粉煤灰水在土壤包气带中的垂直迁移规律

以太原二电厂阳坡沟粉煤灰场为例,建立灰水中污染物在土壤包气带的垂直迁移规律模型。通过数值计算可知,灰水污染物F-和As垂直入渗到达含水层中的浓度与包气带土壤渗透系数、吸附分配系数的关系均呈线性关系,灰水污染物F-到达含水层时的浓度与包气带土壤厚度的关系呈线性关系,污染物As的浓度与包气带土壤厚度的关系呈多项式曲线关系。     

包气带水分迁移离心模拟的可行性探讨

包气带水分运动是污染物运移及水、汽、热运动的主要驱动力,对于研究“四水”转换、地下水来源、水资源开发利用、生态保护及人类的生产生活都具有十分重要的意义。然而,能否将离心模拟应用于包气带水分迁移仍存在争议。通过建立离心场内一维包气带水分迁移的理论和数值模型,选用4套文献数据进行验证,探讨了将离心机用于包气带水分迁移的可行性。结果表明:①数值模型能够很好地重现文献中包气带水分迁移过程,与实验数据匹配较好;②分析物料守恒误差发现,当时间步长和空间步长取值都足够小时,数值模拟结果的质量能够保证为优秀;③离心模拟技术应用于包气带水分迁移是可行的;④离心模拟时加速度分布不均会导致模型底部的水分迁移滞后于原型,使用更高的离心加速度能够减轻这种现象。     

基于氯离子示踪法深厚包气带地区地下水补给特征

针对包气带增厚条件下降水入渗变化问题,在华北山前平原滹沱河冲洪积扇典型包气带增厚区实施地质钻孔,通过采样钻杆前端特制的内置环刀取样器,采用无循环液压入法获取原状土样,测试深厚包气剖面土体结构参数、含水量和氯离子质量浓度;利用氯离子示踪方法研究厚达45 m包气带的水分运移规律,重建深厚包气带地区降水补给历史,评价降水补给强度。结果表明：45 m包气带剖面记录的降水补给年龄为72.12 a,平均入渗补给强度为0.096 m/a,降水入渗补给量占多年平均降水量的18.1%。深厚包气带地区水分运移非常缓慢,水分在多次降水叠加驱动下不断形成新的脉冲逐步向深部运移,降水补给到地下水需要一个长期的过程。研究成果对深厚包气带地区土壤水分运移研究和降水入渗补给评价都具有重要借鉴意义。     

渭河漫滩饱和带垂向渗透系数研究

采用竖管法现场测定渭河漫滩饱和带渗透系数,为测定漫滩沉积物渗透系数提供一种更为简便的方法。分析渗透系数各排内的变化以及各排之间的差别。应用Matlab软件检验实验数据的统计分布规律,应用地质统计原理计算渗透系数的变异函数并分析其空间变异性。分析得出各排的渗透系数属于对数正态分布。结果表明:①78个采样点测定垂向渗透系数平均值为11.35m/d,沿河岸线方向渗透系数相近,与河岸线垂直方向渗透系数差异较大;②渭河漫滩饱和带垂向渗透系数具有较强的空间变异性。     

降水入渗补给过程的实验研究

根据河北保定冉庄实验站实测资料，描述了地下水深埋区降水入渗补给过程。通过1991年8m蒸渗仪实测资料，说明降水入渗过程中入渗锋面演变情况。地下水大埋深区包气带土壤含水量及降水入渗过程有以下3个特点：1包气带土壤含水量在垂向上具有分带的特点，从地表至1m为Ⅰ带，从地下水面至地下水面以上2m为Ⅲ带，介于Ⅰ带和Ⅲ带之间为Ⅱ带；2包气带土壤含水量具有季节性变化特征，包气带土壤含水量5月份最小，6～9月份较大：3降水入渗补给具有明显的滞后特征，从发生降水到该次降水对地下水入渗补给过程的结束，需要经历一个时程,包气带愈厚，时程愈长。     

