冻融季节苏打盐渍土的水盐变化规律

通过野外定位观测和室内分析,探讨了冻融季节的微域尺度(32 m长的横剖面)苏打盐渍土的水分和盐分的变化规律.结果表明:冻结期大量地下水迁移并储存在盐化草甸土的冻层中,同时地下水位埋深迅速从1.2 m下降到2.5 m以下;苏打盐化草甸土冻结层的含水率明显增加,其中30~40 cm土层的含水率变化最明显(从冻结前的20%增加到50%).苏打碱土冻层的含水率增量不明显,但盐分显著增加,其中白盖苏打碱土表层的盐分增量幅度达80%.盐分变化主要表现为苏打盐渍土表层HCO₃-、CO₃2-、SO₄2-以及Na+的增加,大量盐分表聚使消融期土壤的盐渍化程度不断加重.     

断陷盆地高原面典型岩溶洼地旱季土壤水氢氧同位素时空差异特征

以云南省蒙自断陷盆地东山山区典型岩溶洼地为研究区,通过野外采集土壤样品与实验室测试分析相结合的方法,运用稳定同位素技术研究旱季不同深度土壤水氢氧同位素组成,揭示区内土壤水氢氧同位素时空变化特征,为进一步研究云南断陷盆地山区土壤水分运移机制和当地农业合理利用和管理水资源提供科学依据。结果表明:(1)土壤水δD、δ18O同位素值的变化范围分别为-128.3‰~-27.6‰和-17.5‰~2.5‰,平均值分别为-96.1‰±20.7‰和-12.3‰±3.7‰,降雨转化为土壤水和水分在土壤中重新分布时发生一定程度的氢氧同位素分馏。(2)旱季两个月份土壤水氢氧同位素组成发生变化,4月份土壤水δD、δ18O同位素平均值分别为-86.3‰±23.83‰和-10.6‰±4.3‰,显著高于2月份(δD:-106.1‰±9.5‰;δ18O:-14.1‰±1.6‰)(p<0.05),主要和4月份土壤水的蒸发作用强烈有关。(3)在空间上,坡地与洼地之间土壤水氢氧同位素组成存在差异,2月份坡地与洼地之间土壤水δD、δ18O值差异显著(p<0.05),洼地土壤水δD、δ18O比坡地偏轻;4月份坡地与洼地之间土壤水δD、δ18O值差异不显著(p>0.05)。(4)土壤垂直剖面方向上土壤水δD、δ18O值随着土壤深度的增加而减小,浅层土壤水δ18O和深层土壤水δ18O存在显著差异,2月份浅层土壤水δ18O比深层土壤水δ18O偏正2.8‰,4月份浅层土壤水δ18O比深层土壤水δ18O偏正10.5‰。      

半干旱地区地表-地下水系统水热运移与裸土蒸发研究

地表-地下水系统水、热迁移转化与裸土蒸发机理研究对于水量平衡以及地表能量转化具有重要意义。以鄂尔多斯盆地风沙滩地区为研究区,基于原位蒸渗仪长期观测,结合数值模拟,选择2种地下水位初始埋深分别为80 cm（浅埋深）和290 cm（深埋深）的情景,研究了变饱和带水热迁移转化的动力学过程以及对裸土蒸发的影响。结果表明:变饱和带土壤水的运动规律受水头梯度和温度梯度的共同驱动,且在不同水位埋深条件下呈现不同的运动方式;浅埋深条件下,受水头梯度的作用,土壤的毛细上升高度能够到达地表,蒸发条件下土壤水在毛细力驱动下向上运移,土壤内部不存在零通量面,温度对水分运动的影响较小,发现当地下水位埋深小于毛细上升高度时,地下水在毛细力作用下直接贡献土壤蒸发;深埋深条件下,水头和温度是土壤水运动过程的关键因素,位于地表以下18 cm以浅土壤内部出现孤立的零通量面,阻止了土壤水的向上运移,导致蒸发量减小。当地下水位埋深大于毛细上升高度的1.6倍时,地下水不再直接参与土壤蒸发,但会间接地影响包气带的水分转化;因此模拟期间浅埋深的裸土累积蒸发量约为深埋深累积蒸发量的4倍。     

浅埋深地下水作用下苏打盐渍土水分动态变化特征

文章利用野外试验设施分别把地下水埋深控制在1.0,1.4,1.8,2.2和2.5m,研究在不同地下水埋深作用下苏打盐渍土土壤水分平衡和水分动态变化。同时,跟踪在地下水位不断波动条件下田间土壤水分的动态变化。结果表明:地下水埋深在1.0~2.5m时,苏打盐渍土土壤水和地下水的转化关系非常微弱,仅在长期干旱的条件下发生微量地下水毛细上升量;降雨和蒸散作用对苏打盐渍土体积含水量的影响深度不超过40cm,埋深大于1.0m的潜水对0~80cm深度苏打盐渍土体积含水量变化没有明显影响。     

冻结-冻融过程中水分运移机理

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.     

