含水层和土壤的随机特征对水分运动的影响

将土壤或含水层的介质参数视为随机分布,建立了饱和非饱和水流运动的随机微分方程,利用随机数值求解方法,得到各种随机参数对水头分布和含水量空间变异性的影响。分析结果表明,随着渗透系数空间变异性和相关尺度的增大,含水层水头分布的变异性增大;对于区域内有抽水井分布的问题,在井点附近区域,z向水流速度空间变异性大,而在井点处变异性较小。当采用Gardner-Russo模型描述非饱和水分特征时,其非饱和土壤介质参数α的变异性对土壤负压和含水量变异性的影响大于饱和渗透系数,土壤含水量越小,含水量的空间变异性越大。初步讨论了根据随机数值方法研究地下水运动问题的可靠性分析方法。     

青藏高原中部冻土环境下土壤水分监测

利用2006-2007年冬季青藏高原中部那曲布交(BJ)站测量的土壤水势、未冻水含量以及土壤温度资料, 分析了冻土环境下土壤水势、 未冻水含量和土壤温度三者的关系. 结果表明: 青藏高原中部冻土环境下, 土壤水势随着土壤温度及未冻水含量的变化而变化, 土壤质地是决定土壤水势的一个重要因素;未冻水含量与土壤温度保持着动态平衡, 随着土壤温度的降低, 未冻水含量减小, 土壤水势也随之减小;20 cm处砂质壤土的未冻水含量与土壤温度呈指数函数关系, 土壤水势与未冻水含量可用二次曲线拟合, 土壤水势与土壤温度呈指数函数关系;Clausius-Clapeyron方程对于计算青藏高原中部非饱和冻土水势存在局限性.     

温度影响下的非饱和黄土水分迁移问题探讨

对非饱和黄土土样的实验结果揭示出,对于初始含水量均布的土样,在两端施加温差后,冷端的含水量增大,热端含水量减小。在温度差作用下,温度差越大,土体密度越小,水分迁移特征越明显,土样两端含水量差越大。当初始含水量较大和较小时,温度差引起的含水量差均较小;当初始含水量适中时,温度差引起的含水量差值较大。基于实验结果,考虑含水量和密度的影响,得到温度梯度引起含水量梯度的表述关系式,计算和实测结果验证了该表述式的可靠性。据此得到了考虑温度影响的非饱和黄土水势的表述式,该式考虑了土体密度、温度梯度、含水量和含水量梯度对水势的综合影响,对实验土样的计算结果反映了水分的稳态分布。     

降水入渗地下水过程中包气带水份势能梯度的变化

降水通过包气带水分增加、减少和向下入渗补给地下水过程中,制约和控制岩土水分运动方向与入渗速度大小的水分势能梯度,因岩土吸水或者脱水状态的不同,初始含水量大小的不同和含水量的改变,而发生具有明显特征的则律性变化。本文以室内、外实验数据为基础,以非饱和水流运动定律为理论根据,探讨了岩土水势梯度这种变化在动态方面和剖面上的具体表现。     

干旱区灌溉条件下土壤水分动态类型及其应用—以新疆昌吉地下水均衡场为例

根据干旱区灌溉条件下土壤水势梯度和土壤含水量的变化 ,分析土壤水分运动类型 ,可判断灌溉水是否补给浅层地下水 ,提高地下水资源评价的精度。本文以新疆昌吉地下水均衡场资料为例 ,初步研究了干旱区灌溉条件下土壤水分动态类型及其应用。     

非饱和土壤水分运动参数的测定

五十年代以来,应用能量观点研究非饱和土壤(包气带)水分运动,有了很大的发展。在应用这个理论对土壤水分运动进行定量分析时,求其基本方程的解或数值解,都离不开方程中出现的几个基本参数——导水率K(θ)(又叫水力传导度或非饱和土渗透系数)、扩散率D(θ)(又叫扩散度或扩散系数)和容水度C(θ)(又叫比水容量)。而且,对于某种密度的同一种土壤,它们都不是常数,是随土壤含水率θ(体积比)而变化的。另外,研究土壤水运动,对土壤水的相对能量值(土水势)的测定也是不可缺少的资料,     

