入渗水头对盐碱土水分运移影响数值模拟研究

通过室内盐碱土垂直入渗水盐模拟试验,对不同水头作用下湿润锋、累积入渗量和时间变化特征实验数据进行分析模拟。研究结果表明,不同水头条件下湿润锋和累积入渗量与入渗历时有显著的乘幂关系,提出了考虑入渗水头和土壤容重条件下湿润锋的推进距离和入渗时间的关系式;累积入渗量与时间的幂函数关系中系数A与土壤容重和入渗水头的影响较小,而指数B随着入渗水头的增加而呈线性增加的趋势,随土壤容重的增加呈降低趋势。     

不同质地土壤对梯形渠道渗漏的影响

梯形渠道是目前国内最常用的灌水渠道,通过分析不同质地土壤对渠道渗漏的影响,可以为灌区灌水利用效率、渠道防渗效果评估、灌区规划设计等方面提供理论依据。采用室内实验法,对不同质地土壤在梯形渠道中的累积入渗量、入渗率及湿润锋运移进行研究。结果表明：土壤的累积入渗量最大,而湿润锋的迁移距离最远,土壤入渗速度最快;黏壤土初始入渗速度较慢,入渗速率曲线随入渗时间的增加而减小,且随入渗时间的增加而趋于平稳,而湿润锋运移距离较短,累积入渗量最少。在农田输水渠道建设中,应尽量选择黏壤土,这样才能有效地降低灌溉渠道的渗漏。另外,还可以在沟渠四周栽植一些深根系植物,将渗漏的水量输送到灌溉作物中,从而增加了排水的利用率。     

膜孔肥液多向交汇入渗湿润体特性 试验研究

通过室内膜孔肥液多向交汇入渗试验,研究了肥液入渗下湿润锋的运移特性,建立了湿润锋运移距离与入渗时间的经验模型。试验显示,交汇界面处的垂直湿润锋运移速率大于膜孔中心处垂直湿润锋运移速率;膜孔多向交汇入渗交汇界面的湿润锋形状近似于半椭圆型,并建立了湿润锋形状的纵剖面方程,研究了湿润体内土壤含水率的分布规律。研究成果可为进一步进行膜孔灌溉技术研究提供参考。     

入渗水头对注射灌土壤水分运移及分布的影响

为了研究入渗水头对注射灌土壤水分运移及分布特性的影响,通过室内注射灌入渗模拟试验,测定了不同入渗水头下注射灌的累积入渗量、湿润锋运移距离和土壤剖面的含水率。研究表明:注射灌的累积入渗量与时间呈幂函数关系,入渗水头越大,相同入渗时间的累积入渗量越大。土壤湿润锋近似为圆心在出水口偏下的半圆形,湿润锋随时间延长运移速度变缓。在出水口下方土壤湿润范围比出水口上方大,土壤含水率也较大。入渗水头越大,相同入渗时间的土壤湿润范围越大,相同位置的土壤含水率越高。本研究结果丰富了注射灌理论,为入渗水头的选择提供参考。     

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。     

考虑倾角的土质边坡Green-Ampt改进入渗模型

针对传统Green-Ampt入渗模型忽略坡角和土体非饱和区对边坡降雨入渗的影响这一情况,利用倾角对土体入渗势能梯度进行修正,并将入渗时边坡土体按含水率划分为饱和层、过渡层和未湿润层,建立考虑倾角的土质边坡分层假定入渗模型,推导边坡降雨入渗深度与降雨历时的关系,并通过入渗实例将新模型与传统模型进行比较。研究结果表明:分层假定模型预测的坡面产流时间及湿润锋深度与降雨历时的关系较传统Green-Ampt入渗模型（简称为GA模型）更接近实测值;自由入渗阶段,分层假定模型的湿润锋扩展深度与GA模型一致,但入渗速率低于GA模型;积水入渗阶段,分层假定模型的湿润锋扩展深度及入渗速率均大于GA模型,湿润锋扩展深度的差值随着降雨历时的增大逐渐增大,而入渗速率差值的变化呈相反趋势。根据新模型,分析了倾角和雨强对边坡降雨入渗的影响,发现随着边坡倾角的增大或雨强的减小,雨水入渗到坡体内相同深度所需的降雨历时增加,这种现象在倾角大于60°或雨强小于20 mm/h时尤为明显。     

