负压渗管对土壤盐分淋洗效果影响的模拟研究

【目的】探究土壤淋洗过程中负压多孔渗管的出流机制及其对土壤水盐运移的影响特征。【方法】采用HYDRUS模型对埋设真空负压渗管的土壤剖面进行数值建模,模拟淋洗过程中不同土壤质地(粉质黏土、黏土、黏壤土、砂质黏壤土、砂壤土)、土表入渗水头(2、4、6、8、10cm)和渗管内负压水头(200、500、1000、1500、2000cm)组合情景下土壤水盐动态形式,并分析淋洗前后土壤脱盐率以及单位灌水对应的渗管排盐量。【结果】(1)负压渗管的排水主要源于下渗水在土壤剖面内形成的悬着水带,当悬着水带含水率达到饱和时排水通量达到最大。(2)负压渗管下土壤质地对负压渗管的排水排盐效果起决定作用,砂粒占比越高对应的脱盐效率和淋洗效率越高。(3)各处理的脱盐率与入渗水头和管内负压均呈微弱的正相关,但在砂质黏壤土和砂壤土中,增大入渗水头将降低淋洗效率。(4)负压渗管相对无渗管的脱盐率最大提升程度为7.91%,但提升程度从渗管上方向两侧递减,并在渗管下方存在随管内负压减小而范围扩大的积盐区。【结论】淋洗过程中负压渗管在偏砂性的土壤中模拟所得水盐的调控能力较强,能够在淋洗水量不变的条件下提升土壤的局部脱盐收益。

基于全过程监测数据的软土真空预压处理分析

东南沿海地区的特色软土层一直是该地区地基处理研究的热点和难点,真空预压作为一种理论成熟、效果显著、经济效益良好的地基处理方法,已积累了许多工程实践经验。为研究真空预压处理软土的固结效果,本文以福建省福州市连江某中学场地真空预压为例,对真空预压过程中产生的深层水平位移、地表总沉降及孔隙水压力的全过程监测数据进行统计分析发现:不同深度处土体水平位移量差异大;真空预压影响深度有限;软土厚度并非影响累计沉降量的唯一因素,还与排水板长度等因素相关。将真空预压处理前后的物理力学性质指标进行对比,发现真空预压在软土层中应用效果较好。所得规律可以为类似条件的工程项目提供参考。

降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测

为了对降雨诱发的非饱和膨胀土边坡失稳的机理有较深入的了解,在湖北枣阳选取了一个11 m高的典型的非饱和膨胀土挖方边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明:降雨入渗造成2 m深度以内土层中孔隙水压力和含水量大幅度增加,致使膨胀土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水膨胀软化而降低;同时,降雨入渗造成土体中水平应力与竖向应力比显著增加,并接近理论的极限状态应力比,以致软化的土体有可能沿着裂隙面发生局部被动破坏,此破裂面在一定条件下(如持续降雨条件下)可能会逐渐扩展,最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。

灌溉水中盐分对土壤结构性质及水流运动特征的影响

再生水和微咸水等用于农田灌溉对缓解农业用水紧缺、保证粮食稳产高产方面作用显著。但这些非常规灌溉水中的盐分进入受灌农田土壤会引起土壤结构性质的改变,进而引起入渗水流运动特征的变化,增大了农业灌水和施肥的管理难度及地下水受污染的风险。本文通过室内灌水入渗试验,研究了灌溉水盐分浓度(0、1.0、3.0和5.0 g/L)、灌水频率(1天1次、2天1次、4天1次)、含盐灌溉水-清水交替灌溉模式(纯清水灌溉、纯含盐灌溉水灌溉、含盐灌溉水-清水交替灌溉)对受灌土壤容重、团聚体结构稳定性、孔隙结构特征、地表入渗性能以及入渗水流运动非均匀特征的影响。结果表明,适度的盐分浓度、较低的灌水频率但较大的灌水定额、含盐灌溉水-清水交替灌溉均有利于提升土壤团聚体的稳定性、抑制土壤板结、改善受灌土壤的地表入渗性能、降低入渗水流运动的非均匀性。研究成果对再生水和微咸水农田灌溉制度设计具有参考价值。

