多层非均质边坡降雨入渗分析的改进Green-Ampt模型

边坡降雨入渗分析对于降雨型滑坡加固设计、治理和风险防控至关重要。经典的Green-Ampt模型参数虽然具有明确的物理意义,计算便捷,但是忽略了入渗区客观存在的过渡层,并且不能有效分析考虑土体渗透系数空间变异性的多层非均质边坡降雨入渗问题。为此,提出了一种适用于多层非均质边坡降雨入渗分析的改进Green-Ampt模型,考虑了降雨入渗的椭圆形过渡层,推导了不同降雨历时下边坡含水率分布情况。同时,以无限长边坡模型为例,通过4种常见的边坡工况验证了该模型的有效性,并进行了降雨入渗条件下非均质边坡稳定性分析。结果表明:对于设定的4种工况,提出的改进Green-Ampt模型计算的边坡体积含水量分布、安全系数和滑动面深度与Richards方程数值解吻合,而基于修正Green-Ampt模型计算的边坡体积含水量和滑动面分布存在偏差,边坡安全系数偏小。此外,基于提出的改进Green-Ampt模型能够准确识别最危险滑动面位置。研究成果可为多层非均质边坡降雨入渗分析及降雨型滑坡加固设计及风险防控提供理论参考。

湿润区含水率随土壤深度变化的Green-Ampt模型研究

针对原始Green-Ampt模型假定土壤入渗湿润区处于饱和含水率状态而忽略了非饱和区含水率存在的实际问题,提出将原始Green-Ampt入渗模型和土壤持水Van Genuchten模型结合起来,考虑土壤入渗过程中湿润区含水率随深度的变化,改进并建立了矩形与1/4椭圆组合简化Green-Ampt模型和梯形简化Green-Ampt模型,并用实例进行了验证。结果表明,与实测值相比,考虑土壤湿润区含水率随深度变化的Green-Ampt改进模型优于原始Green-Ampt模型;入渗时间较短时,矩形与1/4椭圆组合简化模型优于梯形简化模型;入渗时间较长时,梯形简化模型优于矩形与1/4椭圆组合简化模型;3种模型计算累积入渗量的精度高于计算入渗速率的精度。

基于改进Green-Ampt入渗模型的边坡极端降雨阈值确定

为了获得在极端降雨情况下与实际工况相符合的高液限土边坡抗滑稳定性情况,有必要开展极端降雨、高温对边坡稳定性影响的研究。以广东省惠州地区的气象及自然灾害数据为基础,在对不同年份降雨及高温进行分析的基础上,引入吸力水头改进了Green-Ampt入渗模型,得到了斜坡在不同单位降雨量上的极端降雨阈值。研究结果表明:边坡稳定性与连续降雨天数及降雨量有很大关系,在长期小雨的情况下边坡也会达到极端降雨阈值,在降雨量较大的情况下以临界降雨阈值作为极端降雨阈值更合适。该研究对于雨季边坡稳定性分析及灾害防治具有重要意义。

不同入渗水头条件下的Green-Ampt模型

在蓄水坑灌灌水时,蓄水坑内入渗水头的增加会改变入渗界面土壤结构性状,从而导致土壤水分入渗特性发生变化。为了能够模拟不同入渗水头作用下的入渗过程,该文在分析入渗水头对水分入渗影响的机制基础上,将入渗水头对入渗的影响归结为对概化饱和区导水率的影响,建立了能够模拟不同入渗水头对入渗影响的改进Green-Ampt模型。在室内进行了不同入渗水头入渗试验对改进后的Green-Ampt模型进行验证,结果表明不同入渗水头条件下不同时刻对应入渗率的Green-Ampt模型计算值和试验实测值吻合较好,改进的Green-Ampt模型可以有效地模拟不同入渗水头条件下的入渗过程。

夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型的改进与验证

对于土层夹砂结构,湿润锋穿过砂层上界面时,入渗率变为稳渗率。为确定各因素下夹砂层土壤的稳渗率,在Green-Ampt入渗模型基础上,引入导水度系数(小于1)来量化上层土壤的导水程度,建立了改进的夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型。采用HYDRUS-1D软件,模拟了不同土壤质地、初始含水率、压力水头、砂层埋深和砂层厚度条件下的稳渗过程,根据模拟结果分析了夹砂层土壤的入渗规律及其影响因素,稳渗率主要受土壤质地、压力水头和砂层埋深的影响。在相同压力水头、初始含水率和砂层厚度下模拟获得不同砂层埋深的稳渗率,并采用改进的Green-Ampt入渗模型拟合,求得导水度系数和进水吸力值。分析发现导水度系数变化较小,为简化计算,取其平均值0.95。在此基础上,提出了由土壤物理特性参数进气值倒数估算进水吸力的计算公式。利用秦王川地区的夹砂层土壤积水入渗试验及已有文献资料验证所建模型的有效性,结果表明所建模型待定参数少,计算误差基本在5%以内,且试验设计较简单,可为农田水分管理及工程防渗技术提供理论依据。

