不同微尺度膜下滴灌棉田土壤水盐空间变异特性

为揭示微尺度膜下滴灌农田土壤水盐的空间变异特性,通过大田试验,采用经典统计和地质统计方法,研究了3种微尺度（0.25 m、1 m和4 m）和不同土层深度棉田土壤水盐的空间变异性,并确定其合理取样数。结果发现,3种微尺度下,土壤含水量的变异强度为中等偏弱,其变异性随尺度增大而增强,随深度增加呈先增强后减弱趋势。土壤含盐量的变异强度为中等偏强,其变异性随尺度增大而增强,随深度增大呈先减弱后增强趋势;3种尺度和不同深度条件下,土壤含水量和含盐量的半方差函数大部分可采用高斯模型模拟,且精度较高;样品的合理取样数为367个。研究结果可为制定膜下滴灌土壤水盐的监测方案和调控措施提供理论指导。     

河西走廊荒漠区植物生长与水分变化关系分析

为了分析荒漠化防治中荒漠植物生长与降水、土壤水和地下水的关系,在河西走廊荒漠区建立了荒漠化综合防治试验站进行长期定位监测,取得了降水、土壤水、地下水、植物盖度、生物量等数据,采用特征参数算法、相关和逐步多元回归方法,对植物生长和水分的年内、年际变化特征及相关回归模型进行了分析.结果表明：2006-2014年际变化上,土壤水变化最剧烈,降水、生物量、盖度变化剧烈程度极接近,且也较大,地下水位变化最缓和.盖度呈波动性增大趋势较明显,生物量略有增加趋势,降水、土壤水、地下水位变化呈波动性略有降低趋势,但不明显.在植物生长季的3-11月份期间,土壤各层含水率变化步调基本一致,生物量和盖度变化步调基本一致,降水量、地下水埋深变化步调基本一致,年内变化幅度从大到小依次为降水量 > 地下水埋深 > 生物量 > 平均盖度 > 土壤质量含水率.盖度、生物量模型均通过了R拟合检验、F方差检验、t回归系数检验,通过模型可预测变差的58.0%、98.7%,准确率可达52.0%、86.2%.研究成果可为荒漠化防治中的水资源管理以及退耕还林、天然林保护、黑河流域综合治理等工程对水资源影响评估等提供科技支撑和参考数据.     

非饱和土壤水扩散系数的变化特征

用水平土柱吸渗法对不同土壤和同类不同干容重的土壤水扩散系数进行了测定和计算。其结果表明，土壤水扩散系数是土壤含水量的指数函数，且随含水量的降低、干容重的增大及细粒含量的增多而减少；含水量在薄膜水范围内，则土壤水扩散系数是随干容重的增大及细粒含量的增多而增大。     

基于全耦合的地表径流与土壤水分运动数值模拟

针对降雨径流从坡面流下的过程中会发生下渗,导致土壤水非饱和带含水率增大这一动力学过程,从物理机制上对土壤水和地表水进行耦合,将二维平面地表水模型叠置在土壤水模型的顶部,对土壤水、地表水模型进行相同的空间和时间离散,在模型的计算过程中通过达西流关系对两者之间的水量交换进行计算(双层结点法耦合)或整合离散方程的整体法进行耦合。通过对两种耦合方法的比较以及与前人的实验结果对比,该模型与耦合方法能够准确地模拟和预测地表径流与土壤水分运动过程。研究结果可为分析地表水流与饱和-非饱和带水分与溶质耦合机理提供理论支持。     

弥散系数在非均质多相岩层中的尺度效应

根据渗透系数在多相岩层中的协方差函数,文中首先推导了用以描述溶质在三维模型中运移特征的宏观弥散系数方程,然后导出了纵向弥散系数用来表达该参数的尺度效应。利用一个例子,讨论了宏观弥散随时间的变化趋势,以及同一岩相内转移项和越相转移项对弥散的相对贡献。灵敏度分析指出纵向弥散系数是与岩相平均长度正相关,也与不同岩相的渗透系数的差值正相关,其取值随渗透系数的总方差的增加而增大。     