大孔隙对土壤水分入渗特性影响的物理模拟试验

利用不同粒径砂石和大孔隙域模具模拟同一深度、不同有效面孔隙度,在特制试验装置中研究积水条件下大孔隙流的三维运移行为。结果表明:湿润峰平齐且稳定的转折时间和有效面孔隙度相关性较高;不同有效面孔隙度条件下累积入渗量符合Kostiakov模型但其参数是有效面孔隙度的函数;大孔隙的连通性在一定条件下对土壤水分的优先入渗起主导作用;大孔隙的存在导致大孔隙中心特征剖面湿润面积发生典型变化,给出了大孔隙中心特征剖面湿润面积增量的定量概念及其与有效面孔隙度之间的数学模型,并进行了验证,精度满足要求。

地表积水条件下滴灌入渗特性研究

大流量供水条件下滴灌入渗地表积水区域不断变大,直到通过积水区域的水分渗透能力和滴头的供水强度达到平衡。不同滴头流量条件下水平和垂向湿润锋的推进速率和入渗时间存在极显著的幂函数关系。滴头流量对湿润体水平和垂向湿润距离的比值有显著的影响,滴头流量越大该值也越大,并且该值随着入渗时间的增加而逐渐变小。滴灌积水入渗的稳定渗透通量Jo大于垂直一维入渗的稳渗率,并且Jo随滴头流量的增加而减小,Jo和地表积水半径的倒数呈显著的线性关系,根据Wooding入渗方程可推导出该直线的截距代表了一维入渗条件下土壤的饱和导水率。

库水位下降对滑坡稳定性的影响

三峡水库2003年蓄水后,滑坡将可能成为三峡库区最严重的地质灾害之一,库水位下降和暴雨是导致滑坡的主要因素。根据三峡库水位调控方案考虑库区极端暴雨情况,利用有限元模拟库水位在175～145m波动和降雨时红石包滑坡Ⅲ的暂态渗流场,将计算得到的暂态孔隙水压力分布用于滑坡的极限平衡分析,并考虑基吸力对非饱和土抗剪强度的影响。探讨不同降雨速度、降雨条件对滑坡稳定性的影响。研究表明:库水位下降对滑坡稳定性的影响受控于滑坡土的入渗能力和滑坡结构形态,当暴雨强度为300mm/d时,红石包滑坡Ⅲ的临界降速1m/d。其成果将为库区滑坡治理提供科学依据。

土壤质地和灌水器材料对负压灌溉出水流量及土壤水运移的影响

负压灌溉法是一种新近提出的节水灌溉技术,灌溉时供水水头为“负值”,即灌溉水源高程低于灌水器高程。不同材料灌水器和土壤质地是影响灌溉系统出水流量及土壤水运移的重要因素。该文研究了在高程差H为-0.5 m情况下两种灌水器及两种质地土壤对两者的影响。结果表明:灌水器相同时,累计入渗量、水平和垂直最大湿润距离随时间呈幂函数关系变化;在历时相同时黏壤土较砂壤土大;湿润体近似为六分之一的竖直椭球体,但黏壤土水平与垂直最大湿润距离之比大于砂壤土。土壤质地相同时,纤维灌水器较陶土灌水器出水流量高。试验结果进一步证明了负压灌溉的可行性,并为确定负压灌溉系统应用范围及规划设计过程中灌水器选择提供了依据。

土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响

为研究初始含水率和降雨强度对土壤入渗性能的影响,采用径流-入流-出流法和双环入渗法测量比较,采用不同降雨强度(204、0和60 mm/h)和3种土壤含水率(2.60%1、0.4%和19.5%)进行试验比较。结果表明:土壤入渗性能随着降雨强度的增加而降低,随着初始含水率的增加而降低;双环法测量的土壤初始入渗率随着含水率增加而增加,稳定入渗率则随着含水率的增加而降低。同时,通过Kostiakov、Horton和Philip入渗模型对试验结果进行回归分析,径流-入流-出流法测量结果均优于双环法测量结果,而且Horton入渗模型回归结果优于其他入渗模型。

