干湿交替对土壤磷素迁移转化影响的研究综述

土壤磷素的丰缺制约着生态系统初级生产力的生长状况。土壤的结构与理化性质长期受到干湿交替的周期性扰动,而干湿交替又显著影响着土壤磷素的迁移转化途径。系统总结了近年来国内外对干湿交替作用下土壤的水分含量、吸附特性以及微生物对土壤磷素迁移转化影响的研究及报道。研究成果表明:①不同水分条件改变了土壤空隙与传输通道,且不同程度地刺激了有机残体的矿化分解以及氧化还原强度,进而影响土壤磷素的迁移与形态转化;②干湿交替改变了土壤颗粒粒径、土壤吸附点位以及金属化合物形态,进而影响了土壤磷的吸附性能;③土壤微生物磷在干湿交替过程中成为土壤磷素的主要来源之一,微生物对干湿交替的不同响应影响着土壤磷素。并对今后的研究进行了展望。     

多孔介质中反复注入颗粒迁移特性试验

通过两种不同渗流速度的室内试验系列,采用在每个系列中分别向土柱中注入13次约392 mL颗粒悬浮液的方法,研究了注入次数和粒径对多孔介质中颗粒迁移特性的影响。结果表明,注入次数、颗粒粒径以及渗流速度对颗粒迁移特性有重要影响:在稳定速度的渗流作用下,注入颗粒的迁移特性曲线呈现类似于"正态分布"的规律,下降段持续时间大于上升段持续时间;渗流速度较小时,随着注入次数增加,颗粒浓度峰值逐渐增大;渗流速度较大时,颗粒浓度峰值几乎不随注入次数变化。中值粒径为3.40μm的颗粒随深度增加,沉积颗粒的质量比逐渐减小;中值粒径为5.10μm的颗粒在0.085 cm/s速度渗流作用后的沉积颗粒质量比要明显大于0.170 cm/s速度渗流作用后的沉积颗粒质量比。渗流速度较小时,颗粒粒径越大所受的重力越大,相应的运动速度也越大;渗流速度较大时,水动力是影响颗粒迁移速度的主要因素。粒径越大的颗粒所受的筛滤作用也越大,相应的沉积量也越多。     

不同浓度悬浮物颗粒在多孔介质中迁移特性研究

多孔介质中悬浮物迁移特性的研究,有利于减缓实际回灌工程中的堵塞问题,对地下水人工回灌技术的推广具有重要理论意义。采用室内砂柱试验,研究不同悬浮物浓度条件下多孔介质渗透性的变化、悬浮物颗粒在饱和多孔介质中的运移-沉积规律,并分析堵塞发生的机理。本次试验以中位粒径224.2μm的石英砂作为入渗介质并在砂柱中分别连续注入由中位粒径3.24μm的悬浮物颗粒配制而成的三组不同浓度溶液(100 mg·L~(-1)、300 mg·L~(-1)、500 mg·L~(-1))。研究结果表明,在不同的回灌浓度条件下,砂柱内均发生了表面-内部双重堵塞;且随着悬浮物溶液浓度的增加,悬浮颗粒在多孔介质内的迁移量减少,而滞留量却明显增多,但悬浮物浓度对沉积量的影响随着入渗深度的增加而减小;堵塞速率也会随着回灌液浓度的增加而加快;在回灌的初始阶段,多孔介质的渗透性随时间下降幅度很大,随着试验的进行,最终会趋于稳定状态,且越靠近砂柱表层,悬浮物堵塞的程度越为严重。在实际的人工回灌工程中,要尽可能降低回灌液中悬浮物颗粒的浓度,以降低堵塞的风险,保证回灌工程更为长久地运行。     

