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。     

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。     

国外产流研究简介

一、引言产流所研究的是流域内降雨转化成径流的过程。由于天然流域中降雨人渗与径流形成过程非常复杂,人们尚难透彻了解其物理机制。因而,在雨洪模拟中,产流计算是一个重要的环节。 1856年,Darcy通过试验提出了描述饱和土壤水分运动的基本规律,由此开始了产流机制研究的土壤物理途径。1931年,Richards对Darcy定律加以修正,并认为可适用于非饱和条件,从而导出了土壤水     

非饱和渗流模拟中非均匀空间网格的改进方法

Richards方程在非饱和渗流模拟及其他相关领域应用广泛。在数值求解过程中,可以采用有限差分方法进行数值离散并迭代求解,为了获得较可靠的数值解,常规的均匀网格空间步长往往是较小的。在一些不利数值条件下,如入渗于干燥土壤,迭代计算费时甚至精度也不能得到很好改善。因此,文章提出Chebyshev空间网格改进方法,结合有限差分方法对Richards方程进行数值离散以获得线性方程组,并通过经典的Picard迭代方法进行迭代求解线性方程组以得到Richards方程的数值解。通过均质土和分层土2个不利情况下的非饱和渗流算例,又结合模型解析解和软件Hydrus-1D,对比研究了改进网格方法与均匀网格方法获得数值解的精度。结果表明,提出的Chebyshev网格方法相较于传统的均匀网格,可以在较少的节点数下获得较高的数值精度,又具有较小的计算开销,有较好的应用前景。     

非饱和土中水平入渗方程显式求解

在求解非饱和态土中水分入渗问题时,水力函数是体积含水率或者吸力的函数,致使其控制方程呈现出强非线性的特征,进而使得其求解变得十分困难。基于水分在土体介质中流动耗时取极值路径的选择这一假定,引入时间泛函,基于变分法原理将水平入渗问题转化为泛函极值问题。通过求解Euler–Lagrange方程,结合边界条件,得到非线性瞬态水平入渗问题的显式解析解。结合Brooks-Corey型水力函数,显式地求解出该类型非饱和态土的体积含水率发展分布规律。通过计算4种不同类型土体的水平入渗规律,将求解结果与已有结果以及数值结果进行对比,验证了该方法的有效性。结果表明:体积含水率分布与位置距离和湿润峰距离比值呈幂函数关系,指数取决于土-水特征曲线的形状参数;初始条件与边界条件会对体积含水率分布造成不同程度的影响。     

降雨入渗条件下非饱和土朗肯土压力分析

传统的土压力分析仅考虑了土体饱和强度对土压力产生的贡献,忽略了基质吸力及其变化对土压力的影响。运用非饱和土有效应力原理和饱和土朗肯土压力公式推导了非饱和土朗肯土压力公式,结合Iverson降雨入渗解析解,推导出降雨入渗条件下非饱和土压力公式。该公式将降雨入渗时的非饱和土压力表示为时间和深度的函数,更符合实际情况。研究结果表明：采用该方法计算得到的土压力值相对于传统计算结果偏大,作用点偏高;此外,随着降雨的发生、入渗和停止,主动土压力呈现“减小-增大-减小-稳定”趋势,被动土压力呈现“增大-减小-增大-稳定”趋势,该现象由降雨过程中基质吸力改变所致。由该公式获得的土压力分布及变化规律可用于挡土工程结构的设计。     

基于霍顿下渗公式超渗产流计算几个问题的探讨

用霍顿下渗公式进行超渗产流计算,用迭代算法根据流域土壤含水量计算相应的下渗能力时发现:当土壤含水量较小时,迭代计算正常;当土壤含水量居中时,易发生迭代震荡现象;当土壤含水量较大时,极易发生迭代计算出错情况。对此,分析了迭代震荡和迭代计算出错的原因;提出了用算术平均法减小迭代震荡的问题;用限制震荡幅度结合算术平均法解决迭代计算出错的问题;同时,推导出了超渗产流模式下流域平均蓄水容量与霍顿下渗公式中三参数间的经验关系式。     