非饱和土中黏粒含量对水分迁移规律的影响研究

为了研究土体在非饱和状态下土壤水分的运移规律,通过室内试验,利用马氏瓶供水,研究土壤水分在不同黏粒含量的非饱和土中入渗特征。该试验对水分入渗特征研究包括两方面:一方面是研究不同黏粒含量土壤结构条件下水分随入渗时间的变化,另一方面是同一时间段内黏粒含量与表征水分入渗的相关参数的关系。结果表明:(1)Philip土壤水分垂直入渗公式在半无限均质土壤及初始含水率分布不均匀、无薄层积水条件下仍适用;(2)试验揭示了水分受黏粒含量的影响在灌溉模型中的累积入渗量、吸渗率与稳定入渗率、湿润锋及湿润锋速和在同一截面处随时间的变化规律及在土壤各截面处的发展趋势。     

非充分供水条件下滴灌人渗特征研究

为了推求点源入渗条件下垂直湿润锋的运移规律,根据非饱和土壤水分运动的达西定律及其相应的假定,研究了点源入渗情况下,垂直湿润锋运移距离与入渗率和累计入渗量的关系,以及湿润锋随入渗时间的变化规律.结果表明:入渗率与湿润锋倒数问存在明显的线性关系;累计入渗量与湿润锋呈线性关系;湿润锋与时间存在明显的多项式关系.     

土壤中NaCl含量对水平一维入渗特性的影响

通过室内试验,分析了土壤中NaCl含量对水平一维入渗的湿润锋、累计入渗量、土壤含水量和土壤Cl-含量的影响。结果表明:不同NaCl含量土壤水平一维入渗的湿润锋和累计入渗量随着入渗时间的延长而增大;相同入渗时间时,土壤NaCl含量越高,湿润锋运移距离、累计入渗量、土壤含水量越小,土壤Cl-含量越大;不同NaCl含量土壤水平一维入渗结束后的土壤含水量和土壤Cl-含量之间存在极显著的相关关系。     

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。     

粗、巨颗粒富集位置对堆积体降雨入渗的影响

针对某堆积体局部粗、巨颗粒于坡中、坡脚不同发育位置富集现象展开室内降雨模型试验,通过孔隙水压力、基质吸力、体积含水率及湿润锋迁移形态的变化情况,探讨粗、巨颗粒于堆积体坡中、坡脚位置局部富集在降雨入渗过程中的差异性影响。研究表明:（1）坡中（A组）、坡脚（B组）局部粗、巨颗粒富集导致的架空现象致使降雨过程中形成雨水优势入渗通道,富集区下方的入渗速率明显快于周围均质土体;（2）B组堆积体右侧入渗速率比A组堆积体更快,而左侧入渗速率不及A组堆积体;（3）B组堆积体的整体渗流特性更强,其湿润锋运移率先触底,比A组堆积体提前72 h;（4）A组堆积体湿润锋迁移形态先期中部呈平缓凹形下渗,较B组右侧凹形下渗范围更宽;后期均呈平滑弧形入渗,而B组堆积体浸润面积较A组更小。（5）A、B组堆积体降雨入渗可划分为竖向入渗阶段和侧向入渗阶段,但存在明显差异,A组堆积体竖向入渗快于侧渗,而B组堆积体竖向入渗慢于侧渗。     

