田间尺度下土壤水流非均匀运动特征的染色示踪研究

根据碘和淀粉的显色反应原理对土壤优先流进行了示踪研究,开展了入渗水量深度分别为 20mm、40mm、60mm和80mm的4组染色示踪试验。通过对垂直剖面流动模式的分析和对整个试验区域入渗深度分布的统计分析,研究了土壤水流运动的非均匀特征与入渗初始条件和边条件之间的关系。研究结果表明：(1)土壤水流运动在剖面内和剖面之间均表现出明显的变异特征;(2)土壤初始含水率升高对土壤优先流的发展有明显的抑制作用、降低了入渗在剖面内和剖面间的变异程度;(3)随着入渗水量的增大,土壤水入渗的非均匀程度非线性减小,但过多的增大入渗水量对提高入渗均匀度的作用有限;(4)互相关函数分析可成功地用来研究土壤水流入渗变异特征的方向性、比较入渗在剖面内和剖面间变异程度的大小以及确定入渗区域中土壤优先流的可能最大宽度。     

采用小波包熵度量入渗水量和试验尺度对土壤水运移非均匀特性的影响

土壤优先流是降雨和灌溉水在土壤中常见的运动形式,但如何准确描述土壤优先流的非均匀特征一直都是土壤水文学界的研究难点和热点。采用小波包熵(Shannon信息熵和log能量熵)对不同入渗水量和不同试验尺度条件下观测到的优先流运动进行了度量和分析,并将研究结果与采用基质熵和分形特征参数等度量的分析结果进行了比较。研究结果表明:①小波包熵可成功度量优先流的非均匀特征;②土壤优先流的非均匀特征随入渗水量的增大先增大后减少;③在研究尺度范围内,随着试验尺度的增大,土壤优先流运动的非均匀程度增加。     

多孔介质中非均匀流动模式示踪试验与弥散限制聚合分形模拟的应用

通过田间试验研究探讨了土壤水非均匀流动特性及其描述方法。采用染色示踪剂观察了土壤水非均匀流动模式，并采用功率谱分析方法探讨了流动的尺度特性。应用弥 散聚合限制模型(DLA)模拟非均匀流动模式。研究结果表明常耕地和废弃地条件下的非均匀流动的流动模式、染色比例、含水率变化量以及溶液浓度随深度的变化规律明显不同。功率谱分析表明，非均匀流动具有尺度相似性。弥散聚合限制模型中，粒子通过随机移动生成分形结构体，通过改变移动概率和进行结构分层使模型产生的流动形状与实际流动模式一致，说明DLA模型能较好的模拟非均匀流动，同时表明土壤非均匀流动具有分形特征。     

基于随机水流网络的土壤水非均匀运动数值模拟

用显色示踪方法通过试验研究了黏土的非均匀流动模式,建立了离散网络模型,根据土体的统计特征描述相互作用的大孔隙和流动通道,构建水流运动的网络系统与小孔隙连续介质的耦合模型。用控制体积有限元法求解两区土壤水分运动的基本方程,采用整体法将土壤基质水流运动方程和不规则水流网络区水流运动方程耦合,解决了网络通道交叉引起的水流相互影响的问题,提高了计算效率。模拟与实验结果对比表明,离散网格模型及方法较好地描述出了优先流运动的特点,比等效连续体模型更为有效的刻画了土壤水流非均性规律。     

土壤非均匀水流运动与溶质运移的两区-两阶段模型

根据优先流发展过程中所表现出来的阶段性特征和分形特征,建立了描述非均匀土壤水流运动和溶质运移过程的两区-两阶段模型。模型认为,研究区域可划分为水流经过的活动流场(即优先流流场)和水流绕过的不活动流场两个区域;优先流流场在发展过程中将先后经历流场扩张和保持两个阶段;处于扩张阶段的优先流流场,其内部土壤水流运动的快速非平衡特征明显,并表现出明显的分形特征;处于保持阶段的优先流流场,其内部的土壤水流运动类似于基质流运动,无明显的分形特征。通过在砂土、壤土和黏土条件下开展的6个示踪试验,检验和评价两区-两阶段模型、活动流场模型和两区模型模拟预测非均匀土壤水流运动和溶质运移的有效性。研究结果表明,两区-两阶段模型可较好地描述各种土质条件下的优先流运动;活动流场模型对壤土和黏土条件下的优先流运动预测精度较好,而对砂土条件下的优先流预测精度较差;两区模型对各种土质条件下的优先流运动预测精度均较差。     

