层状非均质结构包气带入渗过程单相流与两相流数值模拟对比研究

包气带水分入渗过程受多种因素的影响。定量研究层状非均质岩性结构和入渗速率对其影响,有助于解决根据不同条件选择单相流模型或水气二相流模型模拟包气带水分入渗过程的问题。结合填埋场等场地地层条件及污废水入渗特征,分别建立了“上细下粗”和“上粗下细”包气带层状非均质岩性结构水分入渗单相流和水气二相流模型,探讨不同层状非均质岩性结构条件下模型的适用性。在“上粗下细”岩性结构模型基础上,进一步探究入渗速率对水气两相运移结果的影响。基于论文模型研究表明：（1）在包气带岩性结构为“上细下粗”的条件下,气相的影响基本可以忽略,可直接采用单相流模型对包气带水分运移进行模拟;在“上粗下细”岩性结构和本次模型设定的底部压力保持不变及污废水泄漏前场地未接受降水入渗补给等条件下,当包气带上下层介质渗透率比值大于16倍时,气相会对水相运移产生明显影响,且下层介质渗透率越小、上下层介质渗透率比值越大,单相流与两相流的运移结果差别越大,需要采用水气二相流模型模拟包气带水分运移。（2）在包气带“上粗下细”岩性结构条件下,入渗速率越大,气相对水流入渗的阻滞作用越明显,此时包气带水分运移模拟应采用水气二相流模型。     

水气二相流方程的一种离散数值解法

提出了水气二相流方程的一种数值解法.在利用有限元方法求解水气二相流方程时,引入了离散Newton迭代方法,用于非线性有限元方程组的线性化处理,将这一步计算的收敛阶由原有研究的线性收敛提高到平方收敛,并避免了直接应用Newton迭代方法给编程带来的不便.同时在求解两相的有限元方程组时,采用两相方程组并行迭代的方法,与联立计算相比节省了大量的内存空间.     

非饱和带水气二相流动参数确定实验研究

对非饱和带水气二相流动的关键参数确定,尤其是二相流动中气相参数确定的实验方法进行了探索,得出了相应的参数结果,建立了气压自动采集系统,为进一步的非饱和带水气二相流动的实验模拟与数值模拟提供了参数依据。     

非饱和带水气二相渗流动力学模型

非饱和带地下水运动实质上是一个水气二相渗流过程。本文以多相渗流理论为基础,从水气二相渗流的连续性方程和达西定律出发,推导了非饱和带水气二相渗流的耦合动力学模型,讨论了模型的IMPES和全隐式联立求解方法的原理和步骤,认为IMPES求解方法由于达西系数项的处理,饱和度的计算均采用显式,因此该解法具有稳定性差、精度低且要求计算时间步长小的局限性;而全隐式联立求解方法是联立求解气相、水相方程,同时求出压力和饱和度值,因此压力和饱和度值都是隐式求出,具有较高精度,且无条件稳定,应是今后模型求解的重点研究内容     

土壤包气带中气体对入渗水流运动影响的实验研究

利用专门的实验系统,研究了降雨入渗过程中土壤包气中气压势形成、发展和消亡的规律及其对下渗水流运动的影响。结合成因分析,探讨了气压势形成的条件;审视和解释了气压势与土壤水总势能和地下水位的相互关系。实验结果表明,在地下水位埋深较浅的条件下(<2m),积水入渗时所形成的气压势将使下渗量减少1/3。     

滞后补给权函数与包气带的关系

降雨入渗补给潜水存在滞后效应.利用HYDRUS程序建立垂直一维非饱和渗流数值模型,模拟了补给过程对脉冲式地面入渗的响应.根据不同潜水面埋深补给强度的变化过程计算补给权重,获得了滞后补给权函数曲线.模拟结果表明权函数曲线具有单峰形式,随潜水面埋深增加,峰值减小,其出现的时间推迟.相对粗颗粒土壤,缅颗粒土壤产生的权函数峰值较小,出现时间更晚.前人提出的滞后补给权函数经验公式能够近似地刻画单峰曲线形态,在包气带介质颗粒较粗、潜水面埋深较小时比较适用,但是对细颗粒土壤和潜水面埋深较大的情况则存在一定的偏差.土壤类型和含水量的垂向分布,都可以通过对包气带渗透性的控制而影响滞后补给过程.可为研究地下水模型处理动态降雨入渗补给及包气带溶质淋滤过程提供参考.     

