗条件下三维边坡渗流场的变化过程,在全面研究FLAC3D软件渗流分析模块功能及算法的基础上,通过编写FISH函数完善了FLAC3D软件的非饱和渗流计算功能。基于降雨入渗机制的分析,编写了降雨入渗及停雨出渗边界的FISH函数,实现边坡三维降雨入渗过程的模拟。通过降雨条件下算例边坡的饱和非饱和渗流场变化过程的数值计算,研究了降雨入渗引起的边坡暂态饱和区变化过程,并与已有研究成果进行对比分析,从而验证了自编FISH函数实现边坡三维非饱和渗流计算结果的正确性。研究成果表明,文中提出的边坡三维非饱和降雨入渗分析是可行的,同时也为三维边坡非饱和渗流场的研究提供了一条有益的途径。     

非饱和土入渗的数值模拟

入渗引起土中孔隙水压力的变化,是影响非饱和土性状的最重要的原因之一。因此,正确地分析和模拟非饱和土入渗过程具有重要意义。通过对一维和二维降雨入渗问题的研究,展示了湿润锋面、地下水位面及孔隙水压力分布随时间的变化,使得对入渗问题的认识更加直观和清楚。     

非饱和黄土边坡水热变化过程室内模型试验研究

针对黄土边坡在降雨条件下易发生浅层滑塌失稳破坏问题,探讨降雨入渗及日照蒸发条件下非饱和黄土边坡内水热变化过程。利用填筑室内黄土边坡模型,通过控制降雨–日照循环条件,对黄土边坡模型中温度、水分及坡面位移进行监测,结果表明,非饱和黄土边坡模型在外界降雨–日照条件下其内部温度及含水率的影响范围在30~40 cm之间,其影响深度是有限的,说明通常在降雨入渗作用下黄土边坡失稳破坏的深度有限,多为浅层滑塌破坏;边坡模型的表面位移随着降雨日照条件变化而发生轻微膨胀或收缩。     

典型岩溶山坡土壤剖面水分对降雨响应过程研究

为揭示岩溶石山山坡降雨入渗补给机制,选取典型岩溶石山山坡土壤剖面为研究对象,于2015年7-10月期间对不同深度土壤水分进行高分辨率连续监测,研究典型场雨条件下土壤剖面水分对降雨的响应过程,分析土壤剖面水分的动态变化规律及其可能影响因素。研究结果表明:土壤剖面水分对降雨的响应受前期土壤含水量、降雨量、降雨强度的影响,还与土壤所处的地形地貌有关;表层土壤水分对首次次降雨响应的滞后时间与前期土壤含水量有关,响应时间在0.5~4.75 h之间,旱季响应时间比雨季长;降雨阈值是引起土壤水分降雨响应的重要条件,旱季6 mm降雨量是土壤水分响应的降雨阈值。当降雨量补充土壤水分亏缺后,土壤剖面水分对降雨响应迅速,响应时间最小为0.25 h,不同深度土壤水分对降雨的响应时间一致,说明下层土壤水分可能受到优先流或侧向径流补给影响。土壤含水量的变化幅度随土层深度的增加而减小,不同深度土壤水分变化主要受土壤-大气界面、土壤-植被、土壤-基岩界面控制下的气候条件、植被蒸散发和介质渗透性差异影响。      

降雨入渗影响下边坡中的非饱和渗流特性

为了分析降雨入渗影响下非饱和土坡渗流特性,利用自制降雨模拟系统和实时监测系统,对降雨诱发非饱和土坡失稳过程进行全方位、多参量的实时监测,研究不同降雨条件下,不同坡度、不同压实度边坡坡体不同位置雨水入渗率和湿润峰的实变规律.结果表明:降雨入渗条件下,陡坡和高压实度土体不利于雨水入渗,而缓坡和低密实度土体入渗率变化快;实际土体吸力和含水量实时变化规律不同步,提出试验湿润峰概念,含水率（吸力）湿润峰点可按含水率（吸力）实时曲线的过渡区和雨后残余含水率（吸力）的线性交叉点确定;考虑单向吸湿或脱湿路径下土体含水率和吸力具有唯一对应关系,含水率湿润峰点与吸力湿润峰点的绝对值时差即为形成湿润峰所需时间;对比湿润峰实测值与Lumb半经验值散点分布规律,基于Lumb湿润峰深度计算公式提出非线性修正表达式.      

