降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响研究

毛细阻滞覆盖层的防渗性能对于控制渗滤液和减轻垃圾填埋场周边环境的污染具有重要意义,因此得到广泛研究。前人在研究中多采用恒定降雨强度来模拟降雨气象条件,而对降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响关注较少。因此,采用自主研发的土柱降雨入渗试验系统,分别对短时强降雨和长时弱降雨两种降雨情况下,降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响开展了研究,并揭示了最不利降雨形式。同时,采用SEEP/W软件对各试验工况进行数值模拟,以使模拟结果与试验结果能够相互印证。研究结果表明：试验结果与模拟结果基本一致,最大误差不大于3%;在短时强降雨情况下,降雨形式仅对覆盖层上部的体积含水率和孔隙水压力有较大影响;而在长时弱降雨条件下,降雨形式对整个覆盖层的体积含水率和孔隙水压力均有显著影响;降雨形式对覆盖层突破时间及渗漏量均有影响,前锋型降雨的突破时间最短,产生的渗漏量最大,后锋型降雨的突破时间最长,产生的渗漏量最小;前锋型降雨更易造成覆盖层突破失效而产生较大的渗漏量,为最不利降雨形式。该研究结果可为毛细阻滞覆盖层设计提供参考依据。     

封顶覆盖黄土气体渗透特性测试及填埋气一维运移分析

黄土在我国西北地区广泛分布,是当地垃圾填埋场封顶覆盖层的主要材料,该材料的气体渗透特性直接影响了覆盖层对填埋气释放的控制效果。利用渗析技术和自制的气体渗透系数测量装置,模拟和测试了干湿气象条件下覆盖黄土服役含水率变化及其对气体渗透系数的影响,并建立填埋气在垃圾体和覆盖层中的一维稳态运移模型,分析了覆盖层气体渗透系数和抽气速率对填埋气释放控制效果的影响。研究结果表明：渗析技术能有效模拟覆盖黄土服役含水率的变化,压实黄土试样的气体渗透系数介于10-17～10-12 m2量级,随服役含水率的增加而降低,且对于压实度比较高的黄土降低得更加明显;覆盖层底部的填埋气压随气体渗透系数的减小而增大,通过覆盖层下部的气体扩散层负压抽气等措施,可有效减小覆盖层底部气压和填埋气的释放量。     

河北蔚县崔家寨井田构造复杂程度定量评价

地质构造复杂程度定量评价是当前矿井地质工作的研究热点之一,其关键技术体现在评价指标和评价数学模型两方面。在地质分析和勘探资料处理的基础上,选取5个非连续性变形参数和5个连续性变形参数,作为地质构造复杂性评价的指标,分别采用统计综合评价和模糊综合评价数学模型,对冀西北蔚县矿区崔家寨井田主采煤层的构造复杂程度进行定量评价,取得良好效果。对比分析表明,两种评价模型在矿井构造复杂程度定量评价方面各有优劣,比较而言,模糊综合评价模型更加客观合理。      

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.     

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。     

长江中游洞庭湖防洪系统水流模拟——Ⅰ．建模思路和基本算法

针对长江中游洞庭湖防洪系统规模庞大、水流复杂、资料短缺和预报时限紧迫的实际条件,提出了具有层次和模块结构特点、一维与二维水流模拟、水力学与水文学方法、理论模型与补充信息相结合的建模途径.所建模型的湖泊部分采用无结构网格二维非恒定流高性能有限体积格式,以适应湖区复杂的边界形状和保持水量平衡;河网部分采用一维非恒定流守恒型显格式,避免隐格式矩阵算法的复杂性,同时有利于与二维模型的耦合及与各种复杂连通关系的显式连接.这种一、二维混合非恒定流模型可用于长江干流、洞庭湖河网及湖泊、堤垸区的洪水演进和防洪调度的水流仿真.     