降水补给地下水过程中包气带变化对入渗的影响

采用野外试验和室内试验方法，通过对不同降水量的入渗过程中岩土含水率和水势变化规律分析，发现入渗水流在包气带内下渗过程的岩土吸水、过水(即水分通量不变、且不等于零)和脱水的不同阶段，当岩土水势的梯度分别大于、等于和小于1cmH2O/cm(厘米水柱/厘米)时，岩土含水率分别表现为增加、稳定和减少。对包气带不同埋深的岩土含水率和水势变化特征分析表明，随着地下水位不断下降，包气带增厚对降水入渗补给地下水的影响程度和方式都发生改变。当包气带厚度小于潜水蒸发极限深度时，包气带的增厚使得岩土水分亏缺累积量增大，导致入渗速率和地下水获取的总入渗补给量减小；当包气带厚度大于潜水蒸发极限深度时，随着包气带厚度增大，入渗速率趋于稳定，无限时间内地下水获取的总入渗补给量不因包气带增厚而变化，但是有限时间内地下水获取的入渗补给量趋小。这是因为入渗途径的延长导致入渗所需时间增加，以至在有限时间内包气带内过剩的入渗水分尚未充分排出补给地下水。     

河床垂向渗透系数空间变异性的三维分析

河床垂向渗透系数的空间变异性对流域内河水与地下水转化机理研究具有重要意义。采用渗水仪法和竖管法共测定了玉龙喀什河河床垂向渗透系数25组,研究了河床深度方向、垂直于河流方向和河流沿程方向的河床垂向渗透系数空间变化特征,并分析了产生变异的影响因素,总结了河床垂向渗透系数变异性的维度效应,结果表明:玉龙喀什河河床垂向渗透系数的变异性受泥沙淤积作用、风积作用、河流沉积作用等诸多因素的影响,在不同维度下,河床沉积物变异性的主导因素不同,不能以单一因素判别河床沉积物渗透系数的变异性。     

湖区地层垂向渗透系数概率分布特征分析

为了确定某湖区湖水与地下水的交换水量,根据湖底地层渗透系数的野外现场测定值,用适线法和蒙特卡罗法对研究区地层垂向渗透系数的概率分布进行拟合,在此基础上,分析了渗透系数试验测定值的可靠性.结果表明:与正态分布和均匀分布相比较,湖底地层垂向渗透系数概率分布较接近对数正态分布;渗透系数超过测定均值的概率在30%以上.     

鲁北平原养鸡场周边包气带与地下水砷化合物分布规律

洛克沙胂(3-硝基-4-羟基苯胂酸)被广泛用作饲料添加剂,但大部分以原体形式随粪便排出,进入环境的洛克沙胂在微生物和光照作用下最终转化为毒性较大的As(V)和As(III)等,并在雨水或农灌的淋滤冲积下污染周边土壤、地表水和地下水。以鲁北平原某养鸡场为研究区,对鸡粪、饲料、周边表层土壤、鸡粪堆积和背景包气带垂向剖面以及地下水进行洛克沙胂及其代谢物的检测,结果饲料中洛克沙胂浓度为34mg/kg,鸡粪中HAPA(3-氨基-4-羟基苯胂酸)浓度为11 mg/kg,距离鸡场越近的表层土壤砷含量越高。三个包气带垂向剖面均以As(V)为主,As(III)含量较小。鸡粪堆积处垂向剖面上HAPA、As(V)和As(III)在土壤表层含量最高,浓度随深度增加而呈下降趋势,同时受到土壤岩性的影响,砷化合物主要的吸附层位为0~30cm与200cm以下;背景包气带垂向剖面上各砷化合物含量均明显低于鸡粪堆积处包气带垂向剖面的砷化合物含量;在鸡场内旧井中检测到浓度为165μg/kg的As(V)。结果证实鸡粪堆积导致土壤包气带、周边土壤和地下水砷含量增加,且这种污染很难消除。     

巴音河下游河床渗透系数空间变异性研究

河床垂向渗透系数是研究河流与地下水转化关系和转化强度的重要水文地质参数。选取柴达木盆地巴音河为研究对象,采用水头下降竖管试验法测定了巴音河下游细土平原带38组河床垂向渗透系数,利用传统统计学方法检验分析了其分布规律和空间变异性。结果表明,河床沉积物垂向渗透系数(Kv)在1. 77～15. 56 m/d之间变化,总体呈现正态分布,且沿流程逐渐变小。河中心沉积物的Kv值明显大于河两岸,但其变异系数小于两岸。沉积物的颗粒大小与分布是导致河床沉积物垂向渗透系数变异的关键因素,河流形态与交互带水文过程对河床沉积物Kv的影响也不容忽视。     