基于分层假设的Green-Ampt模型改进

传统Green-Ampt入渗模型由于假设过于简化而限制了计算精度,针对这一问题,在分层假设的基础上对模型进行了改进:将均质入渗土壤分为饱和层、过渡层和干土层,采用Richards模型分析了不同入渗条件下各层的厚度以及各层内含水率和导水率的变化规律,结果表明,入渗条件一定时,过渡层占湿润层(包括饱和层和过渡层)比例会随湿润层厚度的增加线性减小,积水深度和土壤初始含水率分别会影响这一线性关系的纵轴截距和斜率,而土壤饱和导水率则对其没有明显影响;过渡层内土壤含水率分布为椭圆形曲线,而导水率随深度增加线性减小。在此基础上,通过引入湿润层的等效导水率并相应给出锋面吸力的计算方法,对传统Green-Ampt模型进行了改进。结果显示,改进后模型计算精度显著提高。

Green-Ampt公式在层状土入渗模拟计算中的应用

通过对GreenAmpt 入渗模型特点的进一步分析和总结,概述了目前对GreenAmpt 入渗模式的发展情况,特别在沙层阻水、浑水入渗、间歇入渗和降雨入渗方面的应用进行分析,并对GreenAmpt 公式在这些方面应用中参数确定方法进行了进一步探讨,为在黄土区的应用提供指导。

Green-Ampt模型与Philip入渗模型的对比分析

土壤入渗是田间水循环的重要组成部分 ,国内外学者提出了具有不同特点和用途的入渗模型。该文通过对比分析了具有明确物理意义的 Philip入渗模型和 Green- Am pt入渗模型 ,建立了两模型参数间的内在关系 ,并利用一维垂直入渗实验资料对理论关系进行了比较。发现 Philip入渗模型对参数精度要求较高 ,而 Green-

Green-Ampt入渗模型及其应用

介绍了降雨条件下Green-Ampt模型的改进形式,以及国内外利用实验和理论方法推求模型中湿润锋处吸力的方法,对其在积水入渗、降雨入渗、结皮及侵蚀模型中的应用进行了探讨,对该模型与其他模型进行了对比分析,并展望了模型的应用前景。认为该模型可进一步被应用于植被覆盖条件、坡地降雨过程及坡地浑水入渗过程的分析;在今后坡地水文的研究中,可针对以上不同条件进行Green-Ampt模型应用于黄土坡地水文过程的修正和改进。

Green-Ampt模型参数简化及与土壤物理参数的关系

简化模型表达形式从而减少参数个数,对于Green-Ampt入渗模型的实际应用具有重要的现实意义。该文通过推导湿润锋处平均基质吸力与Philip模型中土壤吸湿率关系基础上提出了简化的Green-Ampt入渗模型,基于新疆222兵团两块壤质土壤田块上土壤水分入渗试验资料,分析了Green-Ampt简化入渗模型参数与土壤物理参数之间的关系,建立了模型参数与土壤物理参数之间的定量经验转换函数。结果表明,入渗参数A(组合参数)与土壤初始含水率呈对数负相关,相关系数为0.77,A与土壤紧实度和黏粒含量均呈指数负相关,相关系数分别为0.70和0.74。饱和导水率Ks与土壤紧实度和黏粒呈指数负相关,相关系数分别为0.74和0.73。A和Ks与土壤初始含水率、土壤紧实度和黏粒含量呈高度和中度多元线性相关,相关系数分别为0.9和0.79。研究表明Green-Ampt简化入渗模型能够在一定精度下分析土壤入渗过程。

用水平土柱和修正的Green-Ampt模型确定土壤的入渗性能

土壤入渗能力和降雨产流过程及地下水密切相关。土壤入渗过程决定了灌溉/降雨过程中水分进入土壤的过程,影响了化肥、农药及其他污染物随水分迁移过程以及坡面水文与土壤侵蚀过程等。该研究根据水流在水平土柱中运动的能量要求以及实际测量得到的土壤水分分布,对Green-Ampt模型中含水率分布呈活塞运动推进(即湿润锋内部土壤水分为恒定值)的假定进行了修正。采用更符合实际的呈线性分布的土壤水分分布模型,基于水量平衡和土壤水动力学原理,提出了对应的土壤入渗性能的计算模型。给出了利用修正模型估计土壤入渗性能的方法,计算模型以及计算过程。结果表明,利用修正模型估算得到的土壤入渗性能回归的入渗水量与实际供水量的相对误差为0.66%,说明该修正模型和计算方法具有很高的精度。该文提出的修正模型很好地描述了水分在土壤中的分布,较Green-Ampt入渗模型中的活塞模型更符合土壤水动力学中关于土壤水分运动的分析。将该修正模型与水平土柱试验结合,可以大大地提高土壤入渗性能计算的精度,为以后的土壤水分运动,地表产流计算以及土壤侵蚀等方面的研究提供非常有效的工具。

