冻融条件下田间入渗特性分析

非饱和土壤的水分入渗特性一直为农田水利学、土壤物理学、水资源评价与管理及其水文地质学等学者重视，冻土的入渗特性在水资源评价与管理和农田水利工程中尤其有着特殊的重要性，它是各种冬春灌溉灌水方法中确定灌水技术的参数的主要依据。本文以大量大田非冻土、冻土系列入渗试验为依据，揭示冻土入渗率、入渗量随时间的变化过程及其规律。     

膨胀性土壤降雨入渗产流模型

膨胀性土壤吸水会发生膨胀变形,这对降雨入渗产流过程有显著影响。本文以Green-Ampt模型为基础,提出了考虑土壤膨胀性的非稳定降雨入渗产流模型(GJGAM)。为量化土壤膨胀性对降雨入渗产流过程的影响,文章引入了考虑土壤膨胀性的土壤饱和导水系数及饱和含水量,并提出了两参数的计算方法。同时,应用GJGAM和传统的不考虑土壤膨胀性模型(TGAM)分别模拟了径流强度和土壤累计入渗量的室内试验过程,并与试验观测值进行了对比分析。结果表明:利用GJGAM模拟得到的土壤累计入渗量和径流强度与其实测结果吻合良好,而TGAM模拟得到的土壤累计入渗量大于实测值,而径流强度小于实测值。     

考虑土体非饱和特性的斜坡降雨入渗模型及边坡稳定性分析

降雨入渗是诱发滑坡的关键因素,研究斜坡降雨入渗规律对于滑坡的预测与防范具有重要意义。传统的Green-Ampt模型及改进的Green-Ampt模型均假定入渗过程为均匀饱和入渗,忽略了入渗过程中湿润锋锋面上方非饱和区的存在。针对这一不足,首先,基于达西定律分析斜坡内基质吸力的分布规律;然后,结合非饱和土VG模型得到了斜坡内湿润区含水量沿深度变化的函数关系;最后,基于改进的Green-Ampt模型推导了考虑土体非饱和特性的斜坡降雨入渗模型,并将其引入到无限斜坡稳定性分析当中。研究结果表明:与数值解和现有模型相比,考虑土体非饱和特性的降雨入渗模型能更加准确地反映降雨入渗的过程,基于改进模型计算的稳定性系数较好地揭示了恒定降雨强度下斜坡稳定性的变化规律,证明了该方法的正确性和适用性。     

空气阻力影响下的分层土壤非稳定降雨入渗产流模型

降雨或灌溉期内,土壤内的空气很难及时全部排出。禁锢在土壤中的空气产生的压力阻碍了土壤水分入渗。针对空气阻力对土壤入渗过程的影响,对Green-Ampt模型进行了改进,提出了非稳定降雨条件下考虑空气阻力作用的分层土壤降雨入渗产流模型(MGAM)。模型中,引入了饱和度系数(Sa)量化入渗水分剖面滞留空气影响下的实际导水系数和实际含水量,引入进水值(hwb)和进气值(hab)量化湿润锋处实际负压水头,并提出由土壤物理性质估算饱和度系数(Sa)、进水值(hwb)和进气值(hab)的参数化方案。为了验证模型适用性,采用MGAM模型模拟分析了室内开展的空气限制条件下的分层土壤非稳定降雨一维入渗产流试验观测成果,包括土壤水分分布特征、土壤累计入渗量和径流强度,并将模型模拟值与试验观测值,以及传统不考虑空气阻力TGAM模型(Traditional Green-Ampt Model)模拟值进行了对比分析,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、土壤含水量均大于实测值,而径流强度小于实测值。     

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。     

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。     

基于改进的Green-Ampt入渗模型重建清光绪初年山西大旱降雨入渗量

为了深入挖掘和充分利用清宫档案"雨雪分寸"所反映的降水信息,重建清光绪初年山西极端干旱事件,本文在山西省开展了人工模拟降雨入渗试验,探讨了利用改进的Green-Ampt入渗模型求解山西省累计入渗量方法的可靠性与适用性,并利用山西省1875-1878年主汛期"雨分寸"资料重建了历史时期土壤降雨入渗量.结果表明:(1)降雨...     