城镇化人为扰动下垫面类型影响水源涵养功能的评价

城镇化引起的各种人为扰动地貌单元的水源涵养功能较原地貌明显降低是造成城市水土流失的主要原因,在降雨和排水管网设计能力一定条件下,也是加剧城市内涝的主要原因。该文采用野外调查、室内物理分析及AHP(analytic hierarchy process)层次分析综合评价法,系统地分析了各种人为地貌单元的物质组成和持水性能变化并综合评价了其对原地貌水源涵养功能的影响特征。结果表明:1)各种扰动地貌单元>2 mm土体颗粒质量分数在45%以上,原地貌<2 mm土壤颗粒质量分数在92%以上;扰动地貌不均匀系数和曲率系数分别在11.05~41.30和0.32~3.15之间变化,其中不均匀系数较原地貌减小了4.51%~80.27%;各种扰动地貌单元土壤容重为施工便道(1.74 g/cm3)>边坡绿化带(1.54 g/cm3)>1 a弃渣堆积体(1.48 g/cm3)>2 a弃渣堆积体(1.34 g/cm3)>3 a弃渣堆积体(1.31 g/cm3),比坡耕地依次增加33.85%、18.46%、13.85%、3.08%和0.77%;扰动地貌的土壤总孔隙度、土壤田间持水量和饱和含水量则表现出相反趋势。2)人为扰动地貌单元土壤入渗性能总体小于原地貌单元,而原地貌土壤稳定入渗率则在2.83~6.22 mm/min之间变化;当项目区林地转化为新弃渣堆积体时对降雨和城市洪水动态调节功能影响最大,转化为施工便道时影响最小;人为扰动地貌单元土壤水库总库容、兴利库容和滞洪库容总体低于原地貌,当项目区草地转化为施工便道时对土壤持水能力及调蓄地表径流能力危害最大。3)各种扰动地貌单元水源涵养能力明显小于原地貌单元,以施工便道(0.421)最差,林地最好(0.651);在城镇化过程中应重视城镇水面、林草地的空间分布及占地面积,对短期松散堆积体也最好进行临时绿化措施。4)加强对扰动地貌物质组成、大孔隙结构和降雨-径流-入渗连续性定位研究,同时关注各扰动地貌在不同压实条件下土壤水库蓄水性能对项目区雨洪过程线和排水系统的影响。研究结果可为城市水土保持生态服务功能恢复、城市绿化带建设和洪水内涝缓解提供科学依据。

不同含盐土壤圆盘入渗特征试验

不同含盐土壤水分入渗特征是获得准确的土壤水力参数的基础。该文通过圆盘入渗试验,分析了4种土壤在5个(-1、-3、-6、-9和-12cm)负水头下的入渗特征。结果表明,随着水头的减小,4种土壤的吸湿率线性减小,稳定入渗率和非饱和导水率呈不同程度减小。随土壤含盐量增加稳定入渗率和导水率呈增大规律。根据实测资料确定了不同负水头下非饱和导水率的Gardner指数模型参数,为盐渍化土壤水力参数的确定提供理论参考。

渗灌材料制备及导水性能分析

该文旨在确定渗灌渗水涂层成分的配比方案,制备出渗水性能良好的渗灌滴头。通过对所选用的蒙脱土MMT及聚丙烯酰胺PAM材料的结构和性能进行了分析和比较,设计制备工艺,制备渗灌滴头,在实验室内搭建了渗灌材料的实际渗水的试验平台;采用拉伸强度试验对渗灌导水涂层材料与纤维结合性能进行研究,用电子显微镜对不同配比的渗灌导水材料的形貌进行了观察并对其微观结构和组成进行了分析,在不同环境条件下对渗灌材料的渗水自调节性进行分析。结果表明:PAM/MMT悬浮液的配比为0.20 g/50 m L(1∶250)时导水材料的成膜性较,涂层成膜性较好,分布较均匀。对于以1∶250聚丙烯酰胺和蒙脱石制备的的渗水材料,温度一定时,随着环境土壤含水率的逐渐增加,渗水速率逐渐降低,土壤含水率一定时,随着环境温度的增加,渗水速率逐渐下降。该研究为渗灌材料制备提供参考。