黄土非饱和渗流试验研究

黄土介质特有的垂直节理和大孔隙发育性质，使黄土和非饱和渗流过程具有与均匀土壤的非饱和水分运动不同的特征。通过黄土非饱和渗流试验研究，对黄土垂直节理，大孔隙的实地观察和用土壤水动力学理论分析，证明黄土介质中的垂直节理，大孔隙在不同不量下对水分入渗所起的作用，对干旱地区黄土，由于降水量小，土壤含水量少，垂直节理，大孔隙在水分渗过程中实际起长低渗透性的作用，即阻水作用。     

阿拉善雅布赖风沙区不同水分条件下白刺叶片的水分生理特征

对雅布赖风沙口固定沙丘(阳坡和阴坡)、丘间低地和对照(人工加水)4种生境中白刺的叶片水势(Ψs)、含水量(LWC)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Cs)等进行了对比研究.结果表明:各生境下白刺叶片白刺叶片渗透势值分别为-3.11MPa,-2.02MPa,-1.34MPa和-1.21MPa;白刺叶片水势随生境土壤水势(Ψsoil)升高而增加,变化趋势为:固定沙丘丘间低地对照(p0.01).叶片含水量随生活型及生境的变化与渗透势相似,而叶片渗透势与含水量呈显著正相关(p0.01),与气孔导度呈显著的指数关系(p0.01).0～2500μmol·m-2·s-1光强范围内,白刺的净光合速率随土壤含水量的增大而增大,蒸腾速率随光强的增高不断增大.白刺叶片平均水分利用效率在丘间低地土壤含水量为6.9%时达到最大值,因此,白刺的光能利用效率和水分利用效率都比较好的土壤含水量应该为7%左右.     

大埋深条件下降雨入渗补给的初步分析

运用SWAP模型对太行山山前平原--河北省栾城县田间土壤水分运动进行了数值模拟.从土水势及土壤含水量等方面,初步分析了降雨灌溉入渗补给条件下土壤水分运动的规律.通过分析和讨论,探求了大埋深条件下降雨入渗过程,初步揭示了降雨入渗对地下水位变化的影响.     

复杂水力路径下非饱和流动的数值分析

多孔介质中的流动问题,与孔隙介质的特性,含水量状态以及含水量的变化历史密切相关。基于毛细循环滞回理论模型,考虑含水量变化历史对土水特征关系的影响,在开发的U-DYSAC2有限元程序中进行了相应的数值实施。在试验给定的初边值条件下进行了非饱和渗流模拟分析,并将模拟结果与实测数据比较,表明在压力边界条件反复变化下,考虑滞回效应能获得更接近实测的结果,证实该模型在模拟各种循环变化条件下非饱和土渗流初边值问题的适用性与必要性。对入渗重分布反复变化条件下非饱和土柱流动的数值模拟表明,考虑滞回与不考虑滞回条件下,含水量、孔隙水压力和湿峰的迁移的预测在入渗后的重分布过程差异较大。考虑滞回效应时,土柱上部的脱湿速率、下部的吸湿速率比不考虑滞回时要低。从而证实了非饱和多孔介质中的土水状态依赖于含水量变化,而且强烈依赖于土体的水力路径变化。因此,循环边界条件变化下,毛细滞回效应在非饱和渗流模拟中的影响显著,必须加以考虑。     

原状非饱和黄土的三轴试验研究

利用特制的非饱和土三轴仪器,对不同含水量条件下原状非饱和黄土的强度和土-水特征曲线进行了试验研究。试验结果表明：非饱和黄土的抗剪强度随着含水量的不同而不同,含水量越大,非饱和黄土的基质吸力就越小,抗剪强度亦越小。含水量趋于饱和时,非饱和黄土的抗剪强度值逐渐接近于饱和黄土的强度值。原状非饱和黄土的抗剪强度均高于饱和黄土的抗剪强度。非饱和黄土的内摩擦角受含水量的影响不大。凝聚力受含水量的影响很大,含水率越大,基质吸力越小,总凝聚力越小。根据实验结果,提出了非饱和土的抗剪强度模型,该模型易于确定,与实测基本吻合,误差较小,满足非饱和黄土的强度计算要求。     