表层土壤饱和导水率的空间变异对农田水分渗漏的影响

本文将条件模拟方法所得到的表层土壤饱和导水率(Ks)的随机场与土壤水分运动模型相结合,随机地模拟了冬小麦地1999年3月10日～6月10日这一时段的农田水分渗漏情况。总来水量为 353.8mm(灌水量270mm)的情况下,2m土体水分渗漏量最小值为23.73mm,最大值达到了64.73mm,分别占此段灌水量的8.8％和24.0％。另外,比较了实测法、克立格插值法和100次条件模拟得到的水分渗漏量结果,发现条件模拟法与实测法的结果较接近,而克立格插值法具有明显的“平滑效应”,缩小了农田水分渗漏量的范围。这3种方法均反映了表层土壤Ks空间变异对农田水分渗漏的影响,其结果均要好于传统方法。     

土石山区山坡降雨入渗产流模型

在分析土石山区下垫面特性的基础上,引入碎石体积比例系数量化土壤中碎石对入渗的影响,并考虑山坡基岩凹凸面及封闭裂隙储留,构建了一种包括植被截留、洼地储留、土壤入渗、壤中流、基岩凹凸面及封闭裂隙储留等计算模块的土石山区山坡降雨入渗产流模型;采用径流小区天然降雨产汇流试验对模型进行验证,并与现有山坡降雨入渗产流模型的模拟结果进行了对比分析。结果表明:与现有模型相比,构建的入渗产流模型可以较好地模拟地表径流强度和土壤入渗率,实测值与模型模拟值较为吻合;暴雨期土壤入渗率的模拟值远小于实测值,可能原因在于该模型忽略了碎石与土壤的直接接触面间可能形成的水流快速通道,未考虑土石山区山坡土壤层和基岩层中可能存在的优先流,模型尚需进一步完善和改进。     

考虑入渗空间分布变异性的适宜土壤紧实度采样密度分析

土壤入渗采样密度直接影响其空间分布变异性的合理表征,进而影响畦灌性能评价与系统设计。本文基于新疆供试田块上获得的实测数据,借助地质统计学和条件模拟方法分析不同土壤紧实度采样密度下简化的Green-Ampt入渗模型参数的统计特征值、空间变异结构与状况,对比不同土壤紧实度采样密度对畦灌性能模拟效果的影响,综合确定适宜的土壤紧实度采样密度。结果表明,当土壤紧实度采样密度大于50个/hm2时,简化的Green-Ampt入渗模型参数的变程和空间分布状况在田块尺度上都趋于稳定,而畦田尺度上的畦灌性能评价指标模拟值与实测值间的相对误差均保持在10%以内,故适宜的土壤紧实度采样密度值应为不低于50个/hm2。     

次降雨入渗补给系数空间变异性研究及模拟

本文分析了降雨不均匀入渗补给的产生机理,应用地质统计学方法研究了次降雨入渗补给系数的空间变异性,建立了协方差函数与方向角的函数关系;对次降雨入渗补给系数进行了KarhunenLoeve展开,通过求解特征值、特征函数及随机向量模拟次降雨入渗补给系数随机场。分析结果表明,在水平径流微弱、潜水面坡度小的地区,平稳场理论可以有效地描述次降雨入渗补给系数空间分布规律,KL展开法具有优越的收敛速度。     

冬小麦—夏玉米种植模式下的农田水量平衡模拟及人渗补给规律分析

在大量室内外实验及田间土壤水分动态监测基础上，模拟描述了雄县试区常见作物种植模式下层状土体的田间水量动态平衡过程，根据宏观根系吸水模型假设和根系吸水函数确定了冬小麦、夏玉米的实际蒸腾率。并依据模拟值与田间实测土水势值拟合最佳为准则估算作物的实际裸间土面蒸发，在田间水量平衡基础上，得到３３０ｃｍ土体底层处的下渗补给量，分析了区内降雨（灌溉）入渗补给规律及地下水变化特征。     

长期膜下滴灌棉田土壤水盐空间分布特征研究

为分析播种前膜下滴灌棉田土壤不同深度水分和盐分的分布特征,对1998年开始利用膜下滴灌种植技术的棉田进行大规模网格取土,主要分析了棉田土壤水盐空间分布特征。研究结果表明:在生育期初播种前,棉田土壤0~5、5~20、20~40、40~60、60~80及80~100 cm对应土层中,水分变异系数小于盐分变异系数,且都属于中等变异性;土壤各层水分和盐分含量总体都呈现出表层土壤水分和盐分含量较低,深层土壤水分和盐分含量较高的分布规律;在0~100 cm土层中,随着深度增加,水分和盐分含量呈现出先增大后减小的趋势;设置排盐沟,能够使土壤盐分向排盐沟运移,有助于棉田改良。     