冬小麦水分生产函数Jensen模型敏感指数的研究

根据冬小麦返青后田间水量平衡估算出田间作物实际腾发量和最大腾发量,由此,对水分生产函数Jensen分阶段连乘模型中的敏感指数进行了拟合分析。研究表明,Jensen模型中的敏感指数与作物生长阶段以及该阶段长短占总生长期的比例有关,但冬小麦返青后各阶段的敏感指数的累计值可以表示为时间t的一元函数,且与阶段划分无关,由该函数可得到任一阶段的敏感指数值。分析结果还表明,Jensen模型可以较好地反映作物田间耗水量与产量的关系。     

非饱和含盐土壤水扩散系数试验研究

在室内用水平土柱吸渗法对不同含盐量、不同溶液浓度和不同土类的土壤水扩散系数进行了试验研究.试验结果表明:土壤水(或盐水)扩散系数与土壤的体积含水量之间具有指数函数的关系,且随着含水量的降低而减小.当同一类土在干容重和含水量相同时,土壤水扩散系数是随土中含盐量的增多而增大,以粗粒土最为明显.不同浓度的盐水在土壤中运行时,其盐水的扩散系数是随盐水浓度的增大而减小.     

非饱和水分运动参数空间变异与最优估值研究

以野外砂壤土30m×30m空间的实测土壤参数试验为基础,通过对实测数据的统计分析得到饱和水力传导度KS及容水度C遵从正态分布,而孔隙大小分布参数α遵从对数正态分布。应用变差函数对参数KS和α的空间结构进行分析得到两参数的空间结构可用球状变差函数模型进行描述。根据Kriging最优估值理论,分别对两参数空间的值进行了估计,结果表明本研究的野外实测试验点的数目减少26%即可满足精度要求,同时与克立格方法相比采用协克立格方法对参数lnα进行估计,其估计方差平均减少6.87%。     

岩土性质的空间信息统计分析

运用地质统计学的原理与方法 ,以变差函数为工具 ,在工程实测数据的基础上对静止水位进行了分析 ,得到不同方向上的实验变差函数及理论变差函数模型 ,并提出了一个变异性综合指标 ,实现了对岩土性质空间变异性的定量化分析。     

运用概念性流域水文模型分析气候对土壤水的影响

本文运用概念性流域水文模型模拟土壤水动态，以分析气候与土壤水的关系和气候变化对土壤水的影响，为土壤水的分析计算提供了一条切实可行且有效的途径，并首次试用实测土壤水资料检验水文模型的土壤蓄水计算值，为广泛应用土壤水资料于模型研制作出了有益的尝试。     

Variability in soil-water retention properties and implications for physics-based simulation of landslide early warning criteria

Rainfall-induced shallow landsliding is a persistent hazard to human life and property. Despite the observed connection between infiltration through the unsaturated zone and shallow landslide initiation, there is considerable uncertainty in how estimates of unsaturated soil-water retention properties affect slope stability assessment. This source of uncertainty is critical to evaluating the utility of physics-based hydrologic modeling as a tool for landslide early warning. We employ a numerical model of variably saturated groundwater flow parameterized with an ensemble of texture-, laboratory-, and field-based estimates of soil-water retention properties for an extensively monitored landslide-prone site in the San Francisco Bay Area, CA, USA. Simulations of soil-water content, pore-water pressure, and the resultant factor of safety show considerable variability across and within these different parameter estimation techniques. In particular, we demonstrate that with the same permeability structure imposed across all simulations, the variability in soil-water retention properties strongly influences predictions of positive pore-water pressure coincident with widespread shallow landsliding. We also find that the ensemble of soil-water retention properties imposes an order-of-magnitude and nearly two-fold variability in seasonal and event-scale landslide susceptibility, respectively. Despite the reduced factor of safety uncertainty during wet conditions, parameters that control the dry end of the soil-water retention function markedly impact the ability of a hydrologic model to capture soil-water content dynamics observed in the field. These results suggest that variability in soil-water retention properties should be considered for objective physics-based simulation of landslide early warning criteria.     

