降雨作用下非饱和土边坡水力耦合过程分析

基于渗流理论、弹性理论及VG土-水特征曲线模型,建立了二维非饱和土渗流-变形耦合控制方程组。该控制方程突破了饱和时渗透系数是常数的局限,适用于任意初始条件和降雨条件的土坡稳定性分析。有限元软件COMSOL Multiphysics能根据已建好的非饱和土坡渗流-变形耦合模型开展分析。通过算例分析了非饱和土降雨入渗过程中渗流-变形的耦合效应,并探讨了考虑饱和渗透系数为变量情况以及不同的初始条件对渗流场和应力场的影响。结果表明:在非饱和土坡降雨入渗过程中渗流-变形的耦合效应是非常显著的,且与时间有关。对于湿陷性土,考虑耦合效应的压力水头变化总是慢于非耦合情况。饱和状态时渗透系数是应变的函数,其值的变化对非饱和土边坡渗流场有一定的影响,但对非饱和土边坡变形影响微弱。初始条件对渗流和变形的影响是非常大的。     

恒定水头井入渗Green-Ampt 模型的改进与验证

在假定恒定水头井入渗近似为以井内积水表面积为入渗面的一维入渗基础上,用湿润体内平均体积含水率增量代替Green-Ampt活塞模型中的饱和含水率与初始含水率差值。用入渗率和累积入渗量倒数的线性关系间接推求Green-Ampt模型中的参数,用湿润锋平均基质吸力和土壤饱和导水率。从而建立了适用于恒定水头井入渗的Green-Ampt模型。同时根据体积等效原理,定义了三维入渗中难以直接测定的概化湿润锋深度。经3种类型土壤的室内试验检验,表明该模型具有较好的精度,能精确地计算不同累积入渗量时的湿润体体积。     

夹砂层土壤水分入渗试验研究

针对土壤剖面多呈层状分布的特点,通过室内土柱实验,研究了不同粒径和层位的有砂层的+土壤水分入渗问题.结果表明,有砂层的土壤不同粒径的夹层和不同层位的砂层都会影响水分的入渗情况.以均质粘土为参照,在相同层位处,粒径越大的夹层砂,入渗越快,但入渗量越小;在相同粒径下,夹层越接近地面,入渗越快,入渗量越大.并验证了Green-Ampt和Kostiakov模型在土壤水分入渗中的应用,湿润峰到达夹层上层前入渗强度随时间越来越小,二者呈非线性关系;湿润峰到达夹层下层前入渗强度随时间的变化呈线性关系.     

变水头入渗条件下VG模型参数变化对土壤入渗的影响

为了探究变水头入渗条件下van Genuchten模型各参数对不同质地土壤入渗特性的影响,基于HYDRUS-1D模型,采用局部分析法对不同土壤质地不同输出变量下VG模型各参数的敏感性进行分析。结果表明:各参数对压力水头的影响均随土壤质地变细而减小,且同质地土壤各参数敏感性在降雨结束时达到最大,之后随时间增加而减小;同一参数的正负扰动对累积入渗量的影响程度基本相同;n、K_s、θ_s对压力水头和累积入渗量的影响较大;VG模型各参数对不同质地土壤湿润锋运移距离的影响差异较大,各参数敏感性大小排序为:θ_sK_sαnθ_r(砂壤土)、αθ_sK_sθ_rn(壤土)、nαθ_rθ_sK_s(黏壤土)。边界条件是VG模型参数敏感性的重要影响因素之一。因此在模型应用时,应注意边界条件的选择以及参数θ_s、α、n、K_s的准确性。     

基于Green-Ampt模型的变水头积水入渗模型建立及其参数求解

通过对变水头积水入渗物理机制的分析,将入渗水头对入渗的影响归结为对表面饱和导水率的影响,基于Green-Ampt入渗模型,引用了湿润区的平均含水率的概念,并考虑了湿润区平均含水率随入渗时间的变化,建立了具有物理意义的3种变水头积水入渗模型,分析了利用入渗率-累积入渗量及入渗率-真实湿润锋图形获得模型参数的求解方法。通过室内试验,得到了湿润区的平均含水率与入渗时间之间呈乘幂函数变化的规律。利用实测资料对模型及其参数求解的方法进行检验,结果表明所建立的3种模型是正确的,求解参数的方法合理。     

