恒定水头井入渗Green-Ampt 模型的改进与验证

在假定恒定水头井入渗近似为以井内积水表面积为入渗面的一维入渗基础上,用湿润体内平均体积含水率增量代替Green-Ampt活塞模型中的饱和含水率与初始含水率差值。用入渗率和累积入渗量倒数的线性关系间接推求Green-Ampt模型中的参数,用湿润锋平均基质吸力和土壤饱和导水率。从而建立了适用于恒定水头井入渗的Green-Ampt模型。同时根据体积等效原理,定义了三维入渗中难以直接测定的概化湿润锋深度。经3种类型土壤的室内试验检验,表明该模型具有较好的精度,能精确地计算不同累积入渗量时的湿润体体积。     

黄土坡耕地土壤水力学的空间分布特征探讨——以晋西北神池县为例

坡耕地在黄土高原分布广泛,具有地面平整度差和水、肥、土流失严重等特点。为探讨黄土高原坡耕地土壤水力学特性,采用张力入渗法、压力膜仪法以及沙箱法,对黄土高原晋西北神池县坡耕地不同深度土层分别进行原位和室内试验。研究结果表明:各层土壤的累积入渗量与负压水头有关,表层土壤的累积入渗量最大;土壤饱和以及非饱和导水率随土壤深度的增加呈线性减小;低吸力阶段(h100cm),随吸力提高土壤的持水能力逐渐下降,高吸力阶段(h100cm)土壤持水能力变化不大;结构性孔隙和基质性孔隙最大值所对应的负压水头分别为-37cm和-325cm。     

基于PTFs的公园绿地'蓄'渗'效果评估——以洛阳市为例

海绵城市,是缓解城市内涝和地下水水位下降的有效举措之一,是新时代城市建设的指导思想,能够提升城市的景观效应,能够改善市民的居住环境。公园绿地作为海绵城市的有效举措之一,其土壤饱和导水率与饱和含水率是衡量公园绿地渗水与储水能力的关键指标,以洛阳城区已建成的若干公园为研究对象,采取表层土壤样品并测定其土壤质地参数,通过PTFs估算得到土壤样品的饱和导水率与饱和含水率,研究结果表明,洛阳城区已建成公园绿地表层土壤饱和导水率数据在1.79×10~(-3)～1.82×10~(-3)cm/s之间,饱和含水率在0.41～0.43cm~3/cm~3之间。     

水平土柱入渗法测定土壤导水率

本文提出一种用水平土柱入渗测定土壤水分运动参数——导水率的方法,其原理基于土壤水动力学已有的理论基础,通过测得的土壤吸渗率与作用水头的关系,便可求出土壤的饱和导水率K_s和非饱和导水率K(ψ),本方法概念明确,仪器设备简单,操作方便。     

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。     

渗透桶法测定土壤饱和导水率的改进

渗透桶法测定土壤饱和导水率所需仪器少、价格低、操作简单,但工作繁杂、精度不高,为了减少工作量,提高试验精度,基于马氏瓶定水头供水原理,对渗透桶法进行了改进,改进后可明显减小工作强度、提高试验精度,不仅能测定土壤的饱和导水率,还能测定土壤孔隙水的流速.     

不同入渗水头作用下一维垂直入渗特性分析

通过对5cm～60cm压力水头作用下一维垂直入渗特性进行试验研究,得出入渗水头对于入渗系数、入渗指数、累积入渗量以及湿润锋推进距离都有不同程度的影响,并对实验结果进行了分析,得出其影响是由于入渗水头增大引起入渗界面压力势增大和土壤结构变化、容重增大、孔隙率减少并最终导致导水率减少二者综合作用的结果的结论。这些结论为蓄水坑灌法的进一步研究提供了重要理论依据。     

极端干旱区小城镇绿地土壤水分入渗性能研究——以阿拉尔市为例

为进一步促进阿拉尔生态城市建设和保证城市可持续发展,以阿拉尔市绿地土壤为研究对象,选取校园、市政、居民区、道路绿化带4个功能区绿地土壤,用环刀法测定土壤水分入渗过程并做了模型拟合和分析。结果表明:4个功能区绿地土壤水分入渗性能存在明显差异,稳定入渗率为道路绿化带绿地(0.31 cm/min)校园绿地(0.05 cm/min)市政绿地(0.02 cm/min)居民区绿地(0.01 cm/min);应用常用的入渗模型进行了拟合,通用模型及Kostiakov模型能较好地描述4个功能区的绿地土壤入渗特征,Philip模型在本区的适用性最差。研究结果为阿拉尔市绿地土壤的管理提供一定依据。     