包气带水研究方向浅议

包气带水是地球水体的重要组成部分.研究包气带水的形成及运动规律不仅对阐明地下水的形成具有重要意义,而且是实现农业节水的关键.本文在阐述包气带水特征的基础上,指出了包气带水研究方向:一是包气带中土壤水的调控研究,二是水-气二相流数值模拟研究.     

非饱和带水-气二相流数值模拟研究进展

通过对近年来水-气二相流数值模拟情况的分析,总结了在水-气二相流模拟过程中,各个主要参数或物理过程的数学概化方法,以及近年来求解水-气二相流方程和污染物运移方程的各种方法,论述了各种方法的优点和不足.并提出了需进一步研究解决的问题.     

包气带黏性土层对氮素污染地下水的防污性能试验研究

包气带土层是保护地下水的天然屏障,在阻控、拦截氮素污染源的过程中起到了重要作用。通过对北京市典型地区包气带土体进行定水位入渗的土柱淋溶试验,研究土体对于氮素的去除能力和包气带的截污容量。试验中采用了蒸馏水、再生水和河水3种不同的水源。试验结果显示,张家湾包气带土层对氮素污染地下水具有较强的截留和防护能力。对氮素的去除过程具有分段性特征,经历了较稳定和波动下降两个不同的阶段,其中稳定阶段是计算柱体去除能力的关键,提出了考虑滞后区间的时段去除率计算公式。水源对柱体的渗流速度及初期的吸附解析效应有明显影响。土体对氮素的去除作用受环境温度变化的影响,温度15 ℃左右时所达到的稳定阶段对氮素有极强的去除能力。     

鄂尔多斯盆地北部风积沙覆基岩型包气带结构的生态意义

风积沙覆基岩型包气带结构在鄂尔多斯盆地北部分布面积最广.在其结构及其属性特征分析基础上,重点解析了结构内垂向上土壤水分的富集规律;以沙蒿为例,对喜沙耐旱植被的生长与风积沙厚度、地下水水位埋深间的关系进行了探讨.认识到风积沙覆基岩型包气带结构有利于土壤水富集,是鄂尔多斯盆地北部沙蒿、沙柳等耐旱喜沙植被分布与生长的决定性因素,对维系盆地北部生态系统有重要作用;而地下水位埋深与沙蒿等耐旱植被生长间的关系并不密切.在进行盆地北部地下水资源评价及开发方案制定过程中,应对风积沙覆基岩型包气带的生态意义给予重视.     

包气带浅层地热容量计算方法商榷

对浅层地热容量,现行的《浅层地热能勘查评价规范》DZ/T 0225-2009推荐采用体积法进行计算,笔者认为推荐的包气带浅层地热容量计算公式有待商榷.本文尝试对其进行修改完善,以提高浅层地温能计算的准确性.     

试验模拟包气带CO2变化及对水化学的影响

包气带作为参与碳循环的重要场所,CO2起到重要作用。利用土柱模拟不同条件下包气带CO2含量变化及水化学成分变化。研究发现:不同条件下土柱内CO2存在明显差异,均随着深度增加CO2含量增加;CO2含量植被组大于无植被组。随着降水不断入渗包气带,CO2含量不断增加。植被存在时,增加幅度略大于无植被组,且降水后期杀菌组包气带CO2增加幅度达一百倍。降水后pH值降低,Ca^2+、Mg^2+离子浓度增大,NO3^-、Cl^-、SO42-离子含量也出现一定程度的增加。植被、微生物和降水均可影响包气带中CO2含量,且包气带CO2在降水与地下水转化过程中起到重要作用。     

