黄土路基降雨入渗现场试验

为了寻求适合黄土地区公路路基湿陷性评价的方法,找到符合公路工况的实际水分入渗规律,通过现场 人工降雨试验,观测了湿陷性黄土路基在百年一遇降雨强度下的入渗以及饱和深度,并结合有限元数值模拟,分 析了湿陷性黄土降雨入渗的规律。结果表明:在降雨条件下湿陷性黄土路基入渗的影响深度小于2.7m,饱和 深度为20cm。该结果可为黄土地区路基处理设计中的黄土湿陷性评价、施工提供依据。     

张家口市绿地雨水入渗研究

以张家口市某校园为研究对象,通过对自然土壤与实验级配土壤的雨水入渗情况进行比较,证明在相同降雨条件下,实验级配土壤对雨水入渗率、下渗时间、剩余雨量效果优于自然土壤,以及降低降雨强度对其入渗的影响符合上述规律.将实验级配土壤应用到该校园待建绿地改造,达到加快雨水入渗,防治路面积水的效果,以及屋面雨水的收集利用.     

双层结构边坡降雨入渗与坡面径流耦合分析

天然土质边坡在地质和人为因素的作用下,通常呈现一定层状结构,在强降雨作用下会产生入渗和坡面径流。研究降雨条件下坡面径流与地表入渗相互影响过程,对山地洪水和滑坡灾害防治具有重要意义,然而,目前为止对层状土边坡地表与地下渗流的相互作用机制的研究理解还极为有限。本文针对上粗下细型层状土边坡降雨入渗研究中忽略坡面径流影响导致入渗分析不符合实际这一问题,基于Moore双层入渗和坡面径流控制方程建立耦合模型,并通过Python编制相应的计算程序分析耦合条件下双层结构边坡降雨产流及停雨后雨水重分布全过程。数值分析结果表明边坡土体降雨入渗过程与坡面径流深度有关;降雨初期降雨强度<坡面入渗能力,入渗速率等于降雨强度,坡面产流后入渗速率随降雨持时逐渐减小趋于稳定;当湿润锋跨过土层交界面时入渗速率急剧减小,最终等于次层土的渗透率,意味着上粗下细型层状土入渗速率主要由次层土控制同时降雨停止后径流快速衰退,已入渗的雨水在重力和湿润锋下方土体基质吸力的作用下继续向下推移,湿润锋入渗深度随雨水重分布历时趋于平缓。算例表明,该计算模型与计算方法可行,能够较好地反映实际层状土边坡的降雨入渗过程,为类似的层状土边坡研究提供计算依据。     

基于有限体积法的地表径流与土壤水流耦合分析

为了考虑强降雨条件下地表径流对土体入渗的影响,将地表径流模型同土壤水流模型进行耦合分析. 采用Navier-Stokes方程模拟地表径流,采用Richards方程模拟土壤水流,2种方程均采用有限体积法求解. 在相同计算条件下,将耦合模型数值模拟结果与SEEP/W计算结果进行对比,以验证耦合模型的正确性,根据耦合模型计算边坡在强降雨条件下的入渗情况. 研究发现,在地表径流条件下,边坡坡顶和坡底水头相差较大,坡顶和坡底入渗深度存在明显差异,说明地表径流对土体的入渗有着较大的提高. 研究表明,随着地表径流的增强,土坡入渗强度提高.     

连续降雨条件下黄土路基水分场数值分析

基于非饱和土水分迁移模型,给出了考虑含水量和密度影响的非饱和黄土路基水分场计算模型,确定了模型参数.指出含水量和密度对非饱和黄土渗透系数kw均有显著影响.编制有限元程序,模拟不利连阴雨天气,对黄土路基水分场变化过程进行计算分析.揭示出降雨入渗条件下土体密实度对路基水分场的变化有显著影响,密实度越小,路基湿软区域越大,雨水入渗水分迁移进程越快;相同条件下硬路肩较之土路肩更利于防止雨水入渗.因此,采用硬质路肩或增加土体密实度,均有利于减轻雨水渗入路基,从而预防和减少路基水毁病害.     