推求Gardner-Russo持水曲线模型参数的简单入渗法

本文基于水平一维非饱和土壤水分运动规律，推求了Gardner-Russo持水曲线模型参数，获得了水平一维非饱和土壤水分运动中累积入渗量、入渗率、湿润峰、入渗时间之间的理论关系。用模拟的结果进行拟合，其决定系数为 0.9969～0.9997。当获得土壤饱和体积含水率、初始体积含水率、残余体积含水率和土壤饱和导水率，基于这些理论关系实现了Gardner-Russo模型曲线特征参数的求解。利用数值模拟数据和实验数据检验该方法，将用此方法估计的参数值与理论值进行比较，并进行了模型中参数的敏感性分析，结果表明本研究所求得的参数有较高的精度，为土壤水分运动参数求解提供了一种简单的土壤水分瞬时入渗法。     

耕作后土壤水分入渗参数BP预报模型

根据黄土高原区耕作后土壤水分入渗资料所建立的基于Kostiakov三参数经验模型公式的BP神经网络预报模型,对土壤水分入渗参数进行预测。预测结果表明:利用土壤基本理化参数耕作层(0~20 cm)土壤含水率及其密度、砂粒含量、粉粒含量、有机质含量预报入渗模型参数具有可行性。入渗模型参数入渗指数α、入渗系数k的平均相对误差约为1%;稳渗率f_0的平均相对误差约为8%,在可接受范围内;90 min累计入渗量I_(90)的平均相对误差小于3%。模型整体预测精度较高,实现了利用土壤基本理化参数预报土壤水分入渗参数,可为黄土高原区耕作后土壤的灌水技术参数的确定提供理论与技术支撑。     

降雨条件下双层土坡的模型实验研究

针对降雨入渗非均质土坡的稳定问题,建立双层边坡模型进行人工降雨实验,对坡体进行含水率和孔隙水压力监测,得到了非均质土坡在降雨条件下含水率和孔隙水压力更真实的变化。基于模型实验结果的分析,得出变化规律如下:①坡体渗流趋于稳定时,含水率、孔隙水压力不仅和深度有关系,而且也与土体物理性质有关。这与均质土坡的渗流状态明显不同;②坡体含水率、孔隙水压力在降雨过程中,响应时间随深度增大而增大。雨后过程中,下层土体含水率、孔隙水压力降低速度大于上层;③相同雨强条件下,坡体含水率和孔隙水压力随降雨历时而不断增大。降雨强度越大,坡体的孔隙水压力和含水率响应时间越早,但在坡体浅表层这种时间效应不明显;④对于降雨过程中能达到稳定渗流状态的土坡,前期降雨量主要影响降雨过程中含水率和孔隙水压力的变化。研究成果为降雨入渗条件下非均质非饱和土边坡的稳定分析提供了依据。     

不同灌水处理对多砾石砂土膜下滴灌玉米 水分分布特征的影响

为探究不同灌水定额对多砾石砂土膜下滴灌玉米土壤水分分布的影响,采用大田小区对比的试验方法,分析30.0mm、37.5mm、45.0mm、52.5mm、60.0mm五种灌水定额对土壤水分分布的影响。结果表明:同一灌水处理条件下,土壤剖面含水率等值线分布形式的变化过程是"长轴在垂向的椭圆形-长轴在横向的椭圆形-单峰曲线"。灌水24h后土壤含水率达到一个相对的稳定状态,且土壤表面25cm内的含水率明显小于灌后0h土壤含水率;40cm深度处土壤含水率达到最大。不同灌水定额土壤含水率变化趋势一致,随灌水定额的增加含水率等值线图越接近于椭圆形;在垂直方向与水平方向土壤含水率增加幅度分别表现为:中部下部上部、左部中部右部;52.5mm灌水定额处理下不同深度的土壤含水率最接近田间持水率。试验分析认为在多砾石砂土地区52.5mm灌水定额处理是水分分布最优的灌水处理。     