岩石节理非饱和渗流特性研究

根据岩石节理非饱和渗流试验所测定的节理排泄和吸湿过程，探讨了节理非饱和渗流机理，提出了基于节理概率分布的毛细压力与饱和度的解析模型以及节理非饱和水力传导度的理论表达式. 研究表明，单节理非饱和渗流特性与二维非均质多孔介质具有一定的相似性，本文提出的有关模型可作为确定岩石节理非饱和渗流参数的基本方法。     

各向异性渗流对堤坝稳定性的影响

在大多数边坡稳定分析中，对于浸润线下的水压力分布多按静水压力考虑，即假设水头等势线与浸润线垂直，水压力沿深度呈线性分布。本文使用条分法与有限元法，考虑非饱和区土体渗透性和抗剪强度，对水平渗透能力大于垂直渗透能力的土坝进行了渗流与稳定计算。计算结果表明：堤坝渗流的水平渗透性相对于垂直渗透性越高，浸润线越高，但水头等势线越倾斜，相应点处的孔隙水压力却会降低，从而导致稳定安全系数的升高。计算结果说明各向异性渗流是有利于边坡稳定的。当坝体渗流各向异性程度较大时，按照静水压力计算稳定，有可能导致错误的结果。     

煤矿开采导水裂隙带发育对潜水水位影响研究

为定量阐述采煤导水裂隙带发育对潜水含水层的影响,在分析采煤导水裂隙带发育形成机理的基础上,依据采煤导水裂隙带发育对潜水含水层的影响进行分类研究,按照对潜水水位影响的程度分为两类模式。基于这两种分类模式,以锦界矿区为研究对象,建立考虑导水裂隙带发育的地下水数值模拟模型,利用大量实测水位反演出导水裂隙带影响下各分区垂向渗透系数值变化序列,以此反映导水裂隙带发育对潜水含水层的影响。通过构建的地下水数值模型计算表明,在分类模式二条件下,由于导水裂隙带导通潜水关键隔水层构成垂向渗漏通道,隔水层垂向渗透系数显著增大,潜水水位形成大范围地下水降落漏斗。开采前10年最大降深值28 m,降深大于20 m的影响严重区域面积约为2.56 km~2,开采后20年,潜水位最大降深达到32 m。     

基于水—气二相流模型的土坡稳定性分析

为了研究孔隙气压力和负孔隙水压力在土坡稳定分析中所起的作用,基于多相流理论建立水-气二相流模型,利用此模型对稳定渗流情况和降雨情况下的土体边坡内水相和气相的渗流状态进行模拟,根据模拟得到的孔隙气压力和孔隙水压力值求出土坡安全系数。计算结果表明,土坡非饱和区负孔隙水压力的存在较大地提高了土坡稳定性,在稳定渗流情况下,孔隙气压力对土坡稳定的影响可忽略,在降雨情况下,非饱和区产生的孔隙气压力使得安全系数减小,滑动面与地下水位的距离越大,非饱和区的孔压对土坡稳定的影响越大。     

Sensitivity Analysis of a Physically Based Distributed Model

The objective of this study is to perform a sensitivity analysis of the SHETRAN model on the example of the torrential Lukovska River catchment in Serbia. The sensitivity analysis of the model was performed for the following parameters: the vertical saturated hydraulic conductivity of the subsurface soil, the horizontal saturated hydraulic conductivity in the saturated zone, the Strickler roughness coefficients for overland flow and for streams, the available water content in the soil and the erodibility coefficients due to rain and due to overland flow. It can be concluded that the water and sediment discharge are very sensitive to the values of the vertical saturated hydraulic conductivity of the subsurface soil in the range of 0.001 to 0.1 m/day; to the values of the horizontal saturated hydraulic conductivity in the saturated zone in the range of 0.01 to 5 m/day and to the values of the Strickler’s coefficients for overland flow and for rivers in the range of 0.1 to 100 m1/3s-1 and 15 to 40 m1/3s, respectively. The sediment concentrations in a flow and sediment discharge are very sensitive to the values of erodibility coefficient due to overland flow in the range of 0.5 to 1.5 mg/m2s and to the values of erodibility coefficient due to rain in the range between 0.1 and 40 J-1. The obtained results could be used to simplify the parameter calibration procedure and to facilitate estimation of parameters in ungauged mountainous basins of similar characteristics.     

