长三角地区填埋场ET封顶系统的性能评价

从ET(evapotranspiration,腾发)封顶系统工作机理出发,根据苏州市气象资料,首先用Penman公式计算ET封顶的潜在腾发量,然后依次求解植被截留量、土面蒸发量、植被蒸腾量和地表径流量,从而求得净入渗量;将净入渗量作为边界条件,选取典型参数分别建立单一土层型ET封顶和毛细阻滞型ET封顶的非饱和渗流模型,分析得到这两种封顶内的水分运移规律,并对其性能进行评价。分析结果表明,蒸发蒸腾对ET封顶中的水分运移起决定性作用,封顶中浅部土体含水率受降雨和腾发作用影响显著,而底部含水率不变化或变化很小,蓄水–释水循环主要发生在植被根系发育区。植被良好、根系深度50 cm的ET封顶系统累积透水量很小,在长三角地区气象条件下能满足设计要求,其中毛细阻滞型ET封顶的累积透水量小于单一土层型,这两种ET封顶减小降雨入渗的性能均优于传统压实黏土封顶。     

湿润气候区带膨润土垫ET封顶的性能分析

ET(evapotranspiration,腾发)封顶目前主要用于少雨地区的填埋场,本文考虑1500mm的年降雨量,分析一种加膨润土垫(GCL)的新型土工复合ET封顶在湿润地区的工作性能。建立渗流-腾发耦合模型,计算此新型ET封顶和典型单层土ET封顶的地表径流量、地表蒸发量、植被蒸腾量、最终透水量,对比分析两种ET封顶内的水分运移规律及其工作性能。结果表明:新型ET封顶产生的地表径流总量多于典型单层土ET封顶;新型ET封顶通过膨润土垫的低渗透性使上部土层能够储存更多的水分用于后期腾发,其腾发量大于典型单层土ET封顶,尤其是在降雨高峰期更为明显;在该地区,总厚度1.2m的典型单层土ET封顶并不能有效阻止水分渗透到填埋场中,而新型ET封顶能够满足设计要求。     

湿润气候区固废堆场封场土质覆盖层性状研究

固废堆场封场土质覆盖层由天然非胀缩土料组成,其造价及后期维护费用明显低于传统覆盖层,是填埋场封场覆盖的理想型式。采用基于非等温多孔介质中水热耦合运移控制方程的软件,考虑外界气候条件、地表蒸发作用、植被蒸腾作用,建立土质覆盖层–植被–大气相互作用数值模型,针对中国湿润气候区典型城市长期实测气象条件,系统分析了不同结构型式土质覆盖层的性状。分析结果表明,毛细阻滞型覆盖层可把水分阻滞在根系生长层,便于植被蒸腾作用的提取,其性能优于单一土层型覆盖层。土质覆盖层内水分的排出主要依靠植被蒸腾和地表蒸发,二者与植被特征相关,植被条件越好则腾发总量越大;根系生长区内的含水率变化幅度大于其它区域。在本文气候条件下,选择厚度为1.4 m的毛细阻滞型覆盖层并结合一定植被条件可防止产生深层渗漏。     

岩石边坡植被护坡系统的水分平衡及控制

 通过对植被护坡系统水分动态平衡的分析,提出岩石边坡植被护坡系统根层土壤贮水量的基本要求。采用现场降雨试验等方法研究岩石边坡植被护坡系统水分运移的规律,对影响植被护坡系统水分平衡的根层土壤初始贮水量、植被截留量、坡表径流量、边坡坡角、坡表蒸散量及根层土壤萎蔫贮水量等因子进行分析。试验结果表明：若客土配比合理,其渗透性能良好,客土能在较短的时间内获得较大的贮水量,客土中添加适量保水剂、泥炭可明显减缓客土层水分的蒸散,此外,客土中添加保水剂还可降低客土的萎蔫持水量,使客土层中更多的水分成为可供植物利用的有效水;覆盖良好的坡面植被对降雨的截留量不可忽视;为提高降雨的入渗量,须选择适宜的边坡坡角。研究成果可为岩石边坡植被护坡系统的水分平衡及控制提供依据。     