灌溉水中盐分对土壤结构性质及水流运动特征的影响

再生水和微咸水等用于农田灌溉对缓解农业用水紧缺、保证粮食稳产高产方面作用显著。但这些非常规灌溉水中的盐分进入受灌农田土壤会引起土壤结构性质的改变,进而引起入渗水流运动特征的变化,增大了农业灌水和施肥的管理难度及地下水受污染的风险。本文通过室内灌水入渗试验,研究了灌溉水盐分浓度(0、1.0、3.0和5.0 g/L)、灌水频率(1天1次、2天1次、4天1次)、含盐灌溉水-清水交替灌溉模式(纯清水灌溉、纯含盐灌溉水灌溉、含盐灌溉水-清水交替灌溉)对受灌土壤容重、团聚体结构稳定性、孔隙结构特征、地表入渗性能以及入渗水流运动非均匀特征的影响。结果表明,适度的盐分浓度、较低的灌水频率但较大的灌水定额、含盐灌溉水-清水交替灌溉均有利于提升土壤团聚体的稳定性、抑制土壤板结、改善受灌土壤的地表入渗性能、降低入渗水流运动的非均匀性。研究成果对再生水和微咸水农田灌溉制度设计具有参考价值。     

考虑空气阻力作用的分层土壤降雨入渗模型

基于室内试验资料,建立了非稳定降雨条件下考虑空气阻力作用的Green-Ampt模型(Modified Green-Ampt Model,MGAM),其包括非稳定降雨条件下土壤积水入渗过程和非积水入渗过程、湿润锋运移过程、积水入渗状态和非积水入渗状态相互转化过程。为了量化空气阻力作用影响程度,引入了饱和度系数Sa,并提出饱和度系数计算方法。同时应用MGAM和传统的Green-Ampt模型(Tranditional Green-Ampt Model,TGAM)模拟了径流强度、土壤累计入渗量和土壤剖面含水量,并和实测值进行了对比分析。结果表明:MGAM模型模拟的土壤累计入渗量、土壤含水量和径流强度均与实测结果吻合良好,而TGAM模型模拟土壤累计入渗量、剖面含水量均大于实测值,而径流强度小于实测值。     

多孔介质中非均匀流活动性流场模型本构关系研究

本文在土壤染色示踪试验的基础上,对多孔介质活动性流场模型的本构关系进行了分析.在此基础上讨论了流动非均匀性和本构关系参数之间的关系.研究表明:土壤剖面不同深度和宽度处的染色比例值都增大时,活动性流场模型本构关系中的分形参数值减小;本构关系参数值和水流最大入渗深度与50%面积染色深度的比值及土壤剖面宽度处染色比例的最大值与最小值的比值均成正相关关系.此外,本文还利用黏土中的染色示踪试验数据分析了活动性流场模型本构关系参数的取值.     

非均匀沙分组起动规律的研究

本文在分析了非均匀沙起动情况后，采用输沙率法和分组相对输沙率法判别非均匀沙起动如果用其平均粒径d。来表示非均匀沙，则起动切应力和相同粒径的均匀沙近似，分组起动情况小颗粒由于受大颗粒的隐蔽作用鞍同等粒径的均匀沙需要较强的水流条件．相反大颗粒由于受暴露的影响比相同粒径的均匀沙容易起动．各粒径组的起动切应力可用公式(11)求出，     