渭河临潼段漫滩沉积物渗透系数分析

河漫滩沉积物渗透系数空间变异性特征对流域生态环境修复与保护具有重要意义。为研究河漫滩沉积物渗透系数空间变异性特征,采用双环试验法和竖管试验法,分别选取渭河临潼段内6个试验段合计6个非饱和试验点、138个饱和试验点渗透系数进行研究,并通过地统计学法进行分析,发现渭河漫滩非饱和带渗透系数和饱和带渗透系数分别介于1.30~6.08 m/d和0.002~1.763 m/d之间,结果表明:渭河临潼段漫滩沉积物非饱和渗透系数较大,饱和渗透系数较小;河漫滩饱和渗透系数沿河符合正态分布且变异性较强;河漫滩饱和渗透系数空间相关性较弱,但均具有空间自相关性。研究结果为渭河流域地表水和地下水转换关系研究提供了理论和数据支持。     

STOCHASTIC ANALYSIS OF UNSATURATED FLOW WITH THE NORMAL DISTRIBUTION OF SOIL HYDRAULIC CONDUCTIVITY

Stochastic approaches are useful to quantitatively describe transport behavior over large temporal and spatial scales while accounting for the influence of small-scale variabilities. Numerous solutions have been developed for unsatu-rated soil water flow based on the lognormal distribution of soil hydraulic conductivity. To our knowledge, no available stochastic solutions for unsaturated flow have been derived on the basis of the normal distribution of hydraulic conductivity. In this paper, stochastic solutions were developed for unsaturated flow by assuming the normal distribution of saturated hydraulic conductivity ( K,). Under the assumption that soil hydraulic properties are second-order stationary, analytical expressions for capillary tension head variance (σh2) and effective hydraulic conductivity (Kii*) in stratified soils were derived using the perturbation method. The dependence of σh2 and K," on soil variability and mean flow variables (the mean capillary tension head and its temporal and sp     

基于参数优化的非饱和尾矿砂渗流场解析解研究

为研究渗流稳定后非饱和尾矿砂含水率的空间分布规律,从而为更准确的尾矿坝安全评估提供基础性资料,首先从非饱和渗流的Richards方程出发,在对方程形式和求解区域简化之后,通过解析的方法得到了含水率空间分布公式,公式具有无穷级数的形式。然后通过自行设计的仪器进行了尾矿砂二维非饱和渗流试验,得到了含水率在水平和竖直方向上的分布规律。试验结果表明:在两个方向上含水率的分布都近似服从指数函数。最后在结合测量数据的基础上利用混沌粒子群优化算法(CPSO)编制程序算出求解方程过程中引入的常数,并利用所得模型计算了测量点处的含水率。通过对比发现含水率理论值与实测值较为相近。     

降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析

运用分形模型预测非饱和土的土水特征曲线与导水系数曲线,结合孔隙气体流动分析,模拟降雨入渗条件下的一维非饱和渗透过程。根据非饱和土抗剪强度的分形模型,导出降雨入渗下非饱和土边坡临界深度公式,并分析了影响边坡稳定性的因素。非饱和土的分维与进气值影响土体的水理性质。分维影响降雨的入渗速度与入渗深度,而进气值影响降雨入渗下土体吸力的变化曲线形态。非饱和土的饱和导水系数与降雨强度对边坡稳定性影响较大,在降雨强度远大于非饱和土的饱和导水系数时,孔隙气体在降雨入渗过程中将产生气压,对吸力产生影响。     

饱和-非饱和土中渗流Richards方程有限元算法

发展了一种求解理查森方程的一般有限元算法。该方法采用积分法处理孔隙水压力对时间的导数项,采用集中质量技术处理有限元方程中质量矩阵来保证数值稳定。所采用的质量守恒迭代方法不须改变迭代方式,采用一般的Picard迭代方法。该方法能求解入渗、地下水位瞬变和排水等范围广泛的饱和-非饱和渗流问题。对3个已公开发表具有详细试验数据的算例的模拟表明,该方法对入渗锋、稳定渗流地下水位和非稳定渗流溢出面都模拟很好。Picard迭代方法效率很高,且无数值振荡发生。