泥沙粒径对铜离子吸附贡献率的影响研究

含有重金属的工业废水排放到河道中,通过河道底泥的吸附作用,不断累积到底泥中,对环境和人类健康构成威胁。研究河涌底泥重金属吸附特性,对于解决重金属污染问题具有科学意义和现实价值。该文通过研究泥沙粒径对底泥吸附铜离子的影响规律,分析泥沙粒径对于铜离子的吸附量和吸附速率的影响特征。结果表明:在相同条件下,随着泥沙粒径的增大,泥沙对铜离子吸附速率的贡献率随之增大,粗颗粒泥沙的吸附速度要比细颗粒泥沙的迅速的多;而随着粒径的增大,泥沙对铜离子吸附量的贡献率随之减小,细颗粒泥沙的吸附量则远大于粗颗粒泥沙。     

干湿交替对河岸带环境效应的影响机制研究进展

从干湿交替对河岸带土壤物理特性、微生物活性及酶活性、植物生长及分布、氮磷迁移转化过程的影响4个方面阐述了干湿交替对河岸带环境效应的影响,认为有必要从微观机理、各影响因素的耦合机制以及数学模拟等方面进一步深入探讨河岸带环境效应对干湿交替的响应。     

地下水源热泵回灌过程颗粒迁移-脱离模型及堵塞区判定

开展多孔介质中悬浮颗粒的迁移-脱离过程研究对地下水回灌工程、注浆工程和石油工程等具有重要意义。以地下水源热泵工程为依托,提出了描述颗粒迁移-脱离过程的波浪状曲面模型,研究不同的粒径组合以及不同压力对多孔介质中颗粒迁移以及脱离特性的影响。在此基础上,采用Comsol对典型地下水源热泵工程进行模拟,揭示了不同粒径及压力分布条件下回灌堵塞区分布规律。结果表明:在相同颗粒粒径组合(相同临界速度)下,压力越大,可以脱离的悬浮颗粒的范围越大;在相同压力下,临界速度越大,可以脱离的悬浮颗粒的范围越小;其他条件相同时,位置离抽水井和回灌水井越近,压力越大,渗流速度越大,悬浮颗粒越容易脱离。     

粉煤灰干容重对动床模型试验的影响

为了保证模型冲淤相似并使动床模型试验结果具有较好的重复性,以郑州热电厂粉煤灰作为模型沙,从起动流速、冲刷率及坍落高度等方面分析了干容重对动床模型试验的影响。结果表明:①中值粒径为0.021 mm的细颗粒粉煤灰,水下固结时间对其起动流速有较大影响;中值粒径为0.056 mm的粉煤灰,水下固结时间对其起动流速影响很小;中值粒径0.106 mm的粗颗粒粉煤灰,起动流速已与水下固结时间无关。②粉煤灰冲刷率随冲刷时间的延长而逐渐减小;在同一进口条件和边界条件下,粉煤灰的冲刷率随干容重的增大而减小,但减小的幅度随干容重的增大而有所变缓;粉煤灰冲刷率随流量的增大而增大,但增大的幅度随流量的增大而有所变缓。③粉煤灰的沉积历时越长,临界坍落高度越大,而临界坍落高度增加的速率随暴露时间的延长而逐渐减小,临界坍落高度最终趋于一最大值;坍落稳定坡度随暴露时间的延长而增大,并逐渐趋于一最大值。     

NaCl对细颗 粒泥沙静水絮凝沉降动力学模式的影响

细颗粒泥沙的絮凝沉降对泥沙输移、土壤渗透性以及污染物迁移有重要作用. 在泥沙初始浓度为5g/L、10g/L、20g/L时, 作者用吸管法研究了不同浓度NaCl对细颗粒泥沙静水絮凝沉降的影响, 认为细颗粒泥沙相对浓度随时间的变化符合双曲线型动力学模式, 泥沙絮凝沉降越快, 研究发现泥沙中值沉速(中值粒径)随泥沙初始浓度和NaCl浓度的增大而增大, 但泥沙初始浓度和NaCl浓度较高时渐超缓慢; 细颗粒泥沙絮凝度与分散粒径呈幂函数关系, 细颗粒泥沙絮凝临界粒径为0.0245mm.     