植被对土质覆盖层水分运移和存储影响试验研究

植被在土质覆盖层水分存储–释放环节中扮有重要的角色,对防渗能力有重要的影响。在填埋场现场建设了大尺寸黄土土质覆盖层试验基地(长×宽:30m×20m),在基地不同测试区种植了植被并进行了土质覆盖层现场降雨试验。实测验证了黄土土质覆盖层最大储水能力;分析了有植被条件下黄土土质覆盖层水分运移和渗透特性;对比了植被条件对覆盖层水分运移和储水能力的影响。结果表明:①有植被条件黄土土质覆盖层可用储水量理论值Sfac为278.32 mm,实测值Sf?ac为259.82 mm,实测值比理论值小18.50 mm(小6.65%);②植被种植增大了根系生长区的渗透系数,无植被条件饱和渗透系数ks为8.27×10-5 cm/s,有植被条件饱和渗透系数ks大于8.27×10-5 cm/s。无植被时水分首先在覆盖层浅部土层存储,随着降雨的继续逐渐下渗至深层土;有植被时水分在土层全断面存储;③须根系、初期植被条件对毛细阻滞覆盖层储水能力影响较小。有植被条件实测可用储水量Sf?ac为259.82 mm,无植被条件为251.95mm,前者仅比后者大7.87 mm(大3.12%)。有植被条件实测总储水量Sf?ac为381.90 mm,无植被条件为374.03 mm,前者比后者大7.87 mm(大2.10%)。有、无植被条件黄土土质覆盖层储水能力接近,一方面是由于须根植被根系深度分布较浅(0～50 cm);另一方面是由于植被生长时间短未能经历一个完整的生长周期对土体结构影响不显著。     

垃圾填埋场毛细阻滞型腾发封顶工作机理及性能分析

毛细阻滞型腾发封顶目前主要用于国外干旱、半干旱地区,在湿润气候区的研究很少。在杭州市露天构筑毛细阻滞型腾发封顶模型,量测18个月中降水、蒸发和植被蒸腾下土柱透水量、地表径流量和土体含水率,得到该封顶在不同季节的响应,分析了毛细阻滞作用机理及其性能,使用水量平衡模型(HELP)和土壤–植被–大气相互作用模型(VADOSE/W)对试验过程中的水量平衡进行模拟,探讨了数值模拟存在的问题。试验过程中,共降水2361 mm,产生地表径流88.4 mm,透水67.4 mm,其他降水均在土层吸持与腾发交替作用下最终返回大气,由于试验地区多雨期与植被腾发旺盛期重合,毛细阻滞型腾发封顶在该地区具有良好性能。由于毛细阻滞作用,使得上部黏土中存储了更多水分用于后期腾发,从而减少了透水量,当毛细阻滞界面附近土体的体积含水率超过临界含水率时毛细阻滞界面被击穿,击穿是连续强降雨作用的结果。HELP和VADOSE/W均高估了地表径流和透水量、低估了腾发量,因为VADOSE/W能考虑毛细阻滞的机理,所以大致上VADOSE/W的模拟结果比HELP更合理和准确。     

降雨强度对黄土边坡入渗性能影响的研究

降雨入渗使得非饱和土边坡内含水量增大,进而令土的抗剪强度降低,这是降雨诱发浅层边坡失稳的重要原因之一。通过有限元方法计算三种不同降雨强度下边坡内瞬态渗流场分析降雨入渗性能,数值计算结果表明：在历时3 h降雨以内,大于或等于土体饱和渗透性能的雨强条件下湿润锋深度相差不大,但饱和度明显不同;雨强越大,边界瞬时入渗量越大,稳定入渗量越大;在降雨期间,雨水不会以饱和入渗速度入渗,而是随时间呈非线性变化。     