滨海盐碱地区包气带中淡水透镜体维持机理

大气降水是滨海盐碱地区浅层地下水的重要补给来源。滨海地区浅层地下水多为咸水且埋藏较浅,在不同包气带岩性渗透性差异下,在大气降水入渗补给过程中,一定时间内潜水面以上一定范围内存在淡水分布,即淡水透镜体,它能局部隔离地下咸水对上层土壤和植物的危害,并在一定程度上供给植物吸收利用。采用自制的室内物理模拟装置,通过控制土层结构,模拟了大气降水入渗补给条件下包气带中淡水透镜体的形成与消退过程,探讨了不同土壤类型中淡水透镜体的维持情况;并利用吸水管模拟客土上所种植物根系吸水,研究了不同吸水量条件下土壤中淡水透镜体的变化规律。结果表明:上层中砂、底层粉砂质黏土的双层土体结构中,淡水透镜体的维持性最好,在降水入渗补给条件下,透镜体形成时间在1500 min左右可达最大厚度(约15 cm),若补给源消失,透镜体完全消退需7500 min,能较长时间地阻隔地下咸水;双层土中模拟形成的稳定淡水透镜体在无补给条件下,能够隔离地下咸水的同时亦能为上层植物提供243.5 mL淡水资源。     

包气带介质截留不同龄垃圾渗滤液中的有机污染物

从渗滤液场龄和包气带岩性两方面着手,研究了不同岩性包气带介质对不同场龄渗滤液中有机污染物的截留作用规律。结果表明:新渗滤液经过以细砂、亚粘土为介质的包气带后,细砂和亚粘土中有机物的质量分数分别从0.70%和0.87%增大至0.80%和1.00%以上,而老渗滤液使细砂和亚粘土中有机物的质量分数降至0.70%和0.50%以下。新渗滤液经过包气带后,包气带介质中有机物的含量增大,而老渗滤液使包气带介质中有机物的含量降低,亚粘土较细砂更容易受到渗滤液污染的影响。即渗滤液性质对包气带介质中有机物含量具有方向性的影响作用,而包气带介质亚粘土比细砂更容易放大这种作用效果。     

包气带弱渗透性黏土透镜体对降雨入渗补给影响的数值模拟

大气降雨是华北平原浅层地下水的主要补给来源。长期过量开采地下水造成地下水位持续下降,使原来处于饱水带的透镜体位移到包气带中,形成了厚度大、非均质性更为复杂的包气带。厚层包气带中弱渗透性黏土透镜体对于降雨入渗补给的影响是关系到降水入渗过程及补给量评价的基本问题。用HYDRUS软件建立数值模拟模型,模拟探讨单次降雨条件下,透镜体埋深、宽度比、厚度等要素对入渗路径、入渗补给时间和入渗补给量的影响。结果表明:入渗过程中弱渗透性黏土透镜体两侧会形成较快的绕流;透镜体会减小补给峰值并延长总体补给时间,但不改变补给起始时间;透镜体埋深与极限蒸发深度的相对关系决定了潜在补给量的大小,透镜体埋深或因透镜体形成的上层滞水处于极限蒸发深度以上会减少潜在补给量。     

包气带土层对氮素污染地下水的防护能力试验研究

包气带土层能够有效滞留和吸附污染物,是阻隔污染物进入地下水的重要屏障。通过对北京市典型地区包气带土体进行土柱淋溶试验,研究包气带土层对氮素污染地下水的防护能力,实验结果显示,包气带土层对氮素的截污性能具有明显的分段性。粘质粉土对氮素污染地下水具有较强的截留和防护能力,粉砂截留和防护能力相对较差。经计算粘质粉土和粉砂对再生水的净化能力分别为83.3%、29.1%。包气带土层颗粒粒径愈大,污染物浓度高,水动力条件好,包气带土层的防护能力愈差。     

利用TDR100系统原位监测深厚包气带水热动态

利用标定后的TDR100系统原位监测太行山前深厚包气带（30.3 m）的土壤水热动态,根据2011、2012年2 a的监测结果,真实准确透析全剖面土壤水热运移规律。结果表明：厚度大、非均质并受控于多重外界条件的深厚包气带的水热运移,必然是相对滞后的复杂往复运动,水分补给滞后时间为2~3个月;粗颗粒层是良好的输水通道,而细颗粒层（如黏土层）才是决定入渗能力的关键层,对土壤体积含水量变化影响可达15%;浅层水热运移取决于降水蒸发和地表温度,5.0 m以下中深层水热运移常态取决于岩性和地下水位,而强降水入渗和人类活动产生瞬态关键效应。