土壤水动力状态的标识特征及其应用

通过土壤水动力状态变化与土壤含水量和水势梯度之间关系试验研究,发现在降水或灌溉入渗过程中,土壤水系统将经历"吸水"(土壤含水量增大)、"过水"(含水量不变,且水通量不等于零)和"脱水"(含水量变小)过程,其总水势梯度大于、等于和小于1.0cmH2O/cm是重要标识特征。上述土壤水动力状态变化特征,在指导农田节水灌溉中具有独特作用。灌溉初期的水势梯度愈大,表明土壤水分亏缺愈严重,需要加大灌溉水量或延长灌溉时间;灌溉初期的水势梯度愈趋近1.0cmH2O/cm,表明土壤水亏缺愈少,应注意调控灌溉水量或限控灌溉时间,避免较多无效灌溉水量的发生。水势梯度等于1.0cmH2O/cm是降水或灌溉入渗过程中土壤含水量饱和的征兆,可作为灌溉节水调控的关键阈值,即当被监测土壤层的水势梯度趋近1.0cmH2O/cm时应结束该次灌溉。     

全国土壤田间持水量分布探讨

针对大范围旱情监测预测系统建设的具体要求，在全国干旱综合区划的基础上，分析了当前田间持水量分布研究的基本方法及存在问题，并在分析、评价现有基础资料的同时，采用定性定量相结合的方法，建立了一套切实可行的基于旱情监测预测系统建设的全国土壤田间持水量分布的确定方法，最终得出了全国土壤田间持水量分布图。     

全国山洪灾害时空分布特点研究

山洪灾害的发生具有明显的区域性、突发性、群发性、破坏性强和恢复难度大等特点,其空间分布与暴雨、地形地质的空间分布密切相关。溪河洪水灾害的发生次数具有一定的年际变化规律,降雨量多的年份就是溪河洪水灾害多发年。泥石流、滑坡灾害分布与降雨时间分布具有同期性,在空间和时间上的变化具有与溪河洪水相同的重现性。     

影响土壤入渗的因素分析

对于同一种土壤,土壤的入渗特性是土壤本身固定属性,决定着雨水转换为土壤水的速度。因此,了解和掌握降雨入渗规律,研究不同土壤降雨入渗的各种参数,不但对研究水量转换起到重要作用,而且对农业灌溉也有很好的借鉴作用。     

间歇供水对微咸水土壤入渗与水盐分布特性的影响研究

我国是一个水资源相对贫乏的国家,解决水资源的短缺将是我国目前面临的一个迫切问题。中国有着丰富的咸水资源,科学合理的利用微咸水对于缓解水资源短缺,确保农业增产抗旱有着极其重要的作用。本文采用室内一维垂直土柱入渗试验,对间歇供水条件下微咸水入渗土壤水分入渗特性及水盐分布特征进行研究,重点介绍不同矿化度的微咸水在不同的周期和循环率的入渗条件下,与微咸水连续入渗作分析比较,揭示微咸水间歇供水的入渗机理,分析微咸水间歇供水对土壤水分和盐分的影响,为今后微咸水灌溉提供一些试验数据和技术支撑,为微咸水灌溉的合理利用提供理论基础和实践依据。     

土体强度的空间分布形式对单桩承载力的影响

土体参数可能服从不同类型的分布,而在考虑土性空间变异性的桩基础承载特性的研究中一般将随机变量假定为服从对数正态分布。以土体的不排水强度为随机变量,考虑不同的变异系数和相关距离,采用随机有限元法分别模拟了竖向和水平向荷载作用下单桩基础的承载性状,对比分析了土体不排水强度分别服从对数正态分布、Beta分布和Gamma分布条件下单桩的承载力均值和标准差。结果表明,土体强度的分布形式对单桩竖向承载力的均值没有影响,而服从对数正态分布的随机场中单桩水平承载力均值最大,服从Beta分布的随机场中单桩水平承载力均值最小;竖向荷载和水平荷载作用下Beta分布得到的承载力标准差均为最大。当地基土强度空间分布形式未知时,建议采用Beta分布确定单桩承载力。