非饱和土的蒸发效应与影响因素分析

采用非饱和土等温流和考虑热湿耦合的非等温流方程,结合不同的蒸发计算模型,分析了大气蒸发效应对非饱和土吸力变化的影响,并对控制蒸发量计算的多个参数进行了影响程度分析。结果表明,考虑实际蒸发量和非饱和土热湿耦合的水分运动公式能较好地模拟大气影响下非饱和土吸力变化状态,通常所采用的等温流方程加以潜在蒸发量计算非饱和土吸力变化会高估表层蒸发和吸力的下降程度。控制地面蒸发的主导因素是外部气象条件,尤其以太阳净辐射量和风速为最,土体自身特性参数影响程度有限。     

基于同伦分析法的非饱和土层固结问题的级数解

由于非饱和土的渗透系数是基质吸力的函数,使得控制方程带有强非线性的特征,进而使得控制方程的解析求解变得十分困难。同伦分析法对级数基函数和辅助线性算子的选择具有更大的自由性、灵活性,且收敛性的控制和调节更加容易实现,求解强非线性微分方程时在选择线性算子以及辅助参数上具有明显的优势。因此,针对非饱和土固结方程的非线性特征,对于处于地表浅层的非饱和土层,假设孔隙气压力为大气压力,在Richard经验公式与非饱和土一维固结理论的基础上,推导了非饱和一维固结无量纲控制方程;应用同伦分析法,通过选取适当的初始猜测解与辅助参数,将该非线性方程转换为线性的微分方程组并求解得到固结问题的级数解。此外,以压实高岭土为研究对象,在收集相关试验参数基础之上,将由同伦分析法求得的固结问题的近似解析解与有限差分法数值结果相对比,分析结果验证了解析解的正确性。     

非饱和渗流Richards方程数值求解的欠松弛方法

非饱和土渗流理论是岩土工程问题的基础理论,在土石坝渗流、污染物传输、冻土渗流相变和边坡稳定分析等领域有着广泛的应用。非饱和土渗流Richards方程的数值求解过程中,某些参数如水力传导系数计算不当可能引起非线性方法,如Picard方法或Newton方法的迭代收敛震荡,从而导致非线性迭代方法收敛缓慢和精度降低。为了消除或降低迭代收敛震荡对求解精度和计算性能的影响,目前主要采用欠松弛方法。通过一维入渗算例和二维非均质土坝渗流算例演示已有欠松弛方法的局限性,进而提出新的短项混合欠松弛法,并对其实用性和可靠性进行验证。     

保定—沧州地区土壤地球化学公里网格样方代表性研究

土壤中的元素在空间上的分布具有一定变异性。在开展土壤地质环境调查监测时,有必要进行单点采样的科学性分析。对于在1 km2的区域内,如何实现科学、有效和合理地采样来获得区域内土壤元素含量的空间分布特征是一个需要解决的课题。本文在保定—沧州平原地区,选择36个县市,在每个县市的大片农田区以十字形方式采集9个单点样,通过不同的样品组合方式,来研究其结果之间的差别。结果显示:不同的混合方式,元素浓度含量的相对偏差大部分小于15%,在可接受的误差范围内。因此在1 km2区域的中心采集一个单点样,即可基本代表该区域内土壤元素的含量组成。     

土壤添加物对土-水曲线和土体收缩的影响

为探索不同添加物(小麦秸秆、麦壳和植物油渣)对土壤持水性能和土壤收缩特性的影响,定量掺混3种粉末,采用离心机法测定土-水曲线,并对土壤持水能力和土壤收缩特征进行评价。结果发现:各处理土-水曲线形态无差异,van Genuchten模型可用于此条件土-水曲线拟合;3种添加物均可提高土壤容重和土壤含水率并利于保水,且土壤持水能力表现为油渣 >麦秆 >麦壳 >纯土;随着土壤脱水,土体以轴向收缩为主,三直线模型可用于土壤收缩曲线拟合,土体线缩率与吸力和含水率分别满足对数和Logistic函数关系;土体几何收缩量表现为麦壳 <油渣 <麦秆 <纯土,土壤开裂程度表现为油渣 <麦秆 <麦壳 <纯土。     

黑土肥力质量评价的生物指标研究进展

由于受到自然因素和人类掠夺式开发利用的影响,黑土肥力下降不断加剧,对国家粮食安全构成重大威胁,黑土肥力质量评价指标已成为当今土壤学的研究热点.传统的研究涉及较多化学和物理指标,近年来生物检测技术迅猛发展,土壤生物指标因其灵敏性较高已逐渐成为土壤肥力质量评价的重要参数,但还没有形成统一的标准,因此有必要梳理一下土壤生物指标.本文对近些年土壤微生物、酶活性及动物等土壤肥力质量评价的生物指标的研究进展进行了综述,为黑土肥力质量评价提供新的研究思路和手段.     

