基于HYDRUS-1D模拟的降雨入渗条件下VG模型参数敏感性分析

为了定量描述土壤水力参数变化对HYDRUS-1D模型输出变量10 cm层土壤水分动态分布、累积入渗量及湿润锋运移距离的影响,分别对HYDRUS-1D模型中的VG模型的5个土壤水力参数进行单因素扰动,采用修正的Morris筛选法分析降雨入渗条件下各土壤水力参数的敏感性。结果表明:模型参数的敏感性并不是一成不变的,针对不同的输出结果,参数敏感性随时间变化规律不同,根据研究需要确定参数敏感性区间对简化试验工作具有重要意义;边界条件也是影响模型参数敏感性的重要因素之一;对于不同的受影响研究对象,5个参数的敏感性不同。因此在应用模型模拟时,应该确保高敏感性参数的准确性及边界条件的真实性。     

Improvement of rainwater infiltration and storage capacity by an enhanced seepage well: From laboratory investigation to HYDRUS-2D numerical analysis

Seepage well is an emerging Low Impact Development (LID) technology that can effectively control the storm runoff. However, its rainwater infiltration rate and storage capacity still require further enhancement. By setting a horizontal infiltration structure at the bottom of conventional rainwater seepage well (CSW), an enhanced seepage well (ESW) was proposed in this study, and its infiltration performances compared with the permeable pavement (PP) and the CSW were systemically investigated using static infiltration experiment and HYDRUS-2D simulation. The results showed that the infiltration efficiency of ESW was significantly higher than that of PP and CSW, and the process of water infiltrated through soil mainly controlled the macroscopic infiltration rate. The Nash-Sutcliff Efficient (NSE) index was used to evaluate the accuracy and reliability of the HYDRUS-2D model, and the results of NSE values greater than 0.75 (varied between 0.75 and 0.91) confirmed the applicability of HYDRUS-2D to describe correctly the hydraulic behavior of the ESW system. Simulation infiltration tests showed that the ESW performed a higher average infiltration rate and fewer total runoff volume than the CSW, indicating the effectively enhancement of the infiltration and water retention capacity of ESW, especially under heavy rainfall intensities. Additionally, the ESW system exhibited an excellent runoff-control and rainwater retention capacity in an actual rainfall scenario.     

重塑非饱和黄土浸水入渗规律的模型试验研究

为了研究非饱和黄土的浸水入渗规律,开展了重塑黄土的浸水入渗模型试验,分析了浸水过程中不同位置的体积含水率变化及湿润锋面发展过程,研究了入渗水分在水平和径向的发展变化规律,并通过考虑空气压力的Green-Ampt模型计算得到不同时间的入渗深度,与实测值进行对比分析。研究表明:不同测点的体积含水率变化趋势基本一致,都会经历稳定-快速增长-到达峰值-快速减小-再次增长-维持稳定6个阶段;浸水入渗过程受入渗深度、渗流路径、沿程黏滞阻力和空气压力的共同影响,入渗深度越深、距离中心轴位置越远、湿润锋发展越滞后,入渗速率越小。深度从0 cm增加至100 cm时,入渗速率从14.93 cm/h减小至1.67 cm/h。对不同位置的竖向入渗速率与入渗深度的关系进行拟合发现:竖向入渗速率与入渗深度呈二次方关系,且拟合度达到0.9以上;径向水分运移是该深度水分径向扩散和上部水分竖向入渗综合作用的结果,故相比于竖向入渗较快;模型计算结果中湿润锋面发展趋势与实测竖向入渗情况一致,但入渗后期的入渗深度计算值比实测偏大。研究结果可为黄土地基浸水入渗研究提供参考。     

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。     

重塑非饱和黄土中水-气两相运移规律研究

黄土区水分入渗的实质是水、气两相运移共同作用。长时间强降水影响下,水分入渗更易在远离边坡的土层底部形成封闭条件,而在靠近边坡区域形成开放条件。为深入剖析黄土中水-气运移规律,分别在封闭和开放条件下进行了重塑土柱试验,并统计分析了土柱内实测的含水率和气压数据。结果表明:在开放和封闭条件下,湿润锋运移速度初始时最大;体积含水率均为先增大后减小,封闭条件下含水率减小后趋于稳定,而开放条件下含水率仍存在小幅波动;开放条件下气压差先增大后减小,最后在0附近振荡,而封闭条件下浅层气压差波动上升,深层气压差振荡后减小趋于稳定。因此,在滑坡治理过程中应同时考虑水、气两相共同的影响,制定更为全面、高效的防治措施。     