基于图形特征的Green-Ampt入渗模型关键参数S_f和K_s的简化求解

Green—Ampt入渗模型应用广泛，是模拟坡面降雨入渗、产流过程常用的手段，湿润锋平均基质吸力S和表征导水率K是模型中的关键参数。对地表积水入渗过程中湿润区内平均含水率增量△θ（t）进行了定义，对烟台棕壤土积水入渗试验分析表明，在入渗过程中△θ（t）为一常量0．34。根据水量平衡原理得到了Greer-Ampt入渗模型中概化湿润锋磊和实际湿润锋Z^αf的定量关系，并通过对Green．Ampt入渗模型的分析，提出了利用i（t）～I（t）或i（t）-Z^αf之间图形特征关系来确定湿润锋平均基质吸力Sf，和表征导水率Ks的方法。同实测资料相比，利用基于i（t）-I（t）和i（t）-Z^αf图形关系所获Sf和Ks预测的累计入渗量和湿润锋精度较高，整体相对误差小于6％。

适用于斜坡降雨入渗分析的修正Green-Ampt模型

降雨入渗分析是预测降雨诱发滑坡的关键因素之一。Green-Ampt模型原理简单、使用方便,在浅层滑坡的降雨入渗分析中有很大的应用潜力,但该方法主要适用于初始含水率为均匀分布的情况。基于这一不足,推导了初始含水率为非均匀分布条件下降雨入渗深度和时间的关系,并给出了基于Runge-Kutta原理的数值解法。当初始含水率为均匀分布时,提出的方法可简化为文献中已有的Green-Ampt模型。当初始含水率为非均匀分布时,Richards方程预测所得的孔隙水压力分布图中土体饱和区和未受降雨影响的非饱和区之间存在一个较窄的过渡段,由新模型计算所得的湿润锋穿过这一过渡段,且靠近饱和部区的底部。总体而言,新方法计算所得的孔隙水压力分布与Richards方程求解结果类似。

考虑禁锢空气影响的层状土壤Green-Ampt入渗模型及试验验证

为考虑土壤孔隙中禁锢空气对入渗水流的阻滞作用,引入饱和度系数Sa(Sa小于1)来量化湿润区的饱和程度,建立了改进的层状土壤Green-Ampt入渗模型(MGAM),并提出了由土壤物理特性参数估算Sa的计算公式。为检验MGAM的适用性,分别在室内长土柱和田间进行层状土壤的积水入渗试验,并采用MGAM、传统的Green-Ampt模型(TGAM)和由Bouwer法修正的Green-Ampt模型(BGAM)对入渗过程进行模拟。结果表明:估算得到的Sa反映了湿润区的真实饱和程度与持水能力;TGAM模拟的入渗速率和累积入渗量均明显大于实测值,BGAM则低估了入渗速率和累积入渗量,而且TGAM和BGAM预测的湿润锋位置明显滞后于实测值;与TGAM和BGAM相比,MGAM的模拟结果与入渗试验结果更加吻合,表明MGAM对层状土壤中水分入渗过程的模拟具有较高的精度。

不同条件下Green-Ampt模型累积入渗量显函数的适用性

通过分析Green-Ampt模型和Philip模型计算累积入渗量的方程,利用两模型参数之间的转换关系,建立两个Green-Ampt模型累积入渗量的显函数,并对其适用性进行评价.不同土壤质地和田间试验条件下的入渗试验检验表明,显函数Ⅰ计算的累积入渗量的IRE和RMSE分别为0.01%、0.34%、0.33%、0.33%、1.98%和0.13、0.05、0.09、0.09、0.09,显函数Ⅱ计算的累积入渗量的IRE和RMSE分别为1.53%、0.40%、2.11%、0.67%、4.88%和0.15、0.05、0.11、0.09、0.16,显函数Ⅰ和显函数Ⅱ的计算误差都较小,显函数Ⅰ的计算精度相对更高;土壤质地不同时显函数Ⅰ和显函数Ⅱ的计算精度都有较大差别;田间试验条件下显函数Ⅰ和显函数Ⅱ的计算精度都有所降低.此外建立的显函数结构较为简单,具有一定的物理基础,可利用建立的显函数解决入渗问题.