三峡库区消落带土壤金属污染特征的研究进展

三峡库区蓄水后的生态环境问题受到人们和政府的高度重视,库区消落带是水库生态环境的重要组成部分。近年来,针对库区消落带土壤金属环境问题,国内外相关学者开展了大量的研究工作。基于近十年相关研究成果,本文对三峡库区消落带土壤金属含量、时空分布特征及生态环境风险进行了梳理、归纳和分析。结果表明,三峡库区消落带土壤金属含量总体呈现库区上游及下游较高,库区中游较低的空间格局,不同水位高程不同土壤层中各金属元素的分布特征存在一定差异。与蓄水前期相比,库区消落带土壤金属含量随干湿交替周期的增加呈现动态变化,且存在向江水中迁移的环境风险。由土壤环境质量评价结果可知,研究区域土壤总体上为二类土,处于轻度污染等级,存在轻微生态风险,主要风险元素为Cd,其次为As和Hg,但目前其含量并未影响人体生命健康。针对库区消落带的研究现状,本文提出今后相关研究的着眼方向,以期为三峡库区消落带土壤重金属污染防控及库区水生态环境保护提供参考。     

水泥潜入河道底泥对重金属锌阻截作用的研究

基于水泥随入渗污水潜入河床淤泥模拟试验,分析了水泥潜入对污水中重金属锌的阻截作用,揭示了污水所含重金属锌沿深度方向的变化特性。结果表明:水泥潜入河道淤泥可以有效阻截重金属锌在土壤中的纵向迁移;在一定范围内,土壤阻截重金属锌的作用随着水泥潜入量的增大而增大;在水泥潜入的条件下,重金属锌的表聚作用明显,即土壤阻截重金属锌的作用随深度的增大而减小。     

干湿循环作用对昔格达土体抗剪特性的影响

昔格达土体涉水填方土压力计算时需查明抗剪参数(如黏聚力与内摩擦角)受干湿循环作用的影响。通过真空饱和增湿及自然风干脱湿模拟干湿循环过程,基于固结慢剪试验得到湿化及干湿循环作用下昔格达土体剪应力-位移曲线,分析峰值剪应力、黏聚力及内摩擦角随干湿循环次数变化规律;采用平行粘结接触模型探讨了宏观与微观参数的联系,揭示了干湿循环作用对微观颗粒间粘结及摩擦特性影响的差异性。试验结果表明:湿化作用降低昔格达土体黏聚力及内摩擦角;随干湿循环次数增加,昔格达土体应力-位移曲线从应变硬化过渡至应变软化,峰值强度、黏聚力及内摩擦角均减小并趋于稳定;黏聚力以前3次循环降幅(55.42%)较大,内摩擦角以第2-第4次循环降幅(11.04%)较大,干湿循环对黏聚力影响显著大于对内摩擦角的影响,对内摩擦角的劣化效应存在滞后性。建议工程中可从微观颗粒间粘结作用的角度削弱干湿循环对昔格达土体力学特性的影响。研究结果可为昔格达土涉水工程安全提供参考。     

膨胀土细观结构变化及与声波波速的关系

采用CT技术和TH204型非金属超声波仪测试,探讨了干湿循环作用下膨胀土的细观结构及其平均纵波波速的变化规律,并运用损伤力学的研究方法定义基于CT数的损伤变量,据此建立了干湿循环作用引起的细观结构变化与平均纵波波速变化之间的关系。研究结果表明第1~4次干湿循环对膨胀土细观结构变化影响较大,内部微裂隙发育明显,第7~8次干湿循环对细观结构影响甚微;膨胀土的平均纵波波速随着循环次数的增加呈非线性衰减,并最终趋于稳定;随着干湿循环次数的增加,膨胀土损伤变量逐渐增加,其细观结构损伤演化是一种非线性累积过程;膨胀土平均纵波波速与基于CT数的损伤变量具有良好的指数衰减关系。     