某市地下水的模拟计算与分析

在详细分析研究区地质和水文地质条件的基础上,对研究区的均衡要素、流场及参数分布进行描述。建立水文地质概念模型,采用基于有限元方法的FEFLOW软件建立地下水流数值模拟模型并进行模型的识别和验证,在此基础上建立了地下水溶质运移模型,并对研究区地下水中的污染物运动进行数值模拟研究和分析。模拟结果表明：研究区西北部地区污染严重,原因主要是垃圾填埋场,建议有关部门采取相应的治理措施。     

粘性土壤溶质运移新模型的应用

将Moldrup等提出的模拟水流和溶质运移的运动平均斜率模型和运动浓度斜率模型联合,模拟了重粘土在入渗和蒸发条件下的水盐动态并与特征-有限差分数值模型的计算结果进行了比较。在模拟过程中新模型显示出更加高效的优点,这对粘性土壤地区盐渍化趋势的长期预报具有重要的实际意义。     

黄土高原沟壑区坡地土壤水分状态空间模拟

为掌握黄土高原沟壑区坡地土壤水分的空间分布特征及其影响因素,采用状态空间模型和经典线性回归方法对该区不同土层深度土壤含水率的分布进行模拟.结果表明,不同土层深度的土壤含水率呈中等程度变异,并与海拔高度、黏粒、粉粒、砂粒含量和分形维数具有显著的空间自相关和交互相关关系,可用于状态空间模拟分析.不同因素组合下的状态空间模拟效果均要优于线性回归方程,其中采用海拔高度、砂粒含量和分形维数的三因素状态空间方程模拟精度最高(R2=0.992).状态空间模拟方法可用于黄土高原坡面尺度不同土层深度土壤含水率的预测.     

多场耦合作用下溶质运移模型及机制研究

最新研究表明,多孔介质中溶质运移现象受化学渗透和土壤表面电荷的多重影响。随着城市化进程的加快,卫生填埋场衬垫系统的长期安全性和淤泥脱水问题也愈加严重。为了综合研究水头,电场和化学渗透等物理作用对离子在土壤介质中迁移特性的影响,建立了一个新的多场耦合模型。该模型用有限元法取得数值解,并且利用移动边界成功实现了对淤泥脱水和填埋场衬垫系统中水溶液和化学溶质迁移问题的数值模拟。对于衬垫系统而言,化学渗透现象和渗透电势两者均可减缓溶质击穿土层的时间,有助于延长衬垫的工程寿命。对于淤泥脱水问题的分析结果表明,水力渗透系数和电渗系数分别是主导压滤式和电渗式脱水处理的主要变量。孔隙淤堵是压滤脱水中最主要的问题,土工织物表面所积聚的滤饼会导致水流量急剧下降     

非等温条件下道路水分迁移的数值模拟

通过分析季节冻土区的温度分布规律,建立了温度随时间的变化函数.在此基础上,基于连续介质力学和热力学理论,建立了道路水分迁移过程中的水热耦合动力学模型,并对季节性冻土地区的水分迁移现象进行数值模拟分析,初步探讨了在非等温冻结条件下,水热耦合过程中路基填料的含水量和温度随时间和深度变化的关系,计算结果表明,冻结过程中在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值,且该峰值随着冻结时间的延长而向深度发展,这对于路基路面的综合设计,道路冻害的预报有着重要的理论意义和实际应用价值.但要真正体现道路路基水分迁移的机理,有待于建立水分迁移过程中水、热、动载和渗流耦合模型,这是有待于进一步解决的问题.     