改进的水动力参数模型在非饱和土壤溶质运移问题中的应用

传统水分和溶质运移参数模型(导水率、扩散率和水动力弥散系数)只是含水率的函数,难以反映土壤初始含盐量以及溶液浓度对含水率和溶质入渗透性的影响。该文对传统以含水率为变量的水动力参数模型进行改进(引入反映浓度的参数α、β和γ),并通过室内不同初始含盐量(2、4、6、8和10g.kg-1)清水淋洗试验和不同浓度氯化钠溶液(0、15、25、50和100g.L-1)入渗试验对模型进行验证。试验表明土壤初始含盐量和入渗溶液浓度越大,相同入渗时间湿润锋和累积入渗量越小。数值模拟表明:(1)含水率和溶质浓度的实测值与计算值吻合较好,改进后的模型较传统模型精度提高了6.31%;(2)参数α、β和γ越大,相同位置含水率和溶质浓度越大,相同时间湿润锋运移距离越大。参数敏感性分析表明,参数α、β和γ对扩散率、导水率及水动力弥散系数的敏感度不受含水率的影响,但随着浓度的增大而增大。     

土体初始饱和度对降雨入渗的影响

基于水、气两相流理论,采用有限单元法计算了壤土在不同饱和度下的降雨入渗过程,以研究初始饱和度变化对降雨入渗的影响。数值模拟结果表明:降雨入渗初期孔隙气压会逐渐增大,入渗强度会因孔隙气的顶托作用逐渐减小并最终趋于稳定。稳定后的降雨入渗强度主要取决于土体基质吸力和渗透特性,与土体初始饱和度大小直接相关;入渗强度存在最大、最小值,最大值通常会出现在初始饱和度为0或1时,而最小值所对应的饱和度与土体非饱和特性有关;受土体基质吸力和水、气渗透性的双重影响,入渗强度会先随饱和度的增大而逐渐减小,当降至最小值后,入渗强度又会随饱和度的增大而增大。根据计算结果,提出了一个可计算相对稳定入渗强度的公式。     

A Water Budget Model for the Yun-Lin Plain,Taiwan

A water budget model is proposed to estimate the infiltration, runoff, evapotranspiration and recharge in vadose zone and apply to a case study. The instantaneous redistribution of infiltrated water is assumed to be uniform and a linear relationship between evapotranspiration and effective saturation is imposed. Infiltration is described by Philip's solution in conjunction with the time compression approximation method during rainfall. Runoff occurred when rainfall rate exceeds soil-infiltrating rate. The soil profile drainage was determined by evapotranspiration and recharge. Cumulative infiltration, runoff, evapotranspiration and recharge are estimated with different climate conditions and different soil hydraulic properties during simulating period. Analysis shows that initial effective saturation affects the estimated results in this water budget model in the short or mid-term simulations while not in long-term simulations. The climatic conditions of Yun-Lin plain area, Taiwan from 1991 to 1997 are used by referring to hydrological and hydrogeological parameters to provide the computational procedures of this study for estimating recharge. Results showed that the amount of annual recharge was affected by the amount of annual rainfall and soil properties.     

The Effect of Geological Heterogeneity and Groundwater Table Depth on the Hydraulic Performance of Stormwater Infiltration Facilities

Urbanization has led to a substantial change in the hydrological cycle of urban catchments. Increased runoff and urban flooding, decreased direct subsurface infiltration and groundwater recharge, deterioration of water quality are among the major effects of this alteration. To alleviate these effects, Low Impact Development (LID) practices have been frequently adopted for stormwater management. Among LID infrastructures, infiltration facilities are particularly challenging to design and model due to the considerable amount of uncertainties related to the hydrogeological configuration of installation sites. To date, analysis on how soil heterogeneity, groundwater table depth, and thickness of the unsaturated zone affect the hydraulic performance of infiltration facilities are lacking. To address this knowledge gap, a series of numerical experiments under transient variably water saturated conditions were performed for a hypothetical infiltration facility. Numerical simulations showed that i) infiltration rates increase considerably as the initial depth of the groundwater table increases, ii) the contribution of the bottom of the facility to the infiltration of water is generally higher than the sides, iii) the presence of a less conducting soil layer at a short depth from the bottom of the facility reduces infiltration rates dramatically, iv) the complete clogging of the bottom of the facility has a dramatic impact on the hydraulic performance, v) the stochastic heterogeneity of the soil controls the overall stormwater infiltration process through the facility, and the hydraulic performance may largely deviate from the case when heterogeneity is absent.