竖向压力作用下重塑黄土土柱压缩湿陷及渗水试验研究

为了探讨竖向压力对兰州非饱和重塑黄土土柱压缩湿陷特性、入渗过程及土-水特征的影响,利用一维土柱渗透仪开展了不同竖向压力作用下非饱和重塑黄土土柱的常水头渗水试验,得到其压缩湿陷曲线,浸润峰、入渗量、体积含水量时程曲线与监测截面土-水特征曲线。研究结果表明:(1)土柱压缩性与湿陷性在试验压力下与常规试验皆有差异;尺寸效应不影响试验黄土结构强度,对其湿陷起始压力影响不大;(2)土柱增湿时浸润峰的前行速率随竖向压力的增大而逐渐减小;增湿过程中土柱在力与水作用下入渗能力变化导致入渗速率曲线有交叉现象,且竖向压力越大入渗速率变化范围越小;(3)竖向压力作用改变了渗水路径,从而影响了监测点体积含水率的变化;(4)竖向压力作用对土-水特征曲线的三个阶段均有影响,压力作用时土柱饱和度皆大于无压力作用,且随着压力增大饱和度逐步增大,当吸力趋于0时,土样未完全饱和。最后利用经典Van Genuchten模型对不同竖向压力下土-水特征曲线进行拟合,模型拟合效果较好。通过试验及分析,为兰州新区建设提供相关参考依据。     

基于不同优化算法的土壤水分特征曲线模型模拟性能分析

土壤水分特征曲线反映了包气带土壤孔隙中水分质量与能量之间的基本关系,同时也间接反映出土壤内部的孔隙情况。土壤水分特征曲线模型对实测土壤持水数据的拟合效果不仅取决于所选用的模型,还依赖于对拟合算法的选取。基于UNSODA 2.0数据库中世界各地实测土壤持水数据,采用多种高效拟合算法(遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法、差分演化算法)对4种应用广泛的土壤水分特征曲线模型(Brooks-Corey模型、van Genuchten模型、Kosugi模型、Biexponential模型)进行研究,旨在获取最适宜拟合土壤水分特征曲线的模型与拟合算法。结果表明:van Geunchten模型对较细和较粗质地土壤的实测持水数据拟合效果较好; Biexponential模型在中等质地土壤类型下的拟合效果较好;而Brooks-Corey模型拟合效果整体较差;粒子群算法与差分演化算法对土壤水分特征曲线的拟合效果最佳;模拟退火算法在运算效率上高于其他算法,当需处理的数据量较大时使用该算法可显著缩短运算时间。研究成果可以为农田水利、生态水文等研究中土壤水力参数的选取提供指导和参考。     

一种基于VG模型的变形土进气吸力值预测方法

土体进气吸力值是土-水特征曲线的重要参数,研究非饱和变形土体的水力及力学性质时,需要对其进行预测。结合Van Genuchten(VG)模型与压缩变形条件下土-水特征曲线变化规律,建立了变形土进气吸力值简便预测模型。为验证该模型的合理性,以湖南黏性土为例,采用压力板仪测量其土-水特征曲线试验数据,将不同初始孔隙比黏性土进气吸力值实测值与预测值进行对比。研究结果表明本文方法预测值与实测值吻合较好。此外,采用VG模型对已有非饱和相对渗透系数模型进行简化统一,并进行验证,证明了该方法的简便有效性。研究成果提供了一种理论预测变形土进气吸力值的新方案,为后续的相关研究提供了一种新方法。     

估计不同质地土壤水分特征曲线的分形方法

利用UNSODA V2.0数据库中的分析资料，根据Tyler和Wheatcraft提出的估计土壤水分特征曲线的分形方法，计算出了526个土样共10种不同质地土壤各自的平均分形维数，且分别与它们中的粉粒加粘粒含量以及Van Genuchten模型中的参数n值进行了回归，并把计算与实测的土壤水分特征曲线做了对比。结果表明，土壤的质地越细，分形维数越大；随着参数n值的增大，分形维数减小。对粗质的土壤来说，用Tyler和Wheatcraft方法估计的土壤水分特征曲线效果较好，而对细质地的土壤精度较差。     

A simplified dynamic method for field capacity estimation and its parameter analysis