计算层状土稳定入渗率的饱和层最小通量法

根据土壤水动力学原理,提出了计算多层土壤稳定入渗率的饱和层最小通量法。采用HYDRUS-1D数值模拟软件,模拟了不同土壤表面水头、多层土壤特性下的稳渗过程,根据模拟结果对饱和层最小通量法进行了检验。结果表明,这种计算多层土壤稳渗率的方法物理意义明确、误差较小。与改进的Green-Ampt公式相比,该方法不需要考虑下层土壤的进水吸力,同时考虑了多层土壤对入渗的影响,更适用于实际情况下分层土壤稳定入渗率的估算,可以为水资源量评价、环境污染评价和相关工程设计等领域提供理论依据。     

土壤空间变异下田间降雨入渗率的分布特性

本文通过Green-Ampt模型矩形剖面的假定来近似土壤水分运动方程,结合土壤地表饱和导水率的空间分布、降雨强度和历时,将土壤地表分为饱和区和非饱和区,根据各区对应的降雨阶段地表自由入渗状态、自由与积水综合入渗状态以及退水阶段的上边界条件,分别推导出各阶段相应的土壤剖面的降雨入渗率的解析解以及平均降雨入渗量的时空变化过程。研究成果为土壤地表空间变异下降雨、入渗和径流之间的关系以及土壤剖面水流的滞后现象提供具有物理基础的计算方法。     

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。     

降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析

运用分形模型预测非饱和土的土水特征曲线与导水系数曲线,结合孔隙气体流动分析,模拟降雨入渗条件下的一维非饱和渗透过程。根据非饱和土抗剪强度的分形模型,导出降雨入渗下非饱和土边坡临界深度公式,并分析了影响边坡稳定性的因素。非饱和土的分维与进气值影响土体的水理性质。分维影响降雨的入渗速度与入渗深度,而进气值影响降雨入渗下土体吸力的变化曲线形态。非饱和土的饱和导水系数与降雨强度对边坡稳定性影响较大,在降雨强度远大于非饱和土的饱和导水系数时,孔隙气体在降雨入渗过程中将产生气压,对吸力产生影响。     

Performance of infiltration swales with regard to operation in winter times in an Alpine region

In cold climate regions winter conditions significantly influence the performance of stormwater infiltration devices. Frozen soil and water storage by snow changes their operation. In this paper winter operation of a grassed infiltration swale was investigated using on-site and laboratory measurements. The field investigation of a grassed swale at a parking place in an Alpine region showed that the swale fulfilled its function properly. Although the top layer was frozen for some time, the storage capacity of the swale was sufficient to store the precipitation until the conditions improved. The soil attenuated the air temperature, at 20 cm below ground surface the soil was only frozen for one week. winter maintenance proved to be a problem, together with the snow from the parking place a lot of gravel and fine particles were deposited at one end of the swale. This decreased the hydraulic conductivity at that point significantly. The laboratory tests with soil columns showed an increase of flow time through the soil column with decreasing soil moisture content. For soil temperatures below 0 degrees C the hydraulic conductivity was reduced for increasing initial soil moisture contents. All in all the hydraulic conductivity was best around 0 degrees C for all soil water contents. However, also at minus 5 degrees C the coefficient of hydraulic conductivity was always at least above 10(-6) m/s, thus within the range of tolerated hydraulic conductivity specified in the national guidelines. Nevertheless, the handling of the soil was found to have high influence on the results. The results indicate that in the Alpine region infiltration swales operate sufficiently under winter conditions although with decreased performance.     