降雨入渗对浅埋黄土隧道稳定性的影响

为了研究降雨入渗作用下黄土力学性质劣化对浅埋黄土隧道稳定性的影响,对隧道围岩中的黄土进行了不同含水率和不同围压的剪切、等压三轴试验,结果表明,含水率对黄土力学性质和破坏形态有较大影响。根据试验结果建立了黄土不同含水率的塑性本构关系,对比了计算结果和试验结果,证明了该本构关系能较好地描述黄土的应力-应变规律。对不同降雨强度、不同深度的黄土在雨水入渗影响下的含水率分布规律进行分析,并在数值模拟软件中调用建立的不同含水率的黄土塑性本构关系,计算不同降雨强度下隧道结构的受力和变形,结果表明：考虑降雨入渗后隧道结构变形和受力增加明显,其中,拱顶沉降增幅达到46%,隧道初期支护应力增加20%~27%。将浅埋黄土隧道结构变形监测数据与数值模拟结果对比,验证了黄土本构关系的正确性,所模拟的降雨入渗对隧道结构稳定性的影响符合实际工程。     

降雨入渗作用下土壤含水量时空变化研究

降雨通过土壤汇集雨水并储藏、滤渗可以补充地下水,减少径流污染,还可以减少洪涝隐患.通过实验和模拟计算的手段研究不同汇水入渗条件下的土壤含水量变化.在饱和—非饱和入渗理论基础上,建立土壤入渗方向上的一维非稳态降雨入渗模型并通过既有的恒流入渗土柱实验对所编写的计算程序进行验证.结果表明,理论模型较好地反映了降雨入渗的动态过程.     

重金属在土壤-地下水中的迁移模型研究——以山西、陕西黄土高原塬区为例

随着工业的发展,我国地下水重金属污染问题逐渐突出.以山西、陕西黄土高原塬区为研究对象,通过分析影响重金属污染物在黄土迁移中的各个因素,构建黄土高原塬区重金属迁移的概念模型.通过降雨入渗Kostiakov三参数入渗经验模型、重金属在土壤非饱和带迁移的一维对流-弥散方程以及重金属进入地下潜水的稀释模型的耦合,重点考虑黄土高原地区降雨条件下,重金属随降雨入渗水分的下渗迁移.将该模型与前人研究的饱和-非饱和带迁移模型进行对比分析,利用MATLAB软件进行编程对该模型模拟验证.结果表明,该模型具有普适性,可以利用该模型预测土壤风险值,为常规评估与高层次风险预测提供一定的理论支撑.     

改性木屑对初期雨水径流污染控制的性能研究

城市绿地系统在储蓄雨水的同时净化水质,可以达到径流滞纳消峰和面源污染削减的双重功效,是目前国内海绵城市建设的重要内容之一.本文基于西安市城区屋面和路面降雨径流污染特征监测分析,利用改性木屑与土壤形成的复合基质来改良绿地系统,在提升绿地基层持水性能的同时强化其对初期雨水污染物的截留与消减.结果显示,屋面及道路前30min径流中COD、SS、TN浓度的衰减速度最大,后期污染物浓度稳定;与屋面比较,城市道路初期雨水污染物浓度较高,初期雨水含有污染物浓度占到整场降雨的65%以上;复合基质的持水量比原状土壤提高50%,复合基质对径流雨水中主要污染物有较好去除效果,去除率稳定在60%以上.研究表明采用改性木屑构造的复合基质作为绿地基层,对初期雨水径流有较好蓄存和净化效果.     

济南城区不同下垫面雨水径流水质变化规律研究

了解径流水质变化规律是控制与治理径流污染实现雨水资源化的前提和基础.通过对济南城区不同下垫面多次降雨事件不同降雨历时的雨水径流进行采样并检测,分析了济南雨水径流的水质特性、雨水径流冲刷规律及其主要影响因素.试验结果表明:不同下垫面雨水径流水质差异大,初期径流中污染物质含量高,随降 雨历时的延长径流中污染物浓度迅速降低,径流水质受局部环境影响明显,SS与CODCr 、TP、TN等污染指标具有较好的正相关性等特性,并模拟得出济南不同下垫面径流污染物浓度变化模型,分析了初始径流中的污染物浓度、综合冲刷系数K等影响冲刷规律的主要因素,提出了雨水水质控制与利用的建议.     