土坡失稳的有效降雨量研究

降雨易引起花岗岩残积土边坡失稳。在分析降雨对边坡土体含水率影响的基础上,通过饱和度和含水率的关系推求出土体从非饱和过渡到饱和的有效降雨量。结果表明：对土质边坡,并非所有的降雨都会引起边坡的失稳,降雨入渗使边坡土体从非饱和向饱和状态发展,当边坡土体饱和度达到一定程度的时候易产生边坡失稳;土坡存在饱和区和非饱和区的临界深度,降雨对边坡的影响即为使得该深度以上的土体从非饱和过渡到饱和的过程,须采取不同的抗剪强度来计算处于临界深度上下两部分土体的稳定状态。研究结果对确定土坡失稳的降雨量阀值、进一步认识滑坡失稳机制,对滑坡的预测预报具有理论及实际意义。     

Investigation of wetting front behavior due to rainfall and ponding head effects in arid region wadi alluvium

Intensive experimental as well as numerical investigations have been carried out in order to develop empirical relationships to predict wetting front travel time and infiltration rate in deep arid region alluvium due to the effect of variable rainfall intensity and ponding head, respectively. A rainfall simulator that is capable of producing variable rainfall intensity up to 160 mm/h and a large diameter infiltrometer were constructed in the study area and then used to test the effect of rainfall and ponding head up to a depth of 3 m. Results of these experiments were utilized to calibrate an unsaturated zone model which was then used to test different scenarios for wetting front movement at depths beyond the scope of these experiments. Empirical infiltration relationships for rainfall and ponding head, respectively, were derived for shallow and deep soil columns from these experiments.     

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。     

一种用于突发性场地污染模拟的解析模型

为了及时有效地应对各种突发性环境污染事故,有必要开发一种简单实用、适于各类型污染物的场地污染数学模型。通过污染事故发生后污染物在包气带、饱和带迁移转化的概化,建立了污染物运移的自由入渗模型以及降雨入渗模型并给出各自相应的解析解。无降雨时,考虑污染物在重力作用下随包气带向下渗透的作用,建立一维垂直入渗模型。有降雨时,考虑污染场地（包气带）中污染物迁移和转化的对流作用、扩散作用及挥发、生物降解、吸附、根系吸收等作用,建立包气带剖面二维溶质运移模型和饱和带平面二维溶质运移数学模型。建模过程中,假定降雨量的平均分布及土壤质地、水力参数以及有机物成分、种类均相同,同时假定污染物与多孔介质间的作用为线性吸附,植物根系对污染物的吸附遵循一级动力学。基于模型的解析解,实现案例的模拟计算。模拟结果表明：该模型具有适用范围广、模拟高效快捷等优点,能够较准确预测污染发生后污染物在土壤中的动向、到达饱和带的时间以及饱和带中污染物的迁移情况。     

基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究

基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元,建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合"空气单元"的概念,对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象,还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟,分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明,在非饱和裂隙土中,存在两个主要的渗流过程:一是水沿裂隙优先流动;二是水不断从裂隙吸入基质中,基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比,基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程,而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力,从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响,当超过裂隙土的入渗能力时,多余积水沿地表流走,断面入渗率随...     

基于HYDRUS的三舟溪滑坡降雨入渗规律研究

以三舟溪滑坡为例,运用HYDRUS-1D模拟软件,对由于降雨影响造成滑坡土壤不饱和区的土壤水运动进行模拟计算,为滑坡体降雨入渗规律研究提供参考依据。将模拟计算结果与实际监测结果进行对比,发现在考虑降雨影响下,评价滑坡体降雨入渗规律采用Hydrus-1D是可靠的。受降雨特征和初始含水率的影响,降雨对地下水位的影响存在滞后作用,5月25日和5月29日降雨期间,湿润锋到达模型底部所用的时间分别为 6 h、19.2 h。     

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。      

适用于斜坡降雨入渗分析的修正Green-Ampt模型

降雨入渗分析是预测降雨诱发滑坡的关键因素之一。Green-Ampt模型原理简单、使用方便,在浅层滑坡的降雨入渗分析中有很大的应用潜力,但该方法主要适用于初始含水率为均匀分布的情况。基于这一不足,推导了初始含水率为非均匀分布条件下降雨入渗深度和时间的关系,并给出了基于Runge-Kutta原理的数值解法。当初始含水率为均匀分布时,提出的方法可简化为文献中已有的Green-Ampt模型。当初始含水率为非均匀分布时, Richards方程预测所得的孔隙水压力分布图中土体饱和区和未受降雨影响的非饱和区之间存在一个较窄的过渡段,由新模型计算所得的湿润锋穿过这一过渡段,且靠近饱和部区的底部。总体而言,新方法计算所得的孔隙水压力分布与Richards方程求解结果类似。