基于集合卡尔曼滤波法的二维土壤水流状态变量和参数联合估计

集合卡尔曼滤波方法(EnKF)显式地考虑了模型输入、输出以及模型结构等因素的不确定性,近年来被广泛应用于水文模型参数估计研究中。本文基于EnKF方法开展二维土壤水流运动模型状态变量和参数联合估计研究,设计数值实验探究了在线源入渗条件下EnKF方法对粉壤土、壤土和砂壤土的饱和导水率和进气值参数的估计以及压力水头的同化效果,分析了观测点布置方式和观测点数量对同化效果的影响。研究结果表明,粉壤土条件下观测点垂向布置方式更好;壤土和砂壤土条件下,在0～30cm深土壤中水平向布置观测点可以得到较好的参数估计值。观测点水平向布置时应尽量靠近地表,同化系统可以有效地利用观测信息更新状态向量,参数更快地收敛于真值,但压力水头的同化效果仅限于一定深度的土壤。增加观测点数量可以有效地减小参数估计偏差,进而提高土壤剖面压力水头的预测精度。     

STOCHASTIC ANALYSIS OF UNSATURATED FLOW WITH THE NORMAL DISTRIBUTION OF SOIL HYDRAULIC CONDUCTIVITY

Stochastic approaches are useful to quantitatively describe transport behavior over large temporal and spatial scales while accounting for the influence of small-scale variabilities. Numerous solutions have been developed for unsatu-rated soil water flow based on the lognormal distribution of soil hydraulic conductivity. To our knowledge, no available stochastic solutions for unsaturated flow have been derived on the basis of the normal distribution of hydraulic conductivity. In this paper, stochastic solutions were developed for unsaturated flow by assuming the normal distribution of saturated hydraulic conductivity ( K,). Under the assumption that soil hydraulic properties are second-order stationary, analytical expressions for capillary tension head variance (σh2) and effective hydraulic conductivity (Kii*) in stratified soils were derived using the perturbation method. The dependence of σh2 and K," on soil variability and mean flow variables (the mean capillary tension head and its temporal and sp     

温度影响下土壤水分运动模型

根据不同温度条件下的入渗资料，分析了活塞(Green-Ampt)公式在温度场中的适用性，认为，Green-Ampt公式适用于温度场影响下的土壤水分运动。温度影响下的土壤水分运动的通量主要依赖于概化区的饱和导水率、湿润锋处基质势以及温度，其中饱和导水率的温度效应较大，而基质势的温度效应较小，在较轻质地土壤中可以忽略基质势的温度效应。     

土壤膨胀性对土壤饱和水分运动参数的影响

膨胀性土壤吸水后易膨胀变形,从而影响到土壤水分的运动参数。为了研究土壤膨胀性对土壤饱和水分运动参数的影响,采用室内土柱试验装置分析了不同土壤厚度（2,4,6,8,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55 cm）对3种土壤（沙土、黄绵土、娄土）土壤容重、土壤饱和含水量、土壤饱和导水系数的影响,并分别用幂函数、指数函数和对数函数进行了拟合分析。结果表明：① 土壤饱和膨胀率、饱和比容积、饱和含水量和饱和导水系数均随土壤厚度增加而减小。② 通过3种函数拟合效果对比发现,幂函数具有最佳拟合效果。     

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。     

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。     

包气带岩性结构对降雨入渗能力的影响

降水是鄂尔多斯盆地风沙滩地区地下水的主要补给来源之一,区内包气带岩性结构影响着降雨入渗补给地下水的过程。试验以该区两组均质结构(风积沙、风化砂岩)与两组层状"上粗下细"结构(风积沙-风化砂岩组、风积沙-淤泥质沙组)中水势和水量变化情况分析不同岩性中降雨入渗过程的差异性。结果表明:均质结构和层状"上粗下细"结构降雨入渗过程均呈线性变化过程,但是均质结构的累计入渗量为层状结构的1.5～3.0倍,更有利于降雨入渗;层状"上粗下细"结构中,岩性由粗到细水力梯度增大1.48～1.78倍,下覆细质土较大的水势梯度反映了其低渗性,且降水入渗过程与上覆粗质土无关,主要由下层细质土控制,下层细质土颗粒越细,入渗量越小,较细细质土的入渗量约为较粗细质土的0.66倍。研究结果对于提高鄂尔多斯盆地风沙滩地区水资源评价的准确性具有重要意义。