考虑降雨入渗条件的植被边坡稳定性评价

为了研究降雨对植被边坡稳定性的影响,利用改进的Green-Ampt模型,在考虑植被水力作用和饱和区径流基础上,推导出了降雨入渗条件下植被边坡的湿润锋深度计算公式,并采用极限平衡法计算出了植被边坡不同潜在滑动面上的抗滑稳定安全系数,对多层非饱和土植被边坡稳定性进行分析评价。结果表明:考虑植被水力影响和饱和区径流的多层非饱和土植被边坡的入渗模型,更加实用,可更加准确地对降雨作用下植被边坡进行稳定性评价;湿润锋深度随着降雨的持续时间增加而增大,浸润锋经过土层交界处时出现突变现象,根系粉质砂土层的湿润锋深度增幅小于粉质砂土层的湿润锋深度增幅的1.5%~11.8%;4个潜在滑动面处的抗滑稳定安全系数在降雨早期随着降雨持续时间的增加而逐渐减小;粉质砂根土复合层的抗滑稳定安全系数比粉质砂土层的抗滑稳定安全系数提高了12.3%~35.5%;根土层与土层交界面处不易发生失稳破坏,而土层与土层交界面处的抗滑稳定安全系数会出现急剧变化,易发生失稳破坏。     

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。     

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.     

不同微润管埋深土壤水分入渗特性及对小白菜根系生长的影响

为探明微润灌条件下微润管不同埋深对土壤水分入渗及作物根系生长的影响,分别开展了室内土箱入渗试验和室外大棚小白菜种植试验,设置了3个不同埋深处理:T1(埋深10 cm)、T2(埋深15 cm)、T3(埋深20 cm),室内入渗试验考察不同微润管埋深对土壤水分累计入渗量、土壤湿润锋运移的影响,室外试验考察不同微润管埋深对小白菜主根长、主根直径、根体积、大于2 mm的一级侧根数等根系指标的影响。室内试验结果表明:3个处理单位长度微润管的累计入渗量都随着时间延长呈线性增加趋势,T2入渗速率最大,T3最小,T1、T2分别比T3大43.48%、67.55%;各埋深处理水平方向上的湿润锋向右运移规律和向左相同,T1、T2扩散速率要远大于T3,且T1T2;在湿润锋向上运移到达地表之前,各埋深处理湿润锋垂直向上和向下运移规律基本相同,重力作用影响不明显,扩散速率均为T1T2T3;湿润锋形状变化过程方面,T1由上下方向长度较大的椭圆逐渐过渡到水平方向长度较大的椭圆,T2为上下方向长度大于水平方向长度的椭圆,T3先为水平方向长度大于上下方向长度的椭圆,然后逐渐过渡到上下方向长度大于水平方向长度的椭圆。室外大棚试验结果表明:除主根长指标外,其余根系指标微润管各埋深处理均好于地面漫灌,且微润管埋深15cm时对小白菜根系发育最有利。研究成果可以为相关生产实践提供支持。     

黄土中Green-Ampt入渗模型的改进与验证

本文根据黄土积水入渗的土壤水分剖面变化特征，仅将饱和层与传导层统一视为饱和区，而将非饱和湿润层的含水量变化视为施加于饱和区的吸力势，从而在具有“活塞模型”之称的GreenAmpt入渗模型基础上，推导得出了适用于黄土区的积水入渗模型。该模型不仅可计算累积入渗量及湿润锋深度，而且还可估算出土壤水分剖面分布状况。经甘肃秦王川地区实测资料的检验，表明模型具有较好的吻合性。     

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%。     

点源入渗土壤水分运动规律实验研究

由不同质地土壤的点源入渗实验，得出了在不同滴头流量情况下，实际滴灌可以形成两种入渗边界，边界一是非充分供水点源入渗边界；边界二为变边界积水点源入渗边界。本文对两种边界条件特点及其滴头流量、灌水时间、湿润锋、含水量分布等之间的关系进行了分析，认为湿润比可以作为确定滴灌灌水参数的指标之一，对于实验滴灌的适宜湿润比以小于1.0为宜。