土质对人工冻土冻结温度影响的试验研究

不同土质的冻结温度是人工冻结法冻结壁设计重要依据。为研究土质对人工冻土冻结温度的影响,选取不同地区人工冻结法施工典型土层开展冻结温度试验,提供了不同地区典型土层的冻结温度范围,并结合水泥土、含盐土冻结温度试验进行对比分析。结果表明：同一地区不同土层的冻结温度随其土颗粒粒径的增大而增大;随水泥掺入比及龄期的增加,水泥土的冻结温度降低;随含盐量的增加,NaCl含盐土冻结温度线性降低,含盐量对氯盐土比对硫酸盐土的冻结温度影响更显著。研究成果对不同土性的冻结壁设计具有指导意义。     

泉州、晋江地区新生代红土地层划分的初步探讨

南方红土是我国秦岭-淮河以南广泛分布的新生代土状堆积,其重要性与北方风尘沉积可相提并论。自20世纪30年代开始,经历几代科学家不断地调查和研究,除一致认为它们是新生代红色风化壳以外,对其岩性特征、形成时代、地层划分、环境信息等各种问题都存在复杂的争论与不同意见,使其至今未能在我国新生代地质与环境研究中发挥其应有的重要作用。本研究通过在福建泉州、晋江地区新生代红土的调查和分析,根据其岩性特征及推测年代,将该区的红土划分为新近纪砖红壤红土、早更新世铁锰膜红土、中更新世中期网纹红土、中更新世晚期厚层红化土、晚更新世薄层红化土等5种类型,它们蕴涵了形成时的气候带及相应环境信息,为后续研究确定东亚气候环境的空间变化过程提供了依据。

     

前期土壤含水量对红壤坡面产流产沙特性的影响

利用田间人工模拟降雨试验,研究了前期土壤含水量对两种红壤坡面降雨入渗、产流和产沙特性的影响.结果表明:前期含水量越高,两种土壤都是产流越快,达到稳定径流和入渗的时间越短.低含水量区(干态和稍干),两种土壤的径流系数和入渗率都与降雨时间呈线性关系,并在60 min内达不到稳定.高含水量区(稍湿和湿态),两种土壤的径流系数、入渗率及产沙速率与降雨时间关系都符合Boltzmann(玻耳兹曼)方程;第四纪红粘土发育的红壤稍干态和红砂岩发育的红壤干态下的产沙速率在整个降雨过程中变化不明显,并都维持在较低水平;第四纪红粘土发育的红壤干态和红砂岩发育的红壤稍干态下的产沙速率随着模拟降雨的进行而大致以线性关系增大.土壤前期含水量越高,两种土壤坡地累tk积入渗量都越小,雨水转化为土壤水分的比率亦越小.     

内蒙古鄂伦春旗土壤钼元素的分布特征及主要影响因素

钼元素是动植物生长必需的微量元素,生命体中的钼元素直接或间接来自土壤.依据内蒙古自治区鄂伦春旗东部主要耕地区1：25万土地质量地球化学调查项目所采集的土壤样品分析数据,对研究区内表层土壤钼含量进行了营养等级评价.鄂伦春旗东部地区土壤钼含量普遍达到丰富级以上.同时分析了地球化学指标、土壤类型、成土母质等对土壤钼含量的影响.认为钼含量在pH值为5~7之间时随pH增大而减小;在有机质含量20×10-3~140×10-3时,随有机质含量增加而减少.认为暗棕壤及其对应的成土母质为本区提供了钼的来源;提出了研究区内土壤钼主要来源于基岩风化的结论.     

直接寻找油气田的土壤综合物性勘探方法技术

主要论述了用于直接寻找油气田的土壤综合物性勘探的机理和方法技术,包括土壤磁性（磁化率、天然剩磁、原生剩磁）、电性（电导率、氧化还原电位）、放射性等综合参数的利用。该方法成本低廉、野外施工简单、快捷,物性参数可在野外和实验室测定,属无源和非破坏性的勘探技术,为直接寻找油气田提供了一种新的思路和新的方法技术。