用修正的Green-Ampt模型确定土壤入渗性能的速算方法

土壤入渗性能的确定对水文过程及其相关研究与应用具有重要的意义。该文在土壤入渗性能的水平土柱测量方法和Green-Ampt修正模型的基础上,推导出了Green-Ampt模型与修正模型之间的比例关系,进而提出了土壤入渗性能的速算模型。该计算模型在保证土壤入渗性能计算精度的前提下,计算过程较修正Green-Ampt模型有了很大的简化。将3种方法计算得到的土壤入渗率进行了比较,快速方法计算得到的土壤入渗性能与Green-Ampt修正模型计算得到的土壤入渗性能非常接近。在水量平衡原理的基础上得到3种方法计算结果误差分别为11.5%(Green-Ampt模型),0.66%(修正模型)和2.68%(快速计算模型)。表明快速计算方法具有很高的精度。新方法大大简化了修正模型的计算步骤。该文提出的土壤入渗性能速算法与水平土柱试验相结合,可以方便地应用于室内土壤入渗性能的测量,为水文循环/地表产流等相关研究提供便捷的土壤入渗性能计算工具。

基于Green-Ampt模型离子型稀土柱浸试验入渗水头的确定

在离子型稀土原地浸矿过程中,溶浸液入渗水头的合理确定有利于减少入渗时间和提高浸出率。基于Green-Ampt土壤入渗模型,通过离子型稀土变水头入渗试验,建立入渗率与入渗水头和湿润峰深度以及渗流时间与累积入渗量和入渗水头之间的关系,并对两关系式进行分析。结果表明:离子型稀土原地浸出注液井积水入渗时,入渗水头并非越高越好,随着入渗水头的增加,入渗率呈先增大后减小的趋势,存在最优入渗水头;对赣南某离子型稀土进行柱浸试验,得到的最优入渗水头为26.69 cm;入渗界面的入渗率一定程度上决定溶液在矿体内的渗透效果。

Green-Ampt模型入渗率显式近似解研究

Green-Ampt入渗模型应用广泛,是模拟坡面降雨入渗、产流过程常用的手段,但模型中入渗率i(t)与时间t呈隐式关系为实际应用带来困难。根据对土壤宏观毛管长度λ。与Green-Ampt入渗模型参数S_f的分析,建立了Green-Ampt入渗模型参数与Philip公式参数的关系,并得到了入渗率i的显式近似解。实测资料和近似解的计算值进行对比结果表明,显式近似解具有较高的预测精度,其入渗过程中入渗率整体相时误差仅为0．04％。图4．表1,参17。

基于Green-Ampt模型的饱和-非饱和黄土入渗改进模型及其参数研究

黄土中水分入渗理论分析对预测土体附加变形及强度弱化十分重要,但现有针对均质地基的Green-Ampt入渗分析模型运用于黄土区还有较多不足。基于黄土入渗饱和-非饱和分层假定,考虑入渗过程中土体实际渗透系数随深度的变化,对Green-Ampt模型进行修正,并用实例进行了验证;通过测量累积入渗量和含水率的时变规律,并结合Philip模型与Green-Ampt模型的相关关系及实际渗透系数随时间的变化关系获取模型参数。结果表明,相比于WGAM和Kostiakov模型,修正模型在黄土区的应用效果更好。在修正模型基础上,分析了饱和渗透系数、饱和含水率、初始含水率以及基质吸力对水分入渗深度的影响规律,并对参数的敏感指数进行了分析与对比。发现土体初始和饱和含水率变化对模型计算结果产生较大影响。该模型的建立对黄土地区水分入渗规律相关研究有一定的积极作用。

基于改进的Green-Ampt入渗模型的炭质泥岩粗粒土路堤边坡稳定性分析

针对降雨入渗的实际情况,将湿润锋至边坡表面的区域分为饱和区和非饱和区,入渗分为降雨强度控制阶段和土体入渗能力控制阶段,根据饱和区和非饱和区的厚度对入渗量和渗透系数进行修正。基于达西定律和质量守恒,利用入渗量和入渗速率的微分关系,对Green-Ampt模型进行改进。将改进后的模型用于炭质泥岩粗粒土路堤边坡稳定分析,利用Geo-studio进行边坡降雨入渗模拟和边坡稳定性分析,并将改进的Green-Ampt模型计算理论结果与数值模拟结果进行对比。研究结果表明:在相同降雨时间内,由改进的Green-Ampt模型计算得到的湿润锋深度、湿润锋推进速率和边坡安全系数更接近数值模拟结果;由改进的Green-Ampt模型计算得到的边坡安全系数始终比由Green-Ampt模型计算得到的边坡安全系数高。