城市道路翻浆过程的动力学模型研究

基于连续介质力学和热力学理论，建立了城市道路翻浆过程中的动力学模型，并对季节性冻土地区翻浆冻害现象进行数值模拟分析，初步探讨了翻浆过程中土壤含水量和温度随时间和深度变化的关系。计算结果表明，翻浆过程中在冻结峰面附近形成一个冻结合水量峰值，且该峰值随着冻结时间的延长而向深度发展。这对于路基路面的综合设计．防止翻浆的发生有着重要的理论意义和实际应用价值。     

海河流域不同下垫面土壤水分动态模拟研究

针对海河流域不同的下垫面类型,选取密云(果园林地)、大兴(城郊农田)、馆陶(平原农田)3个观测站,建立垂直方向上以含水率θ为因变量、含根系吸水项的非饱和土壤水分运动数值计算模型。该模型以一维Richards方程为基础(以下简称RE模型),采用实测的降水和蒸散数据作为模型的上边界条件,运用全隐式有限差分法,分别对不同生长期内的土壤水分进行数值模拟,得到时间序列的土壤水分廓线,并分别采用成熟软件HYDRUS-1D的模拟结果和各观测站实测土壤水分对RE模型进行交叉验证和直接验证。结果表明RE模型能够很好地模拟海河流域不同下垫面土壤水分动态变化过程,3个站模拟结果与实测土壤水分数据的均方根误差(RMSE)分别为0.03127,0.0359和0.0409 cm3/cm3。与HYDRUS-1D软件模拟结果(其与观测值的RMSE分别为0.03759,0.0647和0.0467 cm3/cm3)相比,RE模型模拟的土壤水分具有更高的精度,也显示出RE模型的可靠性。探讨3个站土壤水分的时空变异规律及其影响因子并以大兴站为例,通过优化RE模型参数,探讨犁底层对土壤水分模拟结果的影响,进一步改善RE模型的模拟精度。     

压实宽级配砾质土干-湿循环效应研究

为探索在干-湿循环条件下,宽级配砾质土作为垃圾填埋场复合防渗系统中土工织物黏土垫和土工膜（GCLs/GM）防渗衬垫的保护层时其水力特性的变化规律,采用压力膜仪测试了土样干-湿循环作用下的土-水特征曲线参数,并借助van Genuchte方程和Fredlund 3参数方程拟合了0～3次干-湿循环的压实宽级配砾质土样的4条脱湿土-水特征曲线。结果显示：随着干-湿循环次数的增加,试样的土-水特征曲线在0～100 kPa的低吸力区间内逐渐变陡,含水率随吸力增加而逐渐减小,在位于400 kPa附近趋于平缓;干-湿循环过程中,试样的饱和含水率存在峰值,而残余含水率逐渐降低并趋于稳定;两种模型拟合的宽级配砾质土土-水特征曲线的差异不大,van Genuchte模型略优于Fredlund 3参数模型。在此基础上,将试验结果与已有文献中干-湿循环条件下的黏性土以及膨润土的土-水特征曲线进行了比较,表明作为防渗垫保护层的宽级配砾质土更有利于GCLs的吸湿与水化。     

Analysis of soil boundary conditions of flash floods in a small basin in SW Hungary

Flash floods are one of the most significant natural hazards of today. Due to the complexity of flash flood triggering factors, to prevent or mitigate flood triggered losses, numeric model based flood forecasting models are capable tools to predict stream water levels. The main goal of the current research was to reproduce two flow peaks with the HEC-HMS rainfall-runoff model and test the model sensitivity for various input parameters. To obtain sufficient input data, we monitored soil depth, maximum infiltration rate, soil moisture content, rainfall, time of concentration and flow. To obtain input data, parameters were calculated, measured in the Sás Valley experimental watershed (SW Hungary) or optimized with the built in function of the HEC-HMS. Soil moisture was monitored in the 1.7 km2 pilot catchment over the period between September 2008 and September 2009. HEC-HMS had a good performance reproducing the two events, however simulated flow time series are highly influenced by the antecedent soil moisture, infiltration rate and canopy storage. Outflow modeled data were verified for two flood events (June 4, 2008 and July 9, 2009). The HEC-HMS was over-sensitive for input soil moisture and with increasing input rainfall and increasing outflow, larger simulation errors were observed.     