再生水中阴离子表面活性剂对土壤结构与水流运动的影响

为揭示再生水回灌农田所引入的阴离子表面活性剂对土壤结构性质与水流运动特征的影响,通过室内灌水入渗试验研究了再生水中阴离子表面活性剂浓度(0、0.001、0.01和0.1倍临界胶束浓度)、灌水频率(1d1次、2d1次、3d1次)、再生水-清水交替灌溉模式(纯再生水灌溉、再生水-清水交替灌溉)条件下受灌土壤容重、非毛管孔隙比、团聚体稳定性、土壤斥水性、地表入渗性能和入渗水流运动非均匀特征的变化规律.结果表明,随着再生水中的阴离子表面活性剂浓度的增大和灌溉频率的增大,受灌土壤容重减小、非毛管孔隙比和土壤团聚体稳定性增大、土壤斥水性增强、地表入渗能力降低、优先流运动非均匀程度增大,从而也增大了农田灌水管理难度;当再生水-清水交替灌溉中的清水淋洗频率增大时,受灌土壤容重增大、非毛管孔隙比和土壤团聚体稳定性降低,但却降低了土壤的斥水性、增大了地表入渗能力并降低了土壤优先流运动的非均匀程度,有利于节省灌水时间、提高灌水效率.

采用TDR水分计研究非饱和黄土入渗及自重湿陷变形规律

通过在大厚度自重湿陷性黄土场地上进行大规模原位浸水试验,在浸水坑的不同位置和深度埋设TDR水分计,对水在竖向和水平向的入渗运移规律进行实测,研究黄土在地面浸水后的入渗规律与自重湿陷变形规律及其相互关系。研究表明:(1)水在土体中的入渗规律是水沿大孔隙先向下入渗,然后再渗透扩大饱和区的运移过程;(2)在水分的入渗过程中,深度22.5～25.0 m以上土体发生自重湿陷变形,以下土体含水量增加缓慢,达不到湿陷起始含水量,没有发生自重湿陷变形,因此,可考虑22.5～25.0 m作为现场湿陷性评价的临界深度,另外该深度可作为大厚度湿陷性黄土地区进行地基处理时的参考地基处理下限深度;(3)由TDR水分计得出的体积含水率变化曲线不仅可以用来测量体积含水率的时空变化,而且可以用来判定黄土是否发生湿陷变形以及湿陷敏感性和湿陷系数随深度的变化规律,也可粗略计算水在非饱和黄土中的扩散速度。

坡耕地地表糙度对降水分配的实验研究

地表糙度指地表微小的高低起伏变化,是人为土地管理与土壤侵蚀共同作用的结果,可以影响降雨过程中水分转化与土壤侵蚀过程。该文以直线坡为对照,借助3种常见耕作管理措施(人工锄耕、人工掏挖与等高耕作)产生不同水平的地表糙度,结合人工模拟降雨试验研究地表糙度水分转化效应。结果表明:长历时人工降雨条件下,地表糙度可以强化降雨向土壤水分转化。其强化入渗作用表现为:增加地表填洼量,增大入渗水头与入渗深度,滞后产流时间,削减径流量,进而提高入渗率及水分转化率。坡耕地地表糙度与填洼量成指数关系,与平均入渗率及水分转化率成对数关系。

油脂对红壤结构性质与水流运动特征的影响

本文通过室内灌水入渗试验,研究了灌溉水油脂浓度(0,1.0,3.0和10.0g/L)、灌水频率(1d1次,2d1次,4d1次)和灌溉模式(纯清水灌溉,纯含油脂灌溉水灌溉,含油脂灌溉水-清水交替灌溉)对受灌土壤结构性质与水流运动特征的影响.结果显示,随灌水进入到受灌土壤中的油脂主要集中在优先流通道中快速运动,优先流湿润锋处的土壤油脂浓度较高且不受灌溉水中油脂浓度的影响,表明即便是采用较低油脂浓度的灌溉水灌溉,依然对地下水系统存在较高的污染风险;高频率、低定额的含油脂灌溉水灌溉有利于进入到受灌土壤中的油脂向深层土壤运动,使得斥水性土层厚度增大,从而导致入渗水流运动的不确定性及地下水系统的污染风险均增大;油脂对受灌土壤团聚体的再团聚作用只有在其浓度较高时才能形成,含油脂灌溉水-清水交替灌溉因降低了受灌土壤的油脂浓度反而导致土壤团聚体分散和破碎.研究成果对再生水和原污水农田灌溉制度设计具有参考价值.