水势理论在四水转化研究中应用时代特征与趋势:纪念ZFP方法引进我国30周年

20世纪80年代零通量面方法在我国应用中解决了"四水"转化研究中参数不确定性带来的问题,发现在降水入渗补给地下水过程中土壤总水势梯度大于1.0cm H2O/cm,且逐渐降低,流入、流出被监测土层的水量相等时土壤总水势梯度趋近于1.0cm H2O/cm。20世纪90年代,利用土壤水势与含水量之间量化关系,指导了农业节水灌溉,提出在灌溉过程中土壤水势梯度等于1.0cm H2O/cm的时间持续愈长,表明过剩灌溉而浪费的水量愈多的认识。进入21世纪以来,水势理论较广泛地用来解决土壤水盐分运移数值模拟与入渗模型中水文地质参数问题和降水入渗土壤水势运移微观机理研究,并发现表聚型、中聚型和底聚型土壤盐分剖面的水动力学特征。通过土壤水动力场调控改变土壤水盐(养分或污染物)运移是未来重要研究方向。     

增湿时黄土的抗剪强度特性分析

采用固结不排水剪切方法,对非饱和原状Q3黄土进行了增湿情况下的三轴剪切试验,得到了湿陷性黄土的极限强度与初始含水量及围压的关系曲线,分析了增湿过程中黄土抗剪强度的变化规律。结果表明,原始含水量下非饱和原状黄土的强度包线是由两条直线组成的折线,高含水量时的强度包线仍符合莫尔-库仑理论准则。非饱和黄土的黏聚力随初始含水量的增大而迅速降低,而内摩擦角受初始含水量变化的影响较小。随初始含水量的增大,总应力指标始终小于相应的有效应力指标;并发现非饱和黄土的有效黏聚力 与初始含水量w之间的关系能较好地拟合为指数函数。最后简要分析了初始含水量和围压对抗剪强度指标的影响。     

平原地区采煤沉陷区非饱和带水分特征及影响因素研究

基于安徽淮北市某矿采煤沉陷区,建立野外原位试验场,通过监测沉陷区非饱和带土壤水势、水位、降水量变化,并结合野外采集的土样测试结果,就地下水位、蒸发、降水、以及开采沉陷过程等因素对比分析沉陷区与非沉陷区土壤水分变动。结果表明:降水、蒸发条件的改变对非饱和带土壤水分分布影响较大,而在降水、蒸发条件基本相同的情况下,沉陷区30 cm以下非饱和带土壤含水率规律呈现先减小后增大,该现象主要是由于采煤后地面沉陷对土壤产生一定的扰动,竖直方向上裂隙增加,土壤持水率下降,沉陷稳定后,相对地势较低的沉陷区开始汇水使得土壤含水率上升。     

西北地区额济纳绿洲非饱和带水分和盐分分布

在西北地区黑河流域下游的额济纳绿洲选择3个土壤剖面采集不同深度土壤样品和潜水样品进行测试,并在野外观测非饱和带不同深度的水土势变化。结果表明,SO4^2-是非饱和带土壤和地下水中的主要离子成分,土壤和地下水呈偏碱性。土壤易溶离子含量随深度大体上呈减少趋势。绿洲非饱和带发育有收敛型和发散型零通量面,自夏季至冬季,零通量面变得不清晰直至消失。在非饱和带中,土壤易溶盐含量、含水量和总水土势随深度的变化趋势基本相同,植物根系的吸收对水分和盐分的垂直分布有着重要的影响。     