This paper presents a simplified dynamic method based on the definition of field capacity. Two soil hydraulic characteristics models, the Brooks-Corey （BC） model and the van Genuchten （vG） model, and four soil data groups were used in this study. The relative drainage rate, which is a unique parameter and independent of the soil type in the simplified dynamic method, was analyzed using the pressure-based method with a matric potential of -1/3 bar and the flux-based method with a drainage flux of 0.005 cm/d. As a result, the relative drainage rate of the simplified dynamic method was determined to be 3% per day. This was verified by the similar field capacity results estimated with the three methods for most soils suitable for cultivating plants. In addition, the drainage time calculated with the simplified dynamic method was two to three days, which agrees with the classical definition of field capacity. We recommend the simplified dynamic method with a relative drainage rate of 3% per day due to its simple application and clearly physically-based concept.     

影响土壤水分入渗特性主要因素的试验研究

以大田土壤入渗试验为依据,分析讨论了影响大田土壤水分入渗特性的主要因素.试验结果表明:土壤含水量、土壤质地及土壤结构是土壤水分入渗特性的主导影响因素;土壤含水量、土壤质地及土壤结构对大田土壤入渗能力的影响十分明显;土壤累积入渗量随土壤含水量的增加而减小;以土壤粒径小于0.002 mm的黏粒质量百分数为反映土壤质地的物理量,土壤质地由轻变重,土壤入渗能力减小;土壤结构由疏松变密实,土壤入渗能力递减.研究结果对于地面灌溉合理灌水技术参数的确定及水资源合理利用具有重要价值.     

高原湖相沉积粉砂土土水特性

高原湖相沉积粉砂土是昆明滇池地区典型的软土之一。受其颗粒级配差、黏粒含量低等特点的影响,其持水能力较弱,基质吸力的变化较大,工程结构易破坏。为研究其土水特性,本文采用滤纸法对昆明滇池区域和成都平原岷江流域的粉砂土进行了土水特征曲线的对比试验。结果表明:两种粉砂土的基质吸力对数反比于体积含水率,土水特征曲线的变化趋势基本一致,且成都平原粉砂土的持水能力优于高原湖相沉积粉砂土;同时,选取Gardner和Van—Genchten模型对试验数据进行拟合,两种土壤的土水特征曲线利用两种模型均可较好的拟合,相比较而言,可以采用三参数的Gardner模型来拟合高原湖湘粉砂土的土水特征曲线。     

基于降雨入渗全过程的非饱和湿润峰模型

对降雨入渗过程进行研究有助于充分发挥土壤的蓄水能力,减缓城市管网的泄洪压力。为更真实地反映入渗过程中土壤的含水率分布情况,将降雨入渗过程进行分段,确定各阶段土壤含水率分布函数,提出了修正的非饱和湿润峰模型。同时,结合达西定律,引入土体非饱和参数,得到均匀土体在不同降雨强度下,土壤含水率、浸润深度和累计入渗量随时间变化的曲线。结果显示,入渗过程中土壤表层含水率和浸润深度随时间呈非线性变化。对于高强度降雨,当表层土壤饱和后,开始出现积水。累计入渗量最终取决于土壤的饱和渗透性质,降雨强度对其影响有限。分别将4种土质土体的计算结果与有限元法得到的结果进行对比,两者相对偏差均小于5%。     

温度对简化蒸发法测定土壤水分特征曲线和导水率曲线的影响

根据Schindler(1980)提出的简化蒸发法,在微型土柱的两个高度安装张力计测定土壤吸力,并采用称重法得到土壤含水率,通过公式再计算土壤水分特征曲线和导水率曲线。结果表明:温度的差异影响土壤水分特征曲线和导水率曲线。在砂土、砂壤土-1和砂壤土-2的水分特征曲线上,当吸力小于10 kPa时,同一吸力时25℃曲线的含水率均小于16℃曲线的含水率;当吸力大于10 kPa时,砂土和砂壤土-2在同一吸力时25℃曲线的含水率均大于16℃曲线的含水率,而砂壤土-1无此变化。在砂土、砂壤土-1和砂壤土-2的导水率曲线上,砂土在10kPa以下时25℃导水率值低于16℃导水率值,其他情况下,在同一吸力时,三种土样的25℃导水率值均高于16℃导水率值。