降雨条件下不同土质非饱和路基边坡响应特性

通过对我国西部2种典型非饱和路基边坡实施现场人工降雨的监测结果表明,随着各次降雨的依次进行,非饱和路基边坡初始含水量逐渐增大,入渗率逐渐减小;非饱和黄土路基边坡的初始含水量状态对应着一个临界降雨量,只有降雨量超过该临界值,边坡才有可能产生径流。降雨强度越大,从降雨开始到径流产生所需的间隔时间越短;非饱和黄土路基边坡的吸力值远大于非饱和土石混合土路基边坡。在试验条件下,压实黄土路基边坡的降雨入渗影响深度在0.3~0.6 m之间,而土石混合土路基边坡降雨入渗影响深度在2.4 m以上。     

城市绿地对雨水径流污染物的削减作用

为探究城市绿地调控城市降雨地表径流污染的有效性和可行性,采用室内土柱模拟试验,研究植被覆盖、径流污染物浓度、土壤层深度、地下水、水力负荷与停留时间对城市绿地削减污染物的影响。结果表明,在低、中和高3种雨水径流污染物浓度水平(CODCR为68、137、550 mg/L;TN是3.01、7.51、30.06 mg/L;TP为0.29、0.69、2.73mg/L;NH4+是0.44、1.61、2.19mg/L),水力负荷为3.5、3.0、2.5cm/h,持续进水1h条件下,城市绿地具有良好且稳定的污染削减能力,对CODCR、TN、TP、NH4+的平均削减率分别达到41.52%、78.96%、84.68%,50.21%、70.23%、60.91%,73.18%、95.88%、94.99%,62.72%、55.16%、69.98%。受土壤复氧能力和水力停留时间的限制,绿地覆盖对污染物CODCR与TN削减率的影响不明显。城市绿地污染削减率随着降雨地表径流污染物浓度的升高而呈现逐渐增加的趋势。城市绿地对雨水地表径流污染削减作用主要发生在深度35～65cm土层内。城市绿地对低、中和高污染浓度水平各污染物削减率随着水力负荷的增加而降低。     

北京东南城区雨水化学特征与化学稳定性分析

为了给北京市城区雨水利用提供基础数据.基于近几年北京东南城区17场典型的自然降雨和不同下垫面径流雨水水质检测结果,分析了雨水的水质特性及其化学稳定性.研究结果表明,北京东南城区自然降雨和地表径流雨水水质为重碳酸盐钙组Ⅰ型;雨水水质已经受到一定程度的污染,主要污染物为有机物和含氮化合物;雨水的pH值与雨水中碱性粒子浓度呈显著的正相关性;水的稳定性主要受CaCO_3溶解沉淀过程控制,除机动车道径流雨水为沉积性水质外,自然降雨和其他地表径流雨水多呈侵蚀性.因此,在城区雨水利用过程中应注意雨水水质污染和工程设施侵蚀的问题.     

不同结构透水路面对雨水径流污染物的削减作用

选取三种不同透水路面,利用天然雨水进行模拟降雨实验,分析研究了其对雨水径流污染物的消减情况。当降雨强度为1．71mm／min和0．70mm／min,降雨历时分别为60min和20min时,对实验数据进行分析．分析表明：透水路面对雨水径流污染物的削减效果与透水路面结构、降雨强度、降雨历时、雨水径流水质有关,且透水砖和透水草皮砖路面对雨水径流污染物的消减效果最好;当降雨强度小时,三种透水路面对雨水径流污染物的削减效果较好．     

黄土路基边坡降雨响应的试验研究

为了研究降雨入渗对黄土路基边坡孔隙水压力（吸力）、含水量、变形等的影响,选取甘肃平-定高速公路上某段9 m高的填方路基边坡进行了4场人工降雨模拟试验并持续现场监测一个月。监测结果表明：人工降雨模拟引起浅层土体（1m以上）吸力明显下降和含水量增大,致使土体有效应力减小,抗剪强度降低;另外雨水冲刷引起坡面冲沟发育,导致雨水入渗增大和土体强度的进一步衰减。压实度最小的坡脚处降雨引起的湿陷变形最大。在持续降雨的条件下,湿陷变形的发展会导致坡底的沉陷,最后发展为滑坍破坏。从减少雨水入渗,减小土体的强度损失以及控制湿陷变形等方面综合考虑,提高黄土路基边坡的压实度对防止降雨导致的边坡失稳具有重要意义。     

