膜孔灌溉下土壤入渗特征的多因素分析

为了研究土壤容重、初始含水率、压力水头、黏粒含量和入渗时间5个因素对膜孔灌自由入渗特性的影响,根据正交试验设计12组试验（9组试验,3组验证试验）。通过开展室内膜孔灌试验,研究了多因素交互对膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量、入渗率及平均体积含水率增量的影响,并分别建立了单位膜孔面积累积入渗量和湿润体内平均体积含水率增量与各影响因素之间的经验模型。两模型的均方根误差分别为0.032 cm、0.006 cm3/cm3,相关系数均大于0.97,决定系数均大于0.95（P<0.01）,经验证模型计算值与实测值相对误差均在±13%范围以内。研究表明:压力水头对单位膜孔面积累积入渗量影响不显著（P>0.05）,初始含水率对其影响显著（P<0.05）,而土壤容重、黏粒含量和入渗时间对其影响极显著（P<0.01）,其影响程度由大到小依次为入渗时间、黏粒含量、土壤容重和初始含水率;湿润体内平均体积含水率增量不受入渗时间影响,4个因素对其影响均极显著（P<0.01）,其影响程度由大到小依次为初始含水率、土壤容重、压力水头和黏粒含量。研究成果可为进一步优化膜孔灌灌水技术要素组合提供理论依据。     

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。     

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.     

基于点入渗参数计算土质渠床自由渗漏损失的方法

基于非饱和土质渠床有压单点入渗试验,对自由渗漏情况下土壤有压入渗入渗率随时间的变化过程进行了系统性的分析,建立了渠床土壤有压点入渗经验模型,研究了土壤入渗模型参数与水深之间的函数关系。基于点入渗参数与水深之间的函数关系,提出了沿断面积分计算渠道输水渗漏量的模型。该计算模型通过入渗模型参数全面反映了渠道土质、干容重、含水量和水深对渗漏量的影响。计算实例表明:与考斯加科夫公式计算结果相比较,该计算结果可更真实地反映渠道渗漏量随时间的变化过程,并具有更高的精度,证明利用点入渗参数计算渠道输水渗漏量是可行的。     

低温水入渗条件下土壤水分温度动态变化

自制土槽试验装置,室内模拟低温水在河岸带土壤中非饱和入渗的过程。以填装中细砂为研究对象,进行了3种不同水头下的低温水入渗试验,对低温水在土壤中的入渗过程和水分、温度时空动态作了连续监测,分析了水头对入渗参数、水分场与温度场的影响规律。试验结果表明:在相同时间内,入渗水头越高,湿润锋垂直(水平)运移距离越大,垂直湿润锋的运移速度随入渗时间的增加有逐渐减少的趋势,最后逐渐趋于稳定;水头5 cm作用时入渗率波动较大,稳定时间大于水头25 cm和45 cm作用时土壤达到稳定入渗率所需的时间;入渗水头越高,平均温度下降越快,温度场也更快地达到相对稳态,水头25 cm在低温水入渗420 min后基本上达到稳态,水头45 cm在240 min后基本达到稳态。     

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。     

煤矿过沟开采突水溃砂临界水力坡度计算及应用

为了研究浅埋煤矿综采工作面在过沟开采过程中发生突水溃砂灾害的临界条件,在松散含水层液化流动的临界水力坡度推算基础上,利用承压含水层单井非稳定流抽水模型导出了实际水力坡度求解公式,提出了突水溃砂灾害发生的临界判据。并利用临界水力坡度、实际水力坡度的计算方法及突水溃砂的判定方法对哈拉沟煤矿22404工作面过沟开采突水溃砂风险性进行了预测,结果表明:该工作面的实际水力坡度为3.595,实际水头高度大于12.64 m,均小于其临界水力坡度和临界水头高度,工作面具有突水溃砂的风险。根据计算结果,对该工作面上覆松散富水层在井下进行了预疏放水和注浆固砂处理,有效预防了突水溃砂灾害的发生,保障了工作面的生产安全。     