降雨条件下膨胀土基坑边坡稳定性分析

应用非饱和土一维降雨入渗模型模拟膨胀土基坑边坡在降雨入渗条件下的水分运移规律。通过试验研究了合肥膨胀土抗剪强度随含水量变化的关系。在此基础上,研究了考虑降雨入渗影响的膨胀土基坑边坡稳定性问题。研究表明,随降雨历时的增加边坡的安全系数逐渐变小,边坡最危险滑动面有向浅层发展的趋势。对于膨胀土边坡的浅层滑动面,采用折线滑动面比圆弧滑动面更接近于实际情况。     

植被增加边坡降雨入渗对边坡稳定性影响研究

植被根系提高土壤渗透性和抗侵蚀性,植被盖度越大径流起始时间越长,植被提高边坡的入渗率和减少土壤流失相互促进,共同作用的结果是保持水土,所以植被增加边坡降雨入渗的作用是十分显著的.大多数植物的根系分布在浅层,根际区土壤储水能力强,由于植被对根际区下层土壤的渗透性影响不大,而且认为植被对降雨入渗对根际区土壤水分的影响明显,而对边坡根际区下层土壤水分影响不明显,植被增加边坡降雨入渗不影响边坡深层稳定性.     

垃圾填埋场腾发覆盖系统控制渗滤效果的研究

腾发覆盖垃圾填埋系统(ET Landfill)利用覆盖层土壤的储水能力及植被的腾发作用对进入覆盖层的降水进行调节,达到控制渗滤的目的.通过对不同覆盖层结构和植被组合的腾发覆盖系统的水均衡动态进行试验研究,探讨了不同组合条件下的土壤水分动态过程和渗滤控制效果.结果表明,相对于无植物覆盖系统,腾发覆盖系统能够有效地调节覆盖土层的储水量,减少垃圾填埋场的渗滤液.在有植物覆盖的各组试验中,种植灌木为主60 cm覆盖土层的渗滤控制效果最好,而完全种植草本植物40 cm覆盖层的控制效果最差.     

垃圾填埋场封顶系统的设计与水分平衡

为了解决传统压实黏土封顶系统在干旱及半干旱地区存在干燥开裂的问题,三种新型的ET(Evapotranspiration)封顶系统的设计方案被提出了。其中,一种ET封顶系统设计方案的结构由上下各1m厚的植物生长土层和阻隔土层构成,另外两种ET封顶系统分别在中间与底部增设了一层生物阻隔层。在考虑降水与蒸发蒸腾循环补给的条件下,建立了水汽在多层非饱和土壤中迁移的一维数学模型。以1976年大连市全年的降水与蒸发蒸腾强度为边界条件,模拟了水汽在四种封顶系统中的迁移规律。计算结果表明,在传统压实黏土封顶系统中,由于压实黏土层具有极低的渗透性,致使整层土壤不能得到有效的水分补给;ET封顶系统中整个土层可以在降水的过程中有效地从边界得到补给,同时在蒸发蒸腾的条件下,把土层中的储水释放;ET封顶系统设计方案2中设置的生物阻隔层,不仅可以防止生物对阻隔土壤层的破坏,而且起到了排水作用。     

南江红层地区缓倾角浅层土质滑坡降雨入渗深度与

2011年“9.16”特大暴雨诱发四川省南江县发生数以千计的缓倾角浅层土质滑坡,该类典型滑坡具有滑体厚度集中在1～5 m区域,且总是沿呈“光面”的基覆界面顺层滑动的特殊性。通过设计室内降雨入渗试验、建立G-A入渗模型及考虑大气对土坡的影响计算得大气影响深度,分析滑坡降雨入渗深度,研究滑体厚度分布成因;并根据非饱和土强度理论分析天然状态下及降雨条件下浸润峰分别位于土层中与基覆界面时的斜坡稳定性,研究滑坡沿基覆界面滑动成因。结果表明：南江县红黏土渗透性极低,短时间的强降雨下降雨入渗深度十分有限,一般仅入渗50 cm左右。研究区的大气影响深度为5.37 m,在该深度范围内,雨水易入渗,但随着深度的增加,土体风化程度逐渐减弱,土体孔隙比、渗透性逐渐降低,入渗逐渐困难,直至下覆基岩,降雨过程中雨水入渗深度是导致缓倾角浅层土质滑坡厚度主要集中在1～5 m的原因。在降雨条件下,当浸润峰深度小于土层厚度,潜在滑面位于浸润峰处时,斜坡保持稳定,当浸润峰深度等于土层厚度,潜在滑面位于基覆界面时,界面滞水,水位上升,孔压产生,同时界面岩土体发生软化和润滑作用,界面效应是导致滑坡沿基覆界面这一“光面”顺层滑动的主要原因。     