基于守恒稳定格式的二维坡面降雨动力波洪水模型

基于结构网格,采用有限体积法建立二维动力波洪水模型,用于模拟坡面地形条件下降雨洪水的运动规律.该模型在连续方程的源项中分别添加了降雨项和下渗项,其中土壤的下渗强度采用Green-Ampt入渗模型来计算.该模型采用中心迎风格式计算界面通量,并通过对界面两侧变量的线性重构,使得该模型具有空间上的二阶精度.为了保证模型的稳定性,采用半隐式的方法对底床摩擦项进行离散,同时利用中心差分方法对底床坡度项进行离散来保证数值格式的和谐性.对于坡面降雨洪水的模拟,负水深的产生是影响模型稳定的关键因素.本模型在库朗特数小于0.25时,能够保证任何时刻的计算水深都是非负的,而无须在计算过程中采用重新分配水深的方法来处理负水深,因此,相比于现有的大部分模型,该模型具有更强的鲁棒性和稳定性.采用该模型分别对2个非规则坡面地形条件下降雨产流实验进行模拟,计算结果与实测值吻合较好,表明该模型能够较准确地模拟复杂地形条件下坡面降雨洪水的运动规律以及土壤的下渗特性.     

黄土坡面退水及其氮污染试验研究

坡面退水及其污染物负荷是研究坡地水文过程和污染物迁移机理的重要组成部分.通过室内模拟降雨试验,分析了黄土坡面退水情况及降雨因素、地形地貌和农业管理措施对退水的影响,同时从降雨-径流-土壤相互作用角度探讨了退水矿质氮的浓度和负荷量.结果表明:①黄土坡面退水以地表径流为主,退水时间、退水量和退水强度远小于降雨期地表产流;②降雨强度、地表覆盖(牧草和秸秆覆盖)和地形地貌(坡度和坡长)对坡面退水影响较大,降雨期和退水期的产流强度均与雨强呈对数增加趋势;③降雨停止后,坡面径流的流速减小,与土壤相互作用时间较长,致使退水矿质氮浓度普遍高于降雨结束时径流矿质氮浓度,坡长越长越明显;④坡面退水矿质氮流失以NO3--N为主,NH4 -N流失量较低.     

降雨条件下含有球状微塑料的非饱和黄绵土入渗特性研究

为研究降雨条件下含有不同含量、不同粒径的球状微塑料黄绵土的非饱和入渗特性,开发了一套模拟降雨条件下土柱垂直入渗模型试验研究装置,对含有微塑料的非饱和黄绵土进行了七组降雨入渗试验。结果表明:(1)在降雨强度为20 mm/h、微塑料粒径为5 μm时,微塑料含量为0.05%时促进雨水入渗,其他微塑料含量阻滞雨水入渗,且随着微塑料含量的增加,积水点和饱和点出现的时刻越早。(2)在降雨强度为20 mm/h,微塑料含量为0.25%时,微塑料粒径为3 μm时显著促进雨水入渗,整个试验阶段不产生积水,微塑料粒径为5 μm和8 μm时产生较多积水,阻滞雨水入渗。(3)微塑料的疏水作用显著影响雨水入渗过程,但是其对峰值含水率的影响较微弱,峰值含水率随着微塑料含量的增加而逐渐减小,随着微塑料粒径的增大而逐渐增大。     

不同下垫面径流污染物冲刷规律研究

通过人工降雨模型研究玻璃面、水泥面和道路砖3种下垫面冲刷规律,利用得到的冲刷模型对下垫面径流污染物冲刷进行了模拟.结果表明:冲刷模型对污染物径流冲刷模拟效果较好,对溶解性污染物和非溶解性污染物模拟的相关系数均值在0.90和0.80以上,水泥面上模拟的误差标准差值分别为6.16和14.04.3种下垫面溶解性污染物的冲刷系数分别为0.332 mm-1、0.088 mm-1、0.173 mm-1,非溶解性污染物的冲刷系数分别为0.098 mm-1、0.062mm-1、0.261mm-1.污染物降雨径流呈现出明显的初始冲刷,对于水泥路面上,控制30％的径流量即可控制84％的溶解性和60％的非溶解性污染物的排放量.对不同下垫面径流冲刷规律的研究为城市雨水径流污染控制提供理论基础和技术支撑.     

降雨入渗对边坡稳定的分析

运用饱和-非饱和渗流有限元法模拟降雨务件下饱和-非饱和土坡暂态渗流场的变化情况,分析了降雨强度、降雨持时以及土壤饱和渗透系数等参数对非饱和土坡基质吸力的影响。分析结果表明:雨水入渗引起土壤基质吸力的大量丧失;降雨强度对饱和渗透系数较大土坡的基质吸力变化的影响较小。