一维土壤水分运动模拟在土壤水分特征研究中的应用——以华北平原衡水实验站为例

受地形特征以及人类活动的影响,华北平原地下水浅埋区水循环主要以垂直方向上的入渗和蒸发为主,其中,非饱和带对降水和地下水之间的转化具有重要作用。本文选择衡水作为华北平原地下水浅埋区的典型代表点,利用HYDRUS-1D建立了一维数值模型,以平水年2005年夏季作为模拟期,通过计算降水入渗量、蒸散发量、土壤水储存量的变化及地下水补给量等,揭示了该实验点的土壤水分运动特征以及土壤水在降水和地下水转化之间的作用。结果表明降水后土壤水和地下水都得到补给,土壤水储量增加,但由于强烈的蒸发和蒸腾作用(分别占降水补给量的63%和12%),水分消耗较快,因此总的入渗补给量为25%,土壤总储量增加不大;此外,土壤水和地下水联系密切,土壤深层水分在饱和和非饱和状态之间频繁转换,其间没有明确的界面分割,由此说明土壤水在"三水转化"过程中的重要性。     

干旱区农田灌溉地下水与土壤水转化及入渗系数计算

在新疆三工河流域地面灌溉条件下,采用负压计、中子仪开展灌溉入渗实验,根据零通量面 ZFP,结合中子水分仪观测数据,采用分层差分求和计算方法,较准确地描述灌溉水在土壤中的分布运动情况及地下水与土壤水的相互转化关系,零通量面的形成变化规律,同时计算出灌溉水的入渗补给量和地下水对土壤水的补给量,得出灌溉期入渗系数和灌水量的关系.     

黑河下游河岸林植物水分来源初步研究

通过分析黑河下游极端干旱区荒漠河岸林植物木质部水及其不同潜在水源稳定氧同位素组成(δ18O),应用"同位素质量守恒多元"分析方法初步研究了不同潜在水源对河岸林植物的贡献.结果表明:在黑河下游荒漠河岸林生态系统,在河水转化为地下水和土壤水及水分在土壤剖面再分配的过程中均存在强烈的同位素分馏.对植物水δ18O而言,胡杨、柽柳和苦豆子的δ18O分别为-6.43‰、-6.28‰～和-6.61‰,较苦苣菜(-5.14‰)和蒲公英(-5·52‰)明显偏负.柱状频率图显示胡杨最多能利用93%的地下水,柽柳最多利用90%的地下水.而苦豆子97%水分来源于80 cm土层范围内的土壤水.除0～20 cm土层内的土壤水外,苦苣菜和蒲公英可能还有其他潜在水源.即在黑河下游天然河岸林乔木和灌木较多地利用地下水,而草本植物仍然以地表水为主.     

种植条件下土壤水与地下水相互转化研究

选择天山北麓平原两种代表性作物冬小麦和玉米，人为控制不同潜水埋深条件下进行了种植试验，分析研究了种植条件下土壤水和地下水相互转化机理。计算了不同潜水埋深条件下冬小麦和玉米各生育期和全生长期的实际蒸发蒸腾量、潜水补耗差、包气带土壤储水量变化量及同期的潜在蒸发量，结果表明潜水埋深对土壤水和地下水相互转化及农业生态环境具有重要影响。引入了包气带一潜水系统水分转化量均衡临界深度(Z0)概念，发现潜水埋深小于Z0时，潜水向土壤水的转化起主导作用，潜水和土壤水同时对作物需水具有重要动态调节作用，潜水埋深越浅潜水的动态调节能力越强，但是潜水埋深过浅又可能引起土壤次生盐渍化等农业生态环境问题；当潜水埋深大于Z0时，土壤水向潜水的转化起主导作用，土壤水对作物需水仍具有动态调节能力，而潜水基本失去或完全失去对作物需水的动态调节作用，但是有利于潜水入渗补给，增加地下水资源。     