     

土壤水分特征曲线模型对数值模拟非饱和渗流的影响

土壤水分特征曲线直接影响非饱和渗流场压力水头和含水率的预测结果。Brooks-Corey模型和van Genuchten模型是目前运用最广泛的土壤水分特征曲线模型。本文给定三种不同质地土壤(粘土、砂土和砾石)的BC模型参数,根据Morel提出的BC模型与VG模型等价的参数关系计算出VG模型参数。采用上述两模型分别对这三种土壤进行了均质土柱的入渗过程模拟。两种模型的计算结果有一定差别。三种土壤土柱的VG模型湿润锋推进速度都比BC模型大。由于粘土的初始含水率接近饱和,BC模型和VG模型的渗流场差距最大。粘土土柱上表面压力水头的变化幅度BC模型小于VG模型,而含水率的变化幅度BC模型大于VG模型。砂土和砾石土柱上表面压力水头和含水率的变化幅度都为BC模型大于VG模型。砂土土柱BC模型和VG模型的渗流场差距随入渗时间的持续而加剧。     

层状土入渗试验中指流发育的分形特征及入渗规律

土质结构差异较大的层状土入渗过程中易出现指流.为了了解层状土下层介质对指流发生发育的影响,以三种不同粒径的石英砂为下层介质和以砂壤土为上层介质进行了室内积水入渗的染色示踪试验.结果表明,下层介质粒径越大越易出现指流,且指流行进速度越快.指流发生后,入渗过程趋向于稳定,且下层土壤粒径越大,稳定入渗率与累积入渗量越小.采用湿润面积和湿润比描述指流发育的宏观特性,发现湿润面积和平均湿润比都随时间而增大,表明湿润锋趋于均匀.为定量研究层状土入渗中指流发育的分形特征,采用像素点覆盖法编制了计算染色示踪试验中分形维数发育的Matlab程序,对程序进行了验证并计算了四组试验指流发育的计盒维数.结果表明指流分布具有明显的分形特征,下层介质粒径越大计盒维数越小,且计盒维数随时间而增大.     

边界透气性对降雨入渗的影响

基于水气二相流理论,采用有限单元法计算了不同透气边界条件下的降雨入渗过程,探讨了边界透气性对稳定入渗强度、孔隙气压分布和饱和度分布等的影响。边界透气条件是渗流计算中的一个重要控制条件,传统计算多为定性研究,通过量化透气条件,分析边界透气性对降雨入渗的影响。结果表明:稳定入渗强度与边界透气性密切相关,边界透气性越小,稳定入渗强度受透气性影响越敏感,其敏感性随边界透气性增大逐渐降低,边界透气性对稳定入渗强度的影响呈对数关系。此外,边界透气性越小,降雨入渗过程中孔隙气压力越大,湿润锋推移速度越慢。     

不同矿化度微咸水对土壤入渗特征的影响研究

根据室内微咸水积水入渗土壤水盐运移模拟试验结果，分析了包括淡水在内的6种不同矿化度湿润锋、土壤含水量的变化特征。研究结果表明，微咸水入渗的湿润锋在相同的时间内运移深度更大，或者湿润锋运移到相同的深度时微咸水所用的时间更短。入渗水量与湿润锋呈线性关系，湿润土体的含水量由地表向下逐渐由饱和含水量减少至初始值，水分剖面变化由缓到陡。     

风积砂水分迁移试验研究

为了研究水分在风积砂中的迁移规律,以不同初始含水率、不同干密度的陕北风积砂为研究对象,在不损坏试样的前提下在试验室进行含水率的实时监测。分析了风积砂内部含水率、渗透强度的时空变化规律,得到了土水特征曲线,揭示了风积砂的水分迁移特征。研究表明:在等温条件下,基质势和重力势是风积砂中水分迁移的主要动力;同一干密度下、不同初始含水率的风积砂中由于基质吸力引起土体中水分迁移的湿润锋高度相同,补水量随着初始含水率的增大而减小,渗透强度随着初始含水率的增加呈现递减趋势;风积砂土水特征曲线的分布包含饱和段、过渡段和不变段,其中同一干密度土样的曲线的饱和段水分分布规律基本相同,过渡段内水分变化梯度存在较大差异,水分变化梯度随初始含水率的增大而逐渐减小;对于不同干密度的风积砂,在相同初始含水率下,补水量和渗透强度随干密度的增加而减小,毛细水上升高度随着干密度的增加而增大。