基于水势差驱动出流机制的微润灌水分运动模型构建及模拟

为研究微润灌土壤水分入渗特征和不同影响因素对其影响规律,基于微润管出流机理,采用HYDRUS-2D软件构建了微润灌土壤水分运动模型。利用室内试验实测数据验证了模型的准确性,参数敏感性分析表明模型模拟结果对微润管的形状和水力特征参数敏感度较低。不同情境模型模拟结果表明:微润灌下水分主要集中在管附近;土壤质地越黏重,微润灌湿润范围和湿润锋运移速率越小,湿润体水分分布等值线图越接近于同心圆;工作压力水头越高,湿润范围和湿润锋运移速率越大,且管附近土壤饱和度越高,但200 cm工作压力水头下土壤不易达到饱和;微润管埋深显著影响湿润体的位置和湿润锋到达上下边界的时间,但在湿润锋到达边界之前,其对微润管出流量和湿润锋运移速率影响不大。本研究可为微润灌系统设计管理优化和该技术的进一步推广应用提供参考。     

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。     

水分渗入含钾离子均质黄土的试验研究

通过室内试验研究结果表明 ,在入渗过程中 ,单位土壤对钾离子的吸附量相等 ;吸附量与参与吸附的土壤总量成正比。当土壤钾离子含量不同时 ,对入渗过程有明显影响。入渗时间相同 ,累积入渗量和湿润锋位置都随钾离子含量增大而减小     

基于热示踪的饱和层状介质水热参数反演

多孔介质的水热运移参数是影响介质中水热运动过程的主要因素。本文基于热示踪方法,开展了稳定流场条件下饱和层状石英砂的热示踪实验,分别采用热电偶与热成像两种方法测定了砂箱内部和表面的温度,同时结合HYDRUS模型的反问题算法对层状石英砂的水热运移参数进行了反演。研究结果表明:当介质中存在细粒夹层时,热成像图像能反映非均匀流场中热流峰面在分层界面处出现的"收束"现象;层状介质中的细颗粒夹层可导致热流锋面沿水流方向迁移速率下降、热量沿垂直于水流方向运移范围加大、温度分布更均匀。同时对于热源持续输入的系统,热成像温度在前期能较好的反映层状介质对水流运动的影响。将热示踪与HYDRUS模型相结合可较好地用于反演介质水热运移参数,反演所得的饱和导水率估值随粒径的减小显著降低,纵向热弥散度随粒径的减小而增大,而横向热弥散度变化趋势与之相反;纵横弥散比变化范围在10~120之间,且纵横弥散比随粒径减小而逐渐增大。对细砂饱和导水率的估计不足及热量损失是造成水流通量估计误差的主要原因,在模拟模型中增加细砂层测点数量可显著降低水流通量的估计误差。本研究可为非均质介质中水热迁移过程模拟与参数反演提供相应的方法。     

流动沙丘降雨入渗和再分配过程

本文通过野外监测和模拟降雨试验对流动沙丘降雨入渗补给、再分配过程和蒸发消耗几个方面作了定量研究。结果表明：科尔沁沙地流动沙丘0～200cm深度土壤层特性具有明显的垂直变化，0～20cm为表层干沙层；20～140cm为降雨影响变化层；140cm以下为深部稳定层。土壤入渗速率受降雨强度的控制，强度大，入渗也大，入渗深度与降雨量和降雨强度之间存在线性关系。湿润锋迁移速率在降雨开始较小，而后逐渐增大，达到峰值之后，又随时间而降低，最后趋于稳定。13.4mm的降雨是无效降水和补给地下水的分界点；≥20mm的降雨可使蒸发层土壤在再分配结束后达到最小持水量；≥50mm的降雨通过土壤水分的再分配可以使120cm深度土壤水分达到饱和持水量，进而下层进行饱和排水入渗。     