基于点入渗参数计算土质渠床自由渗漏损失的方法

基于非饱和土质渠床有压单点入渗试验,对自由渗漏情况下土壤有压入渗入渗率随时间的变化过程进行了系统性的分析,建立了渠床土壤有压点入渗经验模型,研究了土壤入渗模型参数与水深之间的函数关系。基于点入渗参数与水深之间的函数关系,提出了沿断面积分计算渠道输水渗漏量的模型。该计算模型通过入渗模型参数全面反映了渠道土质、干容重、含水量和水深对渗漏量的影响。计算实例表明:与考斯加科夫公式计算结果相比较,该计算结果可更真实地反映渠道渗漏量随时间的变化过程,并具有更高的精度,证明利用点入渗参数计算渠道输水渗漏量是可行的。

软土地区盾构掘进速度对地层扰动现场试验研究

针对上海软土地区盾构隧道工程,在盾构穿越监测断面全过程调整掘进速度,观察监测断面的水、土压力以及地层稳定性变化。根据实测并结合土体固结比、承压水等地层土性影响,运用土体扰动机制综合评定掘进速度改变的影响规律。分析表明,盾构在软土地区4倍直径(D=6.2 m)埋深地层中施工,在盾构土舱压力、注浆量等参数均不变的条件下,仅调整千斤顶推进速度变化对土体压力及变形的扰动效应有较大影响。盾构推进速度降低会使水、土压力的扰动空间范围减小、扰动所产生的压力增量减小,也使地表隆沉变化值更稳定。相应变化值由埋深和推速降低比例决定。试验为今后判断软土地区4D埋深盾构掘进速度扰动效应提供参考。

压力水头与土壤容重对微润灌溉水分入渗的影响

为探究微润灌溉条件下水分在不同压力水头、不同容重土壤中的入渗情况,通过室内土箱模拟试验,分别设置h=2.0、1.5、1.0 m的压力水头,土壤容重γ分别为1.20、1.30、1.40 g·cm^(-3),测定累计入渗量、湿润锋及土壤含水率3个指标。结果发现,水分累计入渗量与压力水头为正相关关系,与土壤容重为负相关关系;微润管在空气和地埋出流情况下的流量与压力水头均为线性增函数关系,相同压力下,微润管的空气出流量明显大于地埋流量,微润灌溉系统更适宜采用地下埋管方式;湿润锋是以微润管为中心的近似圆形,水平运移距离与垂直向下运移距离均大于垂直向上运移距离,重力对微润灌条件下水分运移有一定的作用,但该作用随着土壤容重的增加逐渐减小;湿润锋运移距离与时间的关系近似为幂函数关系,入渗指数约为0.5;土壤容重越大,水分在土壤中的入渗速率越小,土壤对水分的蓄持能力越弱;经计算,微润灌溉的灌水均匀性符合要求。

入渗水水质对土壤导水特性影响的试验研究

为探究不同入渗水水质对土壤导水特性的影响,采用圆盘负压入渗法进行试验研究,选取两种水质(蒸馏水和自来水)对黄壤和红壤进行4个压力水头(0,-3,-6,-9cm)下的圆盘入渗试验。结果表明,随着入渗水电导率的增大,土壤入渗率、吸渗率及导水率均随之增大,且红壤在不同电导率的入渗水作用下土壤吸渗率的变化差异显著(P<0.05)。在低水头压力下,两种水质入渗条件下测得的土壤导水率差异显著(P<0.05);在高水头压力下,两种水质入渗下测得土壤导水率差异不显著,表明入渗水水质对土壤导水率的影响主要发生在低压力水头下即在细孔隙下的导水特性上。两种土壤的大孔隙与中等孔隙对水流贡献率随入渗水电导率的增大而增大,而小孔隙对水流贡献率随入渗水电导率的增大而减小,入渗水水质对红壤土不同级别孔隙水流贡献率的影响显著(P<0.05)。研究分析相关参数的变化有利于探讨野外试验时入渗水水质对试验结果的影响,对于正确认识农田水文过程、开发利用劣质水资源、提高农业灌溉灌水质量和灌水效率等具有重要意义。