不同冻融时期土壤水分运动参数特征分析及数值模拟

为科学探究不同冻融期土壤水分运动参数变异规律,以野外大田实测土壤温度为参考.利用改进的水平土柱法测定土壤水分扩散率,用SW080B张力入渗仪测定土壤导水率.同时将试验获得的扩散率和导水率方程带入冻土水热运移方程,通过方程求解得出含水率值与实测值进行误差分析,进而验证土壤水分扩散率与导水率方程的适用性.研究结果表明:在快速冻结期,随土层深度增加,土壤扩散和导水能力呈现出增强趋势;在稳定冻结期,0～40cm土层扩散和导水能力变化不显著,且处于相对稳定状态;在融化期,土壤水分扩散和导水能力随土层深度增加呈现出先减小后增大的变化规律.此外,各土层含水率真实值和模拟值的均方根误差(RMSE)位于1.01～13.54cm~3/cm,误差较小.该试验方法能够较为精确的获取冻融期土壤水分运动参数,并且能够有效的实现冻融期土壤水分动态过程模拟.     

不同粒径下土壤水分特征曲线的测定与拟合模型的研究

为研究不同粒径下土壤水分特征曲线的变化规律并探究描述曲线的最佳模型,以4种不同粒径的土壤为研究对象,用Ku-pF仪进行土壤水分特征曲线的测定,并用3种经验模型对实测曲线进行了拟合。试验结果表明:土壤粒径越小,其孔隙结构越密实,中、小空隙增多且连通性变差,土壤具有较高的进气值和良好的持水性能。不同经验模型对不同质地土壤的适用性不同,利用经验模型来拟合非饱和土壤水分特征曲线时,不能脱离参数的物理背景而单纯地追求拟合精度,通过对比、分析3种常用模型,得出Fredlund and Xing模型是描述土壤水分特征曲线的最佳模型。     

土壤水分扩散率单一参数模型的土壤转换函数

采用水平土柱法测定了杨凌地区典型粘壤土的水分扩散率,利用土壤水分扩散率的单对数模型进行了拟合,拟合效果比较好,通过分析模型中的参数A和B,发现单对数模型的参数A和B具有很好的线性关系,利用这一关系,可以将单对数模型简化为单一参数模型。对参数B和土壤物理特性进行相关性分析,结果表明参数B与土壤有机质含量的相关性最强,与土壤粘粒含量和砂粒含量的相关性次之,与土壤容重和粗粉粒含量的相关性最弱。利用参数B与土壤物理特性的相关关系,建立了参数B的土壤转换函数,土壤转换函数简单并且有较强的理论基础,简化了区域土壤水分扩散率测定费时费力的问题。     

吉林西部盐碱土壤水力学参数特征及其影响因素

为探究吉林西部盐碱化土壤水力学参数的空间变化特征及其影响因素,测定了盐碱土和非盐碱土0~20,20~40,40~60,60~80,80~100 cm土壤水分特征曲线(SWCC)、容重、全盐量、含水量、机械组成等,利用van Genuchten模型(VG)进行曲线拟合和参数求解.结果表明,VG模型适于描述研究区盐碱土水分特征曲线;盐碱与非盐碱土壤水分特征曲线和Ks存在显著性差异;θs和n值变异性较弱,θr和α中等变异强度;Ks的空间变异性较强,盐碱土剖面为强变异(CV=109.09%),非盐碱土为中等变异强度(CV=51.09%);土壤全盐量与p H值、土壤机械组成是土壤水分特征曲线及Ks的主要影响因素.     

人工填筑路基土体水分运动参数的试验

以低液限粘土和粉土为研究对象,采用滤纸法确定其土体水分特征曲线,应用Van Genuchten模型对土体水分特征曲线进行拟合;利用水分迁移测试系统测试土体含水体积分数时变曲线;基于达西定律,结合土体水分特征曲线和土体含水体积分数时变曲线,提出确定导水率及扩散率的方法。研究结果表明:应用滤纸法和水分迁移测试系统确定土体导水率及扩散率简单、方便;Van Genuchten模型拟合土体水分特征曲线效果能达到工程应用要求。     

入渗水头对垂直一维入渗Philip模型参数的影响

以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立垂直一维入渗土壤水分运动的数学模型,对不同入渗水头条件下多种典型土壤垂直一维入渗特性进行模拟,模拟结果采用Philip模型拟合.结果表明:入渗水头对吸渗率、稳渗率有一定影响,提出了包括入渗水头和饱和导水率的Philip模型参数的确定方法.利用已有文献资料对所建模型进行验证,结果表明:所建模型能较简单地确定吸渗率和稳渗率,可以较准确地反映土壤水分垂直一维入渗特点.     

粒径对土壤水分特征曲线的影响研究

为了探究粒径大小对土壤水分运移的影响,用压力膜仪法测定了两种不同粒径石英砂的土壤水分特征曲线,并采用Van-Genuchten模型拟合得到土壤水分运动参数,拟合效果较好.结果表明在相同的环境条件下,细石英砂比粗石英砂具有更大的持水能力.     