某滑坡土体土-水特征曲线试验研究

利用能够控制基质吸力的4联式非饱和土直剪仪,对清江流域古树包滑坡滑带土体进行了不同固结应力条件下土-水特征试验,得出了土-水特征曲线并进行了函数拟合。结合土-水特征曲线拟合函数,经过数学推导确定了函数中各个参数的物理意义,建立了能够同时反映固结应力、基质吸力和含水率之间关系的函数表达式,弥补了其他方法不能考虑固结应力的缺陷,对补充和发展土-水特征曲线试验和理论具有重要意义。     

土水特征曲线的通用数学模型研究

土水特征曲线对于研究非饱和土的物理力学特性至关重要。根据土水特征曲线可以确定非饱和土的强度、体应变和渗透系数 ,甚至可以确定地下水面以上水份分布。由于土体物理力学特性的差异 ,导致描述其土水特征曲线的数学模型也各不相同。因此 ,建立土水特征曲线的通用数学表达式 ,显得尤为必要。本文对土水特征曲线数学模型进行了研究 ,依据这些模型的数学表达式形式 ,将其划分为 4种类型。分别由这 4种类型的数学模型推导出具有统一表达式形式的土水特征曲线通用数学模型 ,并运用陕北高原黄土土水特征曲线试验数据对通用数学模型进行了研究     

不同应力路径下水土耦合超固结黏土分叉分析

基于超固结黏土三维弹塑性本构模型,导出水-土耦合部分排水条件下饱和黏土应变局部化的萌生条件,求出在不同应力路径下,单相和水-土耦合条件下超固结土分叉的三维解析解和数值解。理论分析表明,应力罗德角 为-30°、15°和30°时,无论是单相条件,还是水土耦合两相介质条件,该模型均无分叉现象产生;应力罗德角为0°时,单相条件下该模型有分叉现象产生,水土耦合不排水条件下该模型无分叉现象出现,水-土耦合部分排水条件下分叉与否则与参数选取有关;应力罗德角为-15°时,无论是单相条件,还是水-土耦合条件,该模型均有分叉现象产生。利用嵌入了上述本构模型的有限元软件ABAQUS,对单相和水-土耦合条件下的多单元立方体应变局部化分叉现象进行数值分析。分析表明,在应力罗德角为 30°时,单相条件和水土耦合条件下都无分叉现象产生;应力罗德角为15°时,单相条件下有分叉现象产生,水-土耦合不排水条件下无分叉现象出现,水-土耦合部分排水条件下何时分叉则与渗透系数大小有关;应力罗德角为-15°和0°时,单相条件和水土耦合条件下该模型均有分叉现象产生。同一应力路径下数值解相对于理论解更易出现分叉。     

无定河水土保持措施减沙效益的临界现象及其意义

以1956-1969年作为“基准期”,基于该时期的资料建立了流域年产沙量与若干降水特征指标之间的多元回归方程,并运用该方程计算出了“措施期”(1970-1993年)在假定无措施的条件下的历年产沙量。由此得到该年的水土保持减沙效益百分比,并点绘了减沙百分比随时间变化的曲线。结果显示,水土保持效益随时间的变化是非线性的,在总体趋势上表现出3个阶段:①缓慢增大;②急剧增大;③保持不变甚至于减小。点绘了减沙效益与各年末的梯田、造林、种草和坝地累积保存面积的关系,也显示出非线性变化,可以用两条斜率不同的直线来拟合。两条直线之间的转折点反映了水土保持措施面积的临界值,两条直线分别代表水土保持增益高回报区和低回报区。该曲线可以为这一地区的水土保持规划决策提供参考。     

A stabilization procedure for soil-water coupled problems using the element-free Galerkin method