南方丘陵区多层土壤结构水平和垂向渗流特征试验与模拟研究

南方丘陵地区地形起伏,上下游田块及田块内部不同层之间土壤质地差异较大,存在复杂的水分转化关系。为揭示该地区田块内多层土壤水分运动规律,在湖北省漳河水库灌区团林灌溉试验站,开展田块变化水层条件下水分通过犁底层垂直入渗以及通过耕作层侧向入渗试验,观测土壤累积入渗量及各层含水率的变化过程;建立基于HYDRUS-2D的土壤水分二维渗流模拟模型。经验证,模型模拟值和田间实测值基本吻合;试验发现由于土壤性质差异,田块犁底层的存在会抑制水流的垂直运动,减少深层渗漏,但同时增强了水流沿耕作层侧向运动的能力。试验期间,水分沿犁底层平均垂向入渗速率为0.094 cm/min,沿耕作层平均侧向入渗速率为0.138 cm/min;入渗稳定后,渗漏水量占田面累积入渗量的21.11%,其中垂直渗漏水量占0.46%,侧向渗漏水量占20.65%,耕作层侧向渗漏水量占侧向渗漏水量的81.06%。结果表明,土壤侧向渗漏对水量损失的贡献较大,控制田块渗漏特别是耕作层侧向渗漏对南方地区节水减排具有十分重要作用。     

风积砂水分迁移试验研究

为了研究水分在风积砂中的迁移规律，以不同初始含水量的陕北风积砂为研究对象，在不破损试样的前提下进行含水量的实时监测。分析了风积砂内部含水量、渗透强度的时空变化规律，得到了土水特征曲线，揭示了风积砂的水分迁移特征。研究表明：在等温条件下，基质势和重力势是风积砂中水分迁移的主要动力；同一干密度下、不同初始含水量的风积砂中由于基质吸力引起土体中水分迁移的湿润锋高度相同；风积砂渗透强度随着初始含水量的增加呈现递减趋势；风积砂土水特征曲线的分布包含三个阶段：饱和段、过渡段、不变段，其中饱和段分布规律基本相同，过渡段内水分变化梯度存在较大差异，水分变化梯度随初始含水量的增大而逐渐减小。     

风积砂水分迁移试验研究

为了研究水分在风积砂中的迁移规律,以不同初始含水率、不同干密度的陕北风积砂为研究对象,在不损坏试样的前提下在试验室进行含水率的实时监测。分析了风积砂内部含水率、渗透强度的时空变化规律,得到了土水特征曲线,揭示了风积砂的水分迁移特征。研究表明:在等温条件下,基质势和重力势是风积砂中水分迁移的主要动力;同一干密度下、不同初始含水率的风积砂中由于基质吸力引起土体中水分迁移的湿润锋高度相同,补水量随着初始含水率的增大而减小,渗透强度随着初始含水率的增加呈现递减趋势;风积砂土水特征曲线的分布包含饱和段、过渡段和不变段,其中同一干密度土样的曲线的饱和段水分分布规律基本相同,过渡段内水分变化梯度存在较大差异,水分变化梯度随初始含水率的增大而逐渐减小;对于不同干密度的风积砂,在相同初始含水率下,补水量和渗透强度随干密度的增加而减小,毛细水上升高度随着干密度的增加而增大。     

滴灌施肥灌溉的水氮运移数学模拟及试验验证

基于土壤水分运动的动力学方程和溶质运移的对流-弥散方程，建立了不同土壤中地表滴灌施硝酸铵（NH4NO3）时水分和硝态氮运移的数学模型及边界条件。利用商业化软件HYDRUS-2D对模型进行了求解。为了验证所建立的模型，分别在壤土和砂土两种土壤上进行了不同滴头流量、灌水量和肥液浓度下的湿润距离、土壤含水率和硝态氮分布试验。模拟结果与试验数据的对比表明，利用HYDRUS-2D求解所建立的模型得到的湿润距离随时问的变化过程、土壤含水率和硝态氮分布与实测值吻合良好。因此，HYDRUS-2D软件可以作为预测滴灌施肥灌溉条件下水分和氮素在土壤中运移的有效工具。     

壤土夹层对苯和Br-在均质细砂中运移影响的试验分析

为研究粉质壤土夹层对苯和溴离子(Br^-)在非饱和带中入渗的影响,采用成都市金牛区某施工基坑粉质壤土和河砂,验证不同土样对Br^-和苯的吸附性,构建不同构型的土柱进行试验,并分析其运移规律。结果表明:Br^-的吸附程度不会因土样中黏粒含量的增加而增加;土样对苯以线性吸附为主,黏粒含量越高吸附量越大,污染物的运移性越弱;示踪剂Br^-的浓度对土样吸附苯的影响可忽略不计;均质砂土湿润锋推进呈现一定的非线性,夹层以上两种构型土柱进程近乎一致,进入分层后湿润锋推进速度明显减弱,说明夹层具有一定的减渗作用;夹层的存在减弱了Br^-以及苯向下运移,并且粉质壤土对苯有一定的吸附净化作用。研究结果可供从事地下水有机污染研究的人员参考。     