荒漠地区生物土壤结皮的水文物理特征分析

通过室内压力陶土板系统测定土壤含水率与基质势的关系与Star-1土壤水分物理特征测定系统确定非饱和土壤水力传导度的方法,结合应用van Genuchten公式模拟,分析了位于腾格里沙漠东南缘包兰铁路沙坡头段人工生态防护体系生物土壤结皮的水文物理特征,确定了其水分特征曲线、非饱和土壤水力传导度、非饱和弥散系数,并与原始沙丘沙进行比较。结果表明,生物土壤结皮的持水能力是沙丘沙的3~9倍。当土壤基质势在-1~-3 000 cm的较高范围变化时,生物土壤结皮平均非饱和水力传导度低于沙丘沙(约为12%);而当土壤基质势在-3 000~-15 000 cm的较低范围变化时,沙丘沙的平均非饱和水力传导度又大大低于生物土壤结皮(约为91.0%)。正是由于生物土壤结皮特殊的质地与结构,使其非饱和水力传导度随着土壤基质势的降低,以及土壤含水量的减少,而趋于增大。与原始沙丘沙比较,生物土壤结皮独特的水文物理特点决定了它对荒漠地区土壤微生境的改善与促进作用,特别是通常情况下的高持水能力与低土壤基质势条件下的较高非饱和水力传导度,能够提高浅层土壤水分的有效性,有利于人工生态防护体系主要组分浅根系灌木、草本植物与小型土壤动物的生存繁衍。     

地下水位在非饱和水流数据同化中的应用

为理解地下水位观测信息在非饱和水流数据同化中的数据价值,建立了基于地下水位动态观测信息的一维饱和-非饱和水流集合卡尔曼滤波,通过虚拟数值实验检验了地下水位观测信息在非饱和水力参数估计和水分校正中的潜在价值。研究结果表明:在以地下水位为唯一观测数据时,同时更新参数和水头比仅更新水头能更好地校正土壤剖面的水头分布;当多层单个水力参数未知时,地下水位观测可以为参数估计提供有效信息;当多层多个参数未知时,地下水位与多层多个参数之间的复杂关系导致观测信息难以估计出最优的(唯一的)参数值;地下水位可作为辅助信息,与含水量观测等信息联合运用改善参数估计和含水量预测精度。     

岩体裂隙饱和/非饱和渗流机理初步研究

基于裂隙局部开度为平行板模型的假定,按一定分布抽样生成裂隙面上开度随机数,并分别对单裂隙饱和及非饱和渗流进行了数值模拟.裂隙饱和及非饱和渗流在渗流机理上都是由于水势差引起的,只不过在非饱和渗流情形下,湿润相水压力小于非湿润相空气的压力.饱和渗流时,水流主要集中在大开度,即“沟槽”中;而非饱和渗流时,水流运动多发生在小开度,即“狭缝”中.     

孔隙网络模型在土壤水文学中的应用研究进展

非饱和土壤的水力性质是采用模型定量模拟水分和溶质在非饱和带中运动的最重要的物理参数,可以用网络模型来预测。孔隙网络模型的主要优点在于可以对发生在土壤孔隙尺度上的物理、化学过程进行直观的表达和模拟。目前,国内外研究者已在样品图像获取、图像分析、模型建立以及求解等方面取得了一定的进展。在对其进行综合评述的基础上,指出了已有网络模型在建立过程中存在的不足之处,并进一步明确了今后的研究方向。     

陕北非饱和重塑红土渗透特性试验研究

以实测土水特征曲线为基础,采用 Van Genuchten 模型,详细研究了干密度和体积含水量对非饱和保德组红土渗透特性的影响。研究表明:不同干密度下,在半对数坐标系中,非饱和保德组红土渗透系数与体积含水量呈现出近似直线关系,非饱和保德组红土渗透系数随体积含水量的增大而单调加速增大,且密实状态非饱和保德组红土渗透系数对体积含水量的变化比较敏感。不同干密度下,在半对数坐标系中,非饱和保德组红土渗透系数与基质吸力之间呈现出指数函数关系,且非饱和保德组红土渗透系数随基质吸力的增大而减小,当土体干密度较大时,非饱和保德组红土渗透系数随基质吸力的增大变化较大,同样表明密实状态非饱和保德组红土的渗透系数对干密度的变化比较敏感。