The development of stability problems related to classical mixed methods has recently been observed. In this study, a soil-water coupled boundary-value problem, one type of stability problem, is presented using the element-free Galerkin method (EFG method). In this soil-water coupled problem, anomalous behavior appears in the pressure field unless a stabilization technique is used. The remedy to such numerical instability has generally been to adopt a higher interpolation order for the displacements than for the pore pressure. As an alternative, however, an added stabilization term is incorporated into the equilibrium equation. The advantages of this stabilization procedure are as follows: (1) The interpolation order for the pore pressure is the same as that for the displacements. Therefore, the interpolation functions in the pore pressure field do not reduce the accuracy of the numerical results. (2) The stabilization term consists of first derivatives. The first derivatives of the interpolation functions for the EFG Method are smooth, and therefore, the solutions for pore pressure are accurate. In order to validate the above stabilization technique, some numerical results are given. It can be seen from the results that a good convergence is obtained with this stabilization term.     

考虑变形影响的黄土土-水特征及其滞后效应

为了研究变形对非饱和黄土土-水特征和滞后效应的影响,通过先构建恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比的关系,再引入吸力的影响,建立了一个能够考虑变形的三维土-水特征曲面模型,模型能够很好地描述不同初始孔隙比黄土吸脱湿过程中含水率随孔隙比和吸力的变化规律。为了证实所提出模型的可靠性,对压实黄土进行一系列吸脱湿过程的土-水特征试验。试验结果表明,恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比成线性关系,验证了模型的理论假设。另外由模型可以确定恒定孔隙比状态的土-水特征,将其与试验结果对比发现,脱湿路径由吸力引起的变形对土-水特征影响较大,会使特征参数减小,并抑制滞后效应。     

基于孔隙胀缩的土−水特征曲线滞后增量模型

土体孔隙比对土?水特征曲线（SWCC）具有重要影响。试验研究表明,土体在经历不同水力荷载路径后,孔隙发生胀缩致使SWCC产生滞后现象。基于这一发现,假设孔隙胀缩可致使SWCC曲线及扫描曲线产生滞后现象,并以轴平移技术为例解释了土体孔隙在水力载荷作用下胀缩的细观行为。在此基础上,将由变截面毛细管模型定义的孔隙等效半径与Fredlund-Xing方程相结合,通过将孔径控制参数?d简化为常量,推导得到了考虑孔隙胀缩并能反映滞后效应的非饱和土SWCC增量方程。该模型仅需通过主干燥及任意一条扫描曲线确定模型参数,即可预测其他扫描曲线。最后,通过5组试验数据验证了该模型对不同类型土的适用性且该模型具有预测高阶扫描曲线的能力。     

两种膨润土的土-水特征曲线

用滤纸法和压力板法对Kunigel-V1和高庙子两种膨润土进行试验研究,量测不同孔隙比情况下的土-水特征曲线,研究土-水特征曲线与孔隙比之间的关系以及两种膨润土的土-水特性。试验结果表明：用吸力与含水率的关系表示土-水特征曲线时,在吸力较大的情况下,孔隙比对土-水特征曲线的影响不大;用吸力与饱和度的关系表示土-水特征曲线时,土-水特征曲线随着孔隙比的减小向右上方移动,即在吸力一定的情况下,饱和度随着孔隙比的减小而增加,并且此变化接近于线性变化。另外,孔隙比相同时,Kunigel-V1和高庙子膨润土的土-水特征曲线比较接近,即两种膨润土的持水特性比较相近     

非饱和土渗流及其参数影响的数值分析

基于一维的Richards方程,考虑van Genuchten提出的土-水特征曲线和水力传导系数的表达式,采用差分方法进行求解,研究该土-水特征曲线对孔隙水压力分布的影响,分析该模型四个参数θs、θr、α和n对孔隙水压力分布的作用特征。结果表明经验参数α和n对孔隙水压力分布产生显著的影响。α影响土-水特征曲线的位置和水力传导系数斜率,其值越大,基质吸力越滞后,孔隙水压力分布弯曲度随着α值的增大而明显;n决定土-水特征曲线的斜率,其值大意味着基质吸力易消散。计算分析显示θr值变化引起孔隙水压力分布微弱的差异,这差异随着时间的增长而增大;饱和含水量θs对孔隙水压力分布也产生不小的影响,随θs的降低孔隙水压力消散减慢。