基于单线法试验的黄土增湿变形非线性模型研究

黄土增湿变形一般由地面水入渗或地下水位抬升引起,是岩土工程中需要解决的一个技术难题。虽然在该领域有一些研究,提出了描述该变形的本构模型,但是与实际地基中力和水的作用路径有较大差异。本文引入"增湿水平"这一概念来描述黄土的湿度状态,通过开展分级浸水试验,着重研究先施加应力后浸水增湿路径下黄土的湿度状态与增湿变形的相关关系,建立了增湿变形非线性本构模型;用增湿变形系数和湿陷系数的比值与增湿水平关系曲线反映黄土增湿变形的敏感性,分析了竖向应力、土质对黄土增湿变形敏感性的影响;采用不同应力比的增湿水平与侧向变形曲线,分析了增湿过程中的侧向挤出变形规律。     

Deep soil water recharge response to precipitation in Mu Us Sandy Land of China

Soil water is the main form of water in desert areas, and its primary source is precipitation, which has a vital impact on the changes in soil moisture and plays an important role in deep soil water recharge (DSWR) in sandy areas. This study investigated the soil water response of mobile sand dunes to precipitation in a semi-arid sandy area of China. Precipitation and soil moisture sensors were used to simultaneously monitor the precipitation and the soil water content (SWC) dynamics of the upper 200-cm soil layer of mobile sand dunes located at the northeastern edge of the Mu Us Sandy Land of China in 2013. The data were used to analyze the characteristics of SWC, infiltration, and eventually DSWR. The results show that the accumulated precipitation (494 mm) from April 1 to November 1 of 2013 significantly influenced SWC at soil depths of 0–200 cm. When SWC in the upper 200-cm soil layer was relatively low (6.49%), the wetting front associated with 53.8 mm of accumulated precipitation could reach the 200-cm deep soil layer. When the SWC of the upper 200-cm soil layer was relatively high (10.22%), the wetting front associated with the 24.2 mm of accumulated precipitation could reach the upper 200-cm deep soil layer. Of the accumulated 494-mm precipitation in 2013, 103.2 mm of precipitation eventually became DSWR, accounting for 20.9% of the precipitation of that year. The annual soil moisture increase was 54.26 mm in 2013. Accurate calculation of DSWR will have important theoretical and practical significance for desert water resources assessment and ecological construction.     

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。     

分淮入沂整治工程典型堤段垂直防渗体防渗效果分析与评价

随着堤防加固技术的进步,垂直防渗加固在众多堤防中得到广泛应用。但由于地质条件的复杂性及工程的隐蔽性,在垂直防渗工程完成后,其防渗效果难以检测与评价。依托分淮入沂整治工程,通过数值模拟方法分析了垂直防渗体的存在、防渗体铺设深度、防渗体完整性及防渗体缺陷位置等对堤防渗流场的影响,以溢出点水力梯度为评价指标,通过与土层允许水力梯度的比较来评价垂直防渗体的防渗效果。结果表明:堤岸经垂直防渗处理后在防渗体后的水头明显下降;防渗体进入堤防黏土层比防渗体未插入黏土层有更好的防渗效果;垂直防渗体存在缺陷时,会引起防渗体后浸润线明显抬升;在溢出点处所有工况的水力梯度都小于允许水力梯度,整个防渗工程防渗效果显著。     

Soil Surface Roughness Effects on Infiltration Process of a Cultivated Slopes on the Loess Plateau of China

Infiltration is the only way water enters soil on the cultivated slopes of the China’s Loess Plateau, so infiltration plays an important role in conserving soil moisture. The objective of this study was to investigate how a soil wetting front created by simulated rainfall migrated in soil with different types of surface roughness. The three types of soil surface treatments studied included surfaces of smooth, medium rough and rough soil. The results showed that, 1) compared with a smooth surface texture, medium rough and rough surface textures have a higher infiltration capacity; 2) the infiltration rate gradually decreases as the wetting front deepens and the rate tends stabilize over time. This change could be described by a logarithmic function; 3) at the early stage of rainfall, the wetting front of medium rough and rough surface textures varied greatly, while the variability of the wetting front decreases markedly after the infiltration rate stabilizes; 4) with increasing depth of the wetting front, the similarity between the wetting front and soil surface profile decreased significantly for the medium rough and rough surface textures. These results indicate that the process of infiltration on cultivated slopes on the Loess Plateau changed from a non-uniform pattern to a uniform pattern as time passed during a rainfall event. Overall, soils with rougher soil surfaces experienced a larger effect of roughness on the process of infiltration.