Modelling vadose zone moisture dynamics in shallow water table settings with the Integrated Hydrologic Model: field-scale testing and application

Reproducing the moisture retention behaviour of the vadose zone in shallow water table settings, especially for the near-surface water table aquifer of the Florida coastal plain, provides unique challenges for integrated hydrological models. A comprehensive distributed parameter model, the Integrated Hydrologic Model (IHM), is developed based on deterministic and physically based soil and vegetative properties. The theory and vertical behaviour of IHM is examined through comparisons with data collected at a study site in west-central Florida. The objectives of this exploration are to test a model of the vertical processes controlling water table behaviour, and to also investigate model parameter effects and offer recommendations for improvements and parameterization for regional model application. Rigorous testing is performed to better understand the robustness and/or the limitations of the methodology of the IHM for vadose zones. Simulation results indicate that IHM is capable of providing reasonable predictions of infiltration, depth to water table (DTWT) elevation response, evapotranspiration (ET) distributions from the upper, lower soil and water table while incorporating field-scale variability of soil and land cover properties.     

Link between DOC in near surface peat and stream water in an upland catchment

Hydrologic transport of dissolved organic carbon (DOC) from peat soils may differ to organo-mineral soils in how they responded to changes in flow, because of differences in soil profile and hydrology. In well-drained organo-mineral soils, low flow is through the lower mineral layer where DOC is absorbed and high flow is through the upper organic layer where DOC is produced. DOC concentrations in streams draining organo-mineral soils typically increase with flow. In saturated peat soils, both high and low flows are through an organic layer where DOC is produced. Therefore, DOC in stream water draining peat may not increase in response to changes in flow as there is no switch in flow path between a mineral and organic layer. To verify this, we conducted a high-resolution monitoring study of soil and stream water at an upland peat catchment in northern England. Our data showed a strong positive correlation between DOC concentrations at -1 and -5 cm depth and stream water, and weaker correlations between concentrations at -20 to -50 cm depth and stream water. Although near surface organic material appears to be the key source of stream water DOC in both peat and organo-mineral soils, we observed a negative correlation between stream flow and DOC concentrations instead of a positive correlation as DOC released from organic layers during low and high flow was diluted by rainfall. The differences in DOC transport processes between peat and organo-mineral soils have different implications for our understanding of long-term changes in DOC exports. While increased rainfall may cause an increase in DOC flux from peat due to an increase in water volume, it may cause a decrease in concentrations. This response is contrary to expected changes in DOC exports from organo-mineral soils, where increase rainfall is likely to result in an increase in flux and concentration.     

基于Mein-aLarson模型的非饱和锐利浸润锋模型

降雨入渗模型在渗流理论、地质灾害评价等方面具有重要的理论意义及工程应用价值。基于饱和入渗的Mein-Larson模型及李宁等学者提出的非饱和入渗模型,利用非饱和土的Van Genuchten水土特性及渗透系数模型,提出了简化的非饱和锐利浸润锋模型,用以分析均匀含水率土体及含水率随深度变化的土体,其含水率、浸润深度、吸力等随雨强、降雨持时的变化。通过3种模型在不同工况下与有限元模拟结果进行对比,验证了本文提出的模型能更好的描述黄土中的非饱和水分迁移。