基于扩散波近似方程的降雨边界处理的改进EI北大核心

在降雨入渗模拟中,传统的降雨边界不能准确地反映坡面积水深度变化对坡面实际入渗率的影响。基于扩散波近似方程改进了传统的降雨边界,使得在强降雨条件下坡面积水深度动态变化可以和实际入渗率进行耦合计算,并且通过两个经典试验验证了改进边界的准确性。后将该改进边界用于工程实例计算,结果表明:(1)改进的降雨边界可以实现集中型降雨条件下流量边界与压力水头边界的实时动态转换;(2)当降雨边界为压力水头边界时,改进边界计算出的理论上坡面积水深度最深的位置出现在坡趾处;在降雨后期坡面退水阶段,积水深度可忽略不计,理论上积水深度最深的位置出现在平坦坡面与陡峭坡面的交汇处。     

基于分层假设的Green-Ampt模型改进

传统Green-Ampt入渗模型由于假设过于简化而限制了计算精度,针对这一问题,在分层假设的基础上对模型进行了改进:将均质入渗土壤分为饱和层、过渡层和干土层,采用Richards模型分析了不同入渗条件下各层的厚度以及各层内含水率和导水率的变化规律,结果表明,入渗条件一定时,过渡层占湿润层(包括饱和层和过渡层)比例会随湿润层厚度的增加线性减小,积水深度和土壤初始含水率分别会影响这一线性关系的纵轴截距和斜率,而土壤饱和导水率则对其没有明显影响;过渡层内土壤含水率分布为椭圆形曲线,而导水率随深度增加线性减小。在此基础上,通过引入湿润层的等效导水率并相应给出锋面吸力的计算方法,对传统Green-Ampt模型进行了改进。结果显示,改进后模型计算精度显著提高。     

垂直降雨入渗水势模型的推导及其试验验证

通过讨论传统降雨入渗模型及降雨非饱和渗流计算方法,指出从入渗量角度建立的降雨模型及其计算方法不能较好地满足岩土工程渗透稳定性的分析要求;且与降雨入渗的物理过程不符.应用半解析半迭代的方法,从水势(负压)的角度推导了降雨自由入渗和压力入渗两个阶段的理论模型,开发相应的数值计算程序,并实现了两个阶段模型的联立求解;从理论上推导出自由入渗阶段表层土壤负压和压力入渗阶段表层土壤入渗率两个特征参数随时间的变化规律.设计了室内降雨入渗水势(负压)测试试验,应用测试结果验证理论模型及其数值计算方法的有效性.该研究为解决降雨入渗导致的岩土工程渗透稳定性问题提供了重要的理论和方法支持.     

An integrated approach for validating unsaturated soil parameters in seepage analyses

Soil–water characteristic curves (SWCCs) and soil permeability functions (SPFs) for a silty sand were validated based on soil suction and soil water content measurements in calibration box and constant-head seepage tests. Transient seepage analyses using finite element method (FEM) were performed to examine the accuracy of the derived SWCCs and SPFs, with a special focus on the wetting front propagation. Results show that the proposed new integrated system consisting of experimental and analytical techniques works well, in the sense that the soil moisture responses at specific depths of soil mimic those measured in constant-head seepage tests.     

土壤水分运动空间变异性尺度效应的染色示踪入渗试验研究

探讨了土壤水非均匀流动特性和描述方法,通过染色示踪剂调查了三种试验尺度条件下非均匀流动模式,并采用随机层叠模型对不同实验尺度条件下非均匀流动模式进行了模拟。随机层叠模型中具有对数正态分布性质的随机层叠发生器被用来描述水流入渗过程,不同的方法被用于模型参数求解。试验观测和模拟计算结果均表明,尺度特性是非均匀流动的重要影响因素之一,准确的描述不同研究尺度下的非均匀流动特征,须同时考虑流动在水平和垂直方向的变异性。随着研究尺度的增加,流动的非均匀性变异程度更加明显。     