SWCC测定时吸力计算公式与最佳离心时间的探讨

采用离心机法测定了南京市栖霞区东阳镇0～20cm,20～40cm,40～60cm 3层土壤的水分特征曲线(SWCC),分析了密度变化对吸力的影响、质量含水量与时间的关系、土壤吸力与质量含水量的关系;根据分析结果改进了传统的吸力求解公式,得出了离心机法测定粉砂壤土水分特征曲线时的最佳离心时间.改进公式克服了传统公式计算吸力时没有考虑土壤压缩的弊端,计算得到的土壤体积含水量可以随土壤干密度的变化而变化,土壤水分特征曲线更能合理地反映土壤水分的保持和运动规律.     

黄河源头高山草原土土壤水分特征曲线探讨

通过离心机法测定了黄河源头不同土层的高山草原土土壤水分特征曲线,并将实验结果拟合为经验公式。结果表明:各层土壤水分特征曲线整体趋势均表现为快速下降—缓慢下降—基本平稳,但不同土层的土壤持水性有较大的差异;用Van-Genuchten方程可较好地反映该土壤含水量与土壤水势之间的数量关系,拟合方程的相关系数均大于0.99。     

碳酸钙含量对砂型土壤水分特征曲线的影响研究

本文使用高速冷冻离心机对含量为0%、10%、30%、50%碳酸钙的砂型土试样进行了水分特征曲线测试,并测定了混合试样的容重、孔隙度、饱和导水率和田间持水量.由于土壤颗粒微观结构是影响土壤持水能力的主要因素之一,为了进一步分析试验结果,用扫描电子显微镜(SEM)观测混合试样的微观结构,最后对试验结果用VG(Van Genuchten)模型进行拟合.结果表明:随着土壤中碳酸钙含量的增加,土壤水分特征曲线左移,即在相同土壤吸力下,土壤含水率下降,土壤容重增大,孔隙度减小,饱和导水率减小,田间持水量减小,土壤持水能力降低.扫描电子显微镜观察表明,土壤中碳酸钙含量增加后,碳酸钙与土粒聚集形成团粒结构,小孔隙减少,大孔隙增多,导致土壤在相同吸力下,持水能力减弱,通气能力增强,这应该是导致岩溶土水土保持能力弱的原因之一.     

土壤水分运移温度效应的数值研究

分析了土壤水分运移温度效应的机理,基于“表面张力-粘滞流理论”对“六场-相变-扩散模型”中的土水势、非饱和水力传导系数和水分扩散系数三个参数进行了改进,即考虑了它们的温度效应,继而通过对0.2 m×0.2 m的二维砂土剖面的热湿耦合运移进行了为期60 d的数值计算,通过比较原模型和改进模型的计算结果,考察了土壤水分运移温度效应的大小.计算结果表明:第10 d,20 d,30 d,40 d,50 d和60 d时,温度效应对土壤水分含量的相对影响分别为4.98%,5.57%,6.23%,6.96%,7.78%和8.7%.同时发现,土壤水分运移的温度效应在土壤表层表现得最为明显.     

福建省花岗岩残积填土的水力与热物理参数分析

为确定花岗岩残积填土的水力、热物理参数,以福建省典型花岗岩残积土为例,采用土壤湿度自记仪进行水平吸渗试验及变水头渗透试验测定水力参数,同时推导热物理参数计算公式.结果表明:福建省花岗岩残积土的水分扩散率、非饱和导水率与饱和度之间呈现显著的幂函数关系;饱和导水率与压实度呈非线性关系,压实效果对土的饱和导水率影响较为显著,同时存在一个临界压实度,当压实度达到该临界值时,一味通过提高压实度增强路堤的防渗能力效果不明显;考虑土体压实度和含水率的比热容计算式,及综合考虑颗粒组成、压实度和含水率的热导率计算式更符合花岗岩残积土的热物理参数特性.     

降雨诱发非饱和土地下水位上涨的耦合效应

降雨容易诱发地下水位上涨,从而引发多种危害.降雨诱发土体变形与渗流耦合,目前的研究多集中在土体耦合各场的变化规律,对土体水力耦合过程地下水位变化规律及影响因素研究较少.基于渗流理论、弹性理论及VG土-水特征曲线模型,建立了二维非饱土体的水力耦合的数值模型,从水力耦合的角度去研究降雨诱发地下水位上涨.该模型突破了饱和时的渗透系数是常量的局限,且适用于任意的土-水特征曲线表达式.通过算例对二维非饱和土渗流-变形耦合模型展开分析,并深入探讨了地下水位升高的耦合效应.计算结果表明:降雨强度、初始条件以及饱和渗透系数为变量等因素对地下水位上涨有显著的影响;位移最大值出现在地下水位以上,地下水位以下位移变化梯度相对较大.     