非饱和重塑砂土动力特性循环单剪试验研究

利用英国WFI生产的WF25735循环单剪试验系统,完成了一系列不同含水率重塑砂土在不同剪应变条件下的循环剪切试验,分析了不同剪应变条件下含水率的变化对非饱和砂土动力特性的影响规律。试验结果表明：动剪模量Gd/Gdmax-?归一化数值,在大应变下存在一个临界含水率11.2%,低于临界含水率时,Gd/Gdmax随含水率的增大而增大,高于临界含水率时,随着含水率的增大,Gd/Gdmax逐渐减小。骨架曲线存在一个相同的临界含水率,当低于该临界含水率时,随着含水率的增大,骨架曲线呈缓慢增大趋势,在含水率为11.2%处达到峰值;当高于该临界含水率时,随着含水率的增大,骨架曲线下降比较剧烈,且出现软化现象,从骨架曲线可以进一步解释Gd/Gdmax-?散点图的变化趋势。对阻尼比D/Dmax-?进行归一化数值,在较大正应力下,D/Dmax随着剪应变的增大而增大。非饱和砂土的滞回耗能随着剪应变的增大而增大;随着含水率的增大,存在一个临界含水率,滞回耗能曲线呈现先增大后下降的趋势,且临界含水率随着正应力的增大出现了偏移。     

植物生物条件下荒漠土壤水分预报的数学模型

通过对生长了3a的荒漠植物骆驼刺的根系分布规律及不同深度土壤含水量分布资料的研究，利用动态模拟方程，分析了骆驼刺根系吸水的分布规律，以及根系吸水与其影响因素之间的关系，用多元回归分析方法拟合了骆驼刺根系吸水的数学模型，利用所得到的骆驼刺根系吸水模式对实验地的土壤水分动态进行了模拟，模拟值与实测值比较表明结果具有一定的精度。     

Modeling preferential water flow and solute transport in unsaturated soil using the active region model

Preferential flow and solute transport are common processes in the unsaturated soil, in which distributions of soil water content and solute concentrations are often characterized as fractal patterns. An active region model (ARM) was recently proposed to describe the preferential flow and transport patterns. In this study, ARM governing equations were derived to model the preferential soil water flow and solute transport processes. To evaluate the ARM equations, dye infiltration experiments were conducted, in which distributions of soil water content and Cl⁻ concentration were measured. Predicted results using the ARM and the mobile–immobile region model (MIM) were compared with the measured distributions of soil water content and Cl⁻ concentration. Although both the ARM and the MIM are two-region models, they are fundamentally different in terms of treatments of the flow region. The models were evaluated based on the modeling efficiency (ME). The MIM provided relatively poor prediction results of the preferential flow and transport with negative ME values or positive ME values less than 0.4. On the contrary, predicted distributions of soil water content and Cl⁻ concentration using the ARM agreed reasonably well with the experimental data, with ME values higher than 0.8. The results indicated that the ARM successfully captured the macroscopic behavior of preferential flow and solute transport in the unsaturated soil.     

Simulation modelling of pollutant transport from leachate in Shiraz landfill

A one-dimensional mathematical model based on convection–dispersion equation in unsaturated porous media is presented to compute inorganic total solid concentration in the soil column under the Shiraz landfill. In addition, a dynamic mathematical model is formulated to simulate concentrations of ions such as Ca²⁺ , Mg²⁺, Fe²⁺, K⁺, Na⁺, Cl⁻, SO₄ ²⁻ and HCO₃ ⁻ as well as PH and EC in soil profile under the Shiraz landfill. Leachw model was applied to simulate water flow, water content and hydraulic conductivity in soil depth. The model was calibrated and verified by using different sets of data collected from several segments of soil depth in the study area. The numerical solution obtained using finite element method. The simulated values for the parameters were compared with measured values as well as analytical solution. The simulated results are in good agreement with measured values. This model could be applied to field scale problems for the landfill management.