干湿循环下膨胀土裂隙发育与导电特性

干湿循环引起膨胀土裂隙开展,进而对土体的土水特性产生重要影响。首先进行了不同干密度、含水率状态下均质无裂隙试样的导电性能试验,认为试样电导率与干密度、含水率呈线性关系,可采用多元线性函数进行拟合。用远距离光学显微镜观测了膨胀土裂隙发生发展过程,利用图像灰度熵评价裂隙形态,试验过程中同时测定了试样的含水率和电导率,获得了干湿循环下土体灰度熵-含水率-电导率的关系。结果表明:随着含水率的降低,灰度熵逐渐增大,电导率逐渐减小;含水率对电导率的贡献逐渐降低,裂隙对电导率的贡献逐渐增大。当失水到一定程度时,裂隙对电导率的贡献几乎不变,此时表明裂隙已开展稳定;浸水过程中,裂隙部分闭合,灰度熵减小,电导率增大。经历多次干湿循环的试样,灰度熵和电导率均有所降低,表明土体结构产生了不可逆的改变。     

干湿交替下开裂混凝土中水分传输的细观数值分析

对于海洋浪溅区或潮汐区的混凝土结构,水分主要以气相和液相两种形式存在于混凝土内部孔隙结构中。基于混凝土毛细吸水的非饱和流体理论,建立了干湿交替下开裂混凝土中水分传输的一维非线性方程。考虑水分在干燥与湿润阶段传输的滞后性,分别建立了干燥和湿润两阶段单条裂缝处水分的传输速度模型。在细观层次上,将混凝土看作由粗骨料、砂浆、界面过渡区(ITZ)以及裂缝所构成的四相复合材料,利用含单条裂缝的二维格构网络模型,开展了干湿交替下开裂混凝土中水分传输的细观数值仿真分析。通过与已有文献中的试验数据对比,验证了所建立的干湿交替下开裂混凝土中水分传输模型的正确性。利用以上数值模型,进而分析了干湿循环机制(干湿循环时间比、循环次数)以及裂缝宽度对水分分布的影响规律。结果表明:对于给定裂缝宽度,干湿循环时间比和循环次数决定着裂缝处和垂直裂缝方向的水分含量分布;当裂缝宽度介于0.05~0.3 mm时,裂缝处和垂直裂缝方向的水分含量随着裂缝宽度的增大而减少。     

干湿循环作用下铁尾矿砂水泥土强度劣化规律

为了探讨铁尾矿砂水泥土的力学性能及抗干湿循环劣化能力,通过无侧限抗压强度试验和干湿循环试验,研究水泥掺量、铁尾矿砂掺量及干湿循环次数对铁尾矿砂水泥土强度的影响。试验结果表明:铁尾矿砂在20%掺量下对水泥土的强度提升最大,在40%掺量下对水泥土的强度提升最小,最高强度增长率约为70%;干湿循环对素水泥土和铁尾矿砂水泥土的强度造成的损伤程度不同,素水泥土在循环初期强度损失较大而在循环后期损失较小且逐渐趋于平缓,铁尾矿砂水泥土在循环初期强度损失较小,超过一定循环次数后强度下降明显;水泥土强度劣化的主要原因是孔隙水的干缩湿涨造成水泥土内部的应力集中。     

株下竖向植筋带联合植被护坡的水力特性土柱试验

为探究竖向植筋带联合植株的护坡水力特性,设计开展了一维土柱试验,在干湿循环条件下,观测了坡土表面裂隙的发育情况,监测了坡土内部体积含水率和吸力等水力特性的变化规律。试验发现:在干燥过程中,蒸发蒸腾作用会促进土体表面裂隙的发育,裂隙的深度与宽度随干湿循环次数的增加而增加,联合植筋带后蒸发蒸腾引起的吸力增量大于仅由植物边坡蒸发蒸腾产生的吸力增量;在降雨作用下,植筋带也会成为明显的优势流入渗通道加速雨水入渗,致使土体产生更多的吸力损失值。因此,必须设法把植筋带顶部及其周围的土体压实,减少坡土开裂,避免在降雨工况下顺着植筋带的优势流入渗,充分发挥竖向植筋带作为延长根的加筋作用。     

Heavy metals speciation in soakaways sediment and evaluation of metal retention properties of surrounding soil.