污灌条件下土壤水渗透特征初探

在污水灌溉区和清水灌溉区不同点及深度上取样分析，测定土壤在污灌前后的土壤含水率、有效孔晾率和非饱和导水率的特征变化．研究结果表明：土壤在污染后其水分渗透特征发生变化，土壤含水率增高，有效孔隙率和非饱和导水率下降．土壤表观含水率变化由其渗透特征参数变化引起．     

弱透水层释水过程中水力参数响应规律

为了提高地下水运移模拟、地下水资源评价和地面沉降预测的精度,利用室内试验分析弱透水层释水固结过程中水力参数的变化规律。基于相邻含水层降深恒定且初始时刻水流稳定条件下弱透水层释水量的解析解,提出参数求解的配线法,利用研制的试验装置进行试验研究。结果表明:弱透水层释水过程中渗透系数和贮水率逐渐减小,固结系数变化不大。试验中土层的渗透系数和贮水率分别减小了52%和59%。弱透水层水力参数恒定不变的假设会对其释水量的计算造成较大误差,取弱透水层固结变形初始阶段的贮水率,计算结果比实际释水量大;取固结变形结束阶段的贮水率时则相反。     

华北农田土壤水分运动参数的Bayes估计

为了估计具有垂向空间异质性的田间尺度土壤水分运动参数,提出利用原位多点土壤含水率观测数据反演多层土壤持水和导水特征参数的Bayes方法。该方法基于Hydrus-1D模拟模型建立Bayes推断模型,采用Markov Chain Monte Carlo(MCMC)方法求解Bayes联合概率分布,得到参数的后验边缘分布。将该方法应用于华北平原一典型农田土壤剖面,参数反演结果反映了空间变异性,与室内试验值具有较好的一致性,相应的土壤水分运动模拟具有较高精度,从而验证了该方法的有效性。     

三峡库区典型城郊防护林土壤饱和导水率特征研究

【目的】分析三峡库区土壤剖面饱和导水率的变化特征,了解土壤水分在不同土壤深度的运动规律,为改善防护林造林模式提供科学参考。【方法】选取位于三峡库区尾端的针叶纯林、针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林等典型人工林及荒地,采用恒定水头法测定土壤饱和导水率(K_s),探讨库区典型人工林土壤饱和导水率的特征及其与影响因子之间的关系。【结果】土壤饱和导水率随土层加深呈现出负指数形式的递减规律,各林分土壤饱和导水率由高到低为:针阔混交林>阔叶混交林>针叶混交林>针叶纯林>荒地。土壤有机质含量与土壤饱和导水率呈二次曲线关系,随着土壤有机质含量的增加,平均饱和导水率逐渐增加,但增加速率逐渐降低,当土壤有机质含量达到最大值(18.596 g/kg)以后其增加速率趋于平缓。土壤密度和孔隙度是影响土壤饱和导水率的最主要因素,机械组成为次要因素,其他物理因子的相关性较小。【结论】各土壤理化因子对土壤饱和导水率的影响作用不同,土壤饱和导水率越大,对延缓地表径流的作用越强。在防护林建设过程中适合营造针阔复合型防护林,有利于保持水土、防风固沙、改善环境和维持生态平衡。     

基于颗粒分形滑坡土体土水特征曲线评价及预测

滑带土与滑坡的发展、稳定性评价有着密切的关系,以福建永泰旗山滑坡为例,取代表性滑带土样和表层土样进行颗粒级配试验,基于分形理论研究了颗粒分形特征,结合压力板仪测定土样土水特征曲线,对滑带土和表层土进行了评价,并以颗粒分形维数预测了土水特征曲线,研究结果表明,滑带土细粒土含量较表层土含量高,滑坡土存在很好的分形特征,颗粒分形维数越大,细粒土含量越高,土体的持水性能也较好。以颗粒粒径分形维数代替土水特征分形维数,并结合Books-Corey模型来预测土水特征曲线,得到实测值与预测值呈现较好的一致性。     

一种基于VG模型的非饱和土渗流参数反演方法

针对非饱和土渗流分析中土水特征曲线和渗透性函数难以获取的问题,本文提出一种基于van Genuchten（VG）模型的非饱和土渗流参数反演方法,非饱和渗流控制方程采用Richards方程,通过计算数值模拟值与实测各观测点不同时刻孔隙水压力或重量（体积）含水量之误差平方和,寻求最优VG模型参数组合使得误差平方和最小.编制了二维非饱和渗流参数反演程序（BAKSEEP）,并通过算例展示了该程序良好的适用性和稳定性.     

非饱和土的渗透函数方程

从非饱和土土水特征曲线方程出发,根据渗透函数和土水特征曲线的关系,推导出了非饱和土渗透函数方程。用拟合土水特征曲线试验结果所得参数形成的渗透函数方程与测量结果一致,由于土水特征曲线方程和渗透函数方程含有相同参数,说明了两个方程之间有内在联系。