考虑非饱和浸润区的改进Green-Ampt模型

经典Green-Ampt入渗模型计算简单,广泛应用于土壤入渗问题的研究,但在湿润锋处理上采用明显的干湿分离界面,存在一定的理论假设。鉴于此,基于饱和区−非饱和浸润区分层模型,结合达西定律,推导出入渗过程中饱和区厚度与非饱和浸润区厚度关系的理论公式,提出了水分剖面理论模型,消除了饱和区厚度和浸润区厚度的关系假设。在此基础上,建立了考虑土壤水分剖面形状和非饱和浸润区等效参数的改进Green-Ampt模型,并采用试验和有限元数值仿真对该模型进行了验证,结果表明：该模型有很高的精度,对不同类型的土有很好的适应性。同时该模型求解简单,参数物理意义明确,便于工程应用。     

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。     

滴灌条件下土壤水盐运移特性的研究现状

滴灌条件下的水盐运移特性是寻求开发利用盐碱地和次生盐碱化防治的基础,国内外学者对此进行大量研究.在国内外研究成果的基础上,综述了滴灌点源入渗影响因素、入渗模型特性、水分分布特征、湿润体浸润形状、湿润锋运移、盐分运移的规律,为滴灌点源水盐运移的研究提供依据.     

石羊河流域平原区土壤入渗特性空间变异的研究

在野外原位入渗试验的基础上,建立了简化Philip入渗模型及其土壤转换函数,借助ARCVIEW软件生成了石羊河流域平原区土壤入渗特性参数的空间分布图,并分析了入渗特性的空间变异特征。研究表明,简化Philip入渗模型是点面转化中比较理想的模型,模型参数α的土壤转换函数可以简便地估算土壤入渗特性,两者的结合是研究大尺度土壤入渗空间变异的一种有效方法。     

基于毛管浸润技术的岩石孔隙率无损测试

以岩石主要表征参数孔隙率变化作为岩石损伤分析的着力点,开发了一种无损的定量分析岩土损伤的毛管浸润技术。通过对孔隙土体的毛管浸润试验研究了浸润速率、浸润面积和浸润深度随孔隙率的变化规律,提出了毛细管束模型并对毛管浸润技术的机制进行了深入研究。相对于现有的有损且不可重复测量技术,毛管浸润技术操作简便,成本低廉,且对于特定的损伤岩体,可以通过试验建立滴定参数与力学参数的联系。基于毛管束模型中毛管浸润对孔隙体下部的作用,分别建立了毛管浸润的圆柱模型1、圆柱模型2和球状模型,由上部液柱下降高度 以及表面浸润面半径 推算下部孔隙体中液体浸润深度L。根据实际孔隙土体的浸润参数对上述模型进行验证计算,指出球状浸润模型能够更好地模拟实际毛管浸润过程中液体的浸润深度情况。基于毛细管束模型,由浸润参数即浸润深度与浸润速率的关系,分别建立了3种模型的孔隙率计算公式。针对球缺模型的孔隙率 进行验算,发现计算值与实测孔隙率的误差不超过10%,指出在求解一般精度要求下的孔隙率时,用该孔隙率公式计算的结果是合理有效的。     

基于统计理论的产流模型

提出了一个基于统计理论的产流模型,该模型考虑了降雨、土壤下渗能力及土壤蓄水容量的空间变异性。假定每个时段的降雨量在空间上可以用概率密度函数或分布函数描述,根据实测降雨资料通过统计拟合优度途径估计各时段降雨的空间概率分布;采用抛物线型函数分别描述土壤下渗能力和土壤蓄水容量的空间分布。按照超渗产流机制计算地表产流量,通过降雨量和土壤下渗能力的联合分布推导得到地表径流量的统计分布,进而得到平均产流量的解析表达式。下渗水量补充土壤含水量,假定满足田间持水量后形成地下径流,其产流量根据下渗量和土壤蓄水容量的空间分配曲线进行计算。以半湿润的黄河支流伊河东湾流域为例,对模型进行了验证和应用,并与新安江模型的结果进行了对比。结果表明,模型对所研究的半湿润区的洪水模拟预报有较好的模拟效果。