Heavy metals speciation analysis was carried out on sediment samples accumulated within soakaways in an old stormwater infiltration facility in Tokyo, Japan and on a soil core sample collected near the facility. Heavy metals content in soakaways sediments were much elevated compared to nearby surface soil with the content for Zn, Pb and Cd reaching about 5 to 10 times the content in surface soil. Speciation results revealed that significant amount of the accumulated heavy metals were present in potential mobile fractions, posing threat of release to underlying soil with changing environmental conditions. Detail analyses of soil characteristics indicated significant heterogeneity with depth, especially between the surface soil and underlying soil at site. Decrease in potential adsorption sites with depth was observed in case of underlying soil. Reduced adsorption capacity for heavy metals was evidenced for underlying soil when compared with surface soil. Furthermore, less capability of the soil organic matter to bind heavy metals was evidenced through speciation analyses, which raises concern over the long-term pollution retention potential of the underlying soil receiving infiltrated runoff.     

干湿循环对水库滑坡渗透系数影响的试验研究

水库滑坡受到库水位周期性干湿交替作用,这种干湿循环效应会对滑坡体渗透特性产生影响。在原大型渗透仪的基础上,制作了一种能够实现干湿循环效应的渗透系数测量试验装置,以原状碎石土为基础,配置不同含石量和孔隙比的重塑样,探索涉水滑坡渗透系数与干湿循环次数之间的关系,研究干湿循环对碎石土渗透系数的影响。试验研究结果表明:干湿循环作用对孔隙比较小的试样影响最为显著,渗透系数增加幅度最大。基于碎石土细观结构特性,初步分析了碎石土渗透系数变化的机理。研究成果可为滑坡稳定性分析中碎石土渗透系数的取值提供参考。     

干湿循环下复合改良黄土剪切力学特性试验研究

纤维可有效改善土体的力学特性。通过不固结不排水三轴剪切试验,研究了玻璃纤维掺量、纤维长度、养护龄期及干湿循环次数对纤维-秸秆灰-石灰复合改良黄土剪切力学特性的影响规律。试验结果表明:随着纤维的掺入,复合改良土的应力-应变曲线逐步转为应变硬化型,极限偏应力、黏聚力及内摩擦角随着纤维掺量及纤维长度的增加,呈现先增加后减小的趋势,当纤维掺量为0.4%、纤维长度为9 mm时为最优配比。干湿循环条件下,复合改良土的极限偏应力、黏聚力及内摩擦角逐步减小,前期衰减速率较大,后期基本趋于稳定,衰减幅值受纤维掺量、纤维长度影响明显。养护龄期越长,改良土在不同干湿循环下的强度越高,稳定性越好。     

干湿循环作用下植被混凝土结构演化

选取植被混凝土生态基材为研究对象,制备6种初始含水率分别为13%、19%、25%、31%、37%、43%的试样。通过烘干法和叠式饱和法分别模拟脱湿和增湿过程,采用土壤收缩仪测量试样宏观胀缩量,Matlab软件提取试样表面裂隙几何特征,探究干湿循环作用下植被混凝土结构演化规律。结果表明:试样在常温下的干缩过程可分为急剧收缩阶段、平缓收缩阶段和稳定阶段3个阶段;干湿循环过程中,试样收缩量与膨胀量近乎等量;裂隙发育过程主要体现在裂隙宽度、总长度及总面积随循环次数增加而增大;初始含水率过低或过高,均易使植被混凝土发生湿胀干缩破坏;初始含水率31%试样的裂隙平均宽度、裂隙总面积、裂隙长度和表面收缩率均最小,31%为生产实践的最佳含水率。