河套灌区耕地-荒地-海子系统间不同类型水分运移转化

为了探明耕地-荒地-海子系统中不同类型水分的运移转化规律,在2018-2019年典型时期对系统内具有代表性的采样点进行水样采集,分析了不同时期内不同水体的δ18O变化特征,并利用二端元混合模型和土壤水动力学方法计算了不同类型水分转化贡献率。结果发现:①在灌溉期,82%的灌溉水储存于1 m土体中,18%的灌溉水通过渗漏补给了耕地地下水,渠系灌溉水通过地下侧向径流给耕地地下水贡献了76%。②灌溉水和降雨对耕地地下水平均贡献率为94%和6%;耕地地下水和降雨对荒地地下水的平均贡献率为71%和29%;荒地地下水和降雨对海子的平均贡献率为43%和57%。③渠系灌溉水通过侧向径流贡献给耕地地下水的水量基本全部迁移给了荒地地下水,地下水迁移转化是由渠系水侧向径流触发的。④灌后5 d,耕荒地交界土层0~40 cm存在饱和-非饱和侧向补给;灌后15 d和30 d,耕地和耕荒地交界处的地下水向根区40~60 cm、土层80 cm以及100 cm补给水分;灌后30 d,耕地中的灌溉水水分消失。⑤在非灌溉期,荒地地下水和海子耗水较多,应给海子补给水分。     

Volume-based soil particle fractal relation with soil erodibility in a small watershed of purple soil

The particle size distribution in small watershed changes under different land uses and affects soil erodibility. The aims of this study were (1) to investigate the volume fractal dimension of particle size distribution under different land uses in a typical small watershed of purple soil, (2) to estimate soil erodibilities of various land uses utilizing the Erosion-Productivity Impact Calculator (EPIC) model and the nomogram (NOMO) model, and (3) to relate volume fractal dimension with the soil erodibility used in the Universal Soil Loss Equation (USLE) in purple soil areas. Laser diffractions and double-logarithmic model were used to measure and calculate volume fractal dimension values. The results show that soil volume fractal dimensions were well linearly fitted to the double-logarithmic model with high correlation coefficients of 0.902–0.936 under six land uses in the small watershed. The averaged volume fractal dimension values under different land uses, from high to low were in the order of Zea mays L, Ipomoea batatas, Citrus reticulata Blanco, Setaria viridis, Robinia pseudoacacia L, Pinus massoniana Lamb. The volume fractal dimension was positively correlated to clay particle fraction (R = 0.933). The average soil erodibility values under different land uses from high to low were in the order of Setaria viridis, Citrus reticulata Blanco, Pinus massoniana Lamb, Zea mays L, Ipomoea batatas, Robinia pseudoacacia L while average soil erodibilities from high to low values were in the order of Setaria viridis, Citrus reticulata Blanco, Zea mays L, Ipomoea batatas, Pinus massoniana Lamb, Robinia pseudoacacia L. The soil erodibilities calculated by the two models were similar, and positively correlated (R = 0.630–0.877). The volume fractal dimension values of six land uses were negatively correlated to both soil erodibility estimated by EPIC and by NOMO models. Moreover, the correlations of the volume fractal dimension values of Zea mays L, Ipomoea batatas and Citrus reticulata Blanco estimated by EPIC or NOMO were lower than those of Pinus massoniana Lamb, Robinia pseudoacacia L and Setaria viridis. Further research is needed to determine the influence of volume fractal dimension on the soil erodibility under different land use and managements.     

土壤酶对碘离子在土壤中吸附行为的影响

以批式试验法研究了微生物、葡萄糖氧化酶、脲酶、纤维素酶及其催化底物葡萄糖、尿素和纤维素对Ⅰ-在土壤中吸附的影响,结果表明微生物能显著提高Ⅰ-吸附量,但葡萄糖氧化酶、脲酶、纤维素酶及葡萄糖、尿素和纤维素对Ⅰ-吸附并无促进作用.葡萄糖氧化酶及葡萄糖含量在小于100 mg/L时对Ⅰ-吸附无影响,1000 mg/L时与Ⅰ-呈竞争吸附;脲酶及尿素随浓度增大,对Ⅰ-吸附的抑制作用变得明显;1～1000 mg/L范围内,纤维素酶和纤维素对Ⅰ-吸附没有影响;但葡萄糖氧化酶和葡萄糖生成的中间产物可促进土壤对Ⅰ-的吸附.平衡液中溶解性有机碳(DOC)含量随时间增加而逐渐降低,有机质浓度越大,降低趋势越明显.     

土压力传感器在硬土介质中的非线性响应分析

为掌握土压力传感器置于硬土介质中呈现的非线性响应特性,建立了传感器与土介质的相互作用模型,运用有限元分析了满足匹配误差稳定所需的传感器与土介质的模量比条件。进行了传感器的单体标定和级配碎石土介质标定试验,探讨了传感器非线性响应的主要影响因素。计算与试验表明,目前国内主流的双膜土压力传感器在量测硬土介质中的土压力时,由于模量偏小标定曲线非线性显著;土压力传感器单体标定曲线线性度较高且其模量基本稳定,表明土介质的模量变化是引起标定曲线非线性的主要因素;通过将传感器置于与使用环境相近的土介质中进行标定,并采用非线性修正可明显提高硬土介质中土压力量测的准确性。     

土钉支护中土钉力和位移的计算问题

土钉支护是一种比较经济的支护方式,工程实践中已广泛应用,但其设计理论则相对缺乏。针对目前土钉支护设计中存在的主要问题,即土钉力和土钉支护位移的计算分析,以工程实测资料为背景,根据侧壁主动土压力与总土钉力相等的原则,考虑施工过程的影响和增量法的思想,提出了基于经验和理论相结合的土钉力计算公式。按照弹性力学理论,对由于土的开挖引起支护的土体侧移提出了简易的位移计算公式。通过工程实测检验了公式的正确性。这些计算公式简便,其结果较符合实际,较好地解决了土钉支护设计的主要问题,可为工程设计提供参考。     

The numerical simulation of seasonal soil drying in an unsaturated clay soil

The results of a numerical simulation of the observed field-drying behaviour of an unsaturated clay are described. In particular, the simulation of soil drying during the summer of 1983 is addressed. Richards' pressure-based unsaturated flow formulation is adopted. Transient numerical solutions are achieved by making use of the finite element method coupled with a finite difference timestepping scheme. The application of the algorithm to the simulation of the problem in hand is described. The initial moisture content distribution represents saturated conditions as indicated by field-measured data. Boundary conditions are determined from an interpretation of meteorological data. A simple method of representing plant root extraction of soil moisture is proposed. Comparisons of numerical results with field-measured data collected by British Gas are presented. Good correlation is obtained. The numerical simulation is shown to be capable of representing the observed field-drying behaviour. The complexity of modelling soil drying, as opposed to infiltration, is clearly illustrated by the work presented.     

北方某特殊土的工程试验及分类探讨

土工试验作为获取岩土体物理力学参数的基本手段,在工程设计、施工以及质量检测中起着十分重要的作用。结合多年来土工试验工作的经验体会,提出了对一些相关问题的看法。①以唐山某电厂土样为例,探讨了广泛分布于河北、内蒙古地区具有一定黏粒含量的特殊砂土的力学特性;②结合技术规范的试验要求对固结试验方法中“固结压力”和“应变控制连续加荷”提出了见解;③针对北方地区含水率较小的非饱和土的特性,分析了土抗剪强度试验操作难和结果失真的原因。最后提出了几点有利于工程实际应用的建议     

均质土体中土钉受力的极限分析上限法

土钉支护是加固机制上的锚固机制,土钉支护的受力和变形是随施工过程逐步变化的。采用追踪施工过程的增量计算方法,并将稳定性分析与土钉轴力计算相统一,根据稳定性要求来计算土钉受力,是土钉支护中土钉受力计算的合理途径。考虑到土钉支护中土与土钉共同作用以及潜在滑移面处土钉受力的特点,在土钉支护的稳定性分析中可以采用极限分析上限方法。根据上限方法中的相容速度场以及土钉受力与位移的关系,可确定在上限分析中每一开挖工况下土钉轴力增量的比例关系。应用上限方法的能量方程进行每一开挖工况下土钉支护稳定性的计算,即可优化求解出每一开挖工况下的土钉所需提供的能量耗散,而后依据上述确定的增量比例系数,即可求得该开挖工况下的土钉轴力增量,而各开挖工况下土钉轴力增量的积累即为最终土钉轴力。通过工程实例计算表明,上述方法是准确和有效的。     

Tropical residual soil as compacted soil liners

A series of laboratory tests was conducted on a tropical residual soil, which is widespread and readily available over a considerable part of Peninsular Malaysia, to assess whether it could be compacted as hydraulic barriers in waste disposal landfills. Index properties, swelling potential, cation exchange capacity (CEC), compaction characteristics, and hydraulic conductivity of the soil indicate that it is inorganic, very plastic, inactive (activity <0.75), moderately expansive (modified free swell index is about 3.06), and of fair attenuation capacity (for inorganic contaminants). For hydraulic conductivity measurement, the soil was compacted in rigid-wall permeameter moulds at a variety of water contents and compactive efforts and then permeated with de-aired tap water. The results of hydraulic conductivity tests illustrate that hydraulic conductivity lower than 1×10^–7 cm/s can be achieved using a broad range of water contents and compactive efforts, including water contents dry of optimum. Its shrinkage and strength properties show that it has minimal potential to shrinkage and has adequate strength to support the overburden pressure imposes by the waste body. These findings suggest that the residual soil can be potentially utilized as compacted soil liner material.