A modified Kozeny-Carman equation for predicting saturated hydraulic conductivity of compacted bentonite in confined condition

Kozeny-Carman(KC) equation is a well-known relation between hydraulic conductivity and pore properties in porous material. The applications of KC equation to predicting saturated hydraulic conductivities of sands and non-expansive soils are well documented. However, KC equation is incapable of predicting saturated hydraulic conductivity of expansive soil(e.g. bentonite) well. Based on a new dualpore system, this study modified KC equation for improving the prediction of saturated hydraulic conductivities of bentonites. In this study, an assumption that inter-layer space(micropore) has limited effect on fluid flow performance of compacted bentonite was adopted. The critical parameters including total porosity and total tortuosity in conventional KC equation were replaced by macroporosity and tortuosity of macropore, respectively. Macroporosity and microporosity were calculated by basal spacing of compacted bentonite, which was estimated by assuming that specific surface area is changeable during saturation process. A comprehensive comparison of bentonite’s saturated hydraulic conductivity predictions, including modified KC equation proposed in this study, conventional KC equation, and prediction method based on diffuse double layer(DDL) theory, was carried out. It was found that the predicted saturated hydraulic conductivity of bentonites calculated using modified KC equation fitted the experimental data better than others to a certain extent.

生物结皮生长发育对黄绵土抗侵蚀性能的影响

[目的]黄土高原退耕还林(草)工程驱动的生物结皮发育可显著抑制土壤侵蚀,为探明土壤抗侵蚀性能随生物结皮生长发育的变化特征及其响应机制。[方法]设置藻结皮、藓结皮和自然演替结皮3个处理,培育176天,系统研究生物结皮不同发育阶段及其类型差异对黄绵土抗侵蚀性能的影响。[结果](1)生物结皮盖度、厚度、生物量、叶绿素和粗糙度随生长时间均显著增加,培育初期藓结皮较高,培育末期自然演替结皮反而最高。(2)随生物结皮发育,土壤黏结力呈幂函数增强,较初期增加39.8%~60.3%;质量损失率呈指数函数减小,较初期降低45.6%~57.3%;饱和导水率变化趋势较为复杂,但培育末期均最低(0.08~0.12 mm/min)。(3)土壤黏结力随生物结皮盖度、厚度、叶绿素、生物量和表面粗糙度的增加呈幂函数增长,质量损失率随生物结皮盖度、厚度、叶绿素、生物量和表面粗糙度的增加呈指数函数下降。(4)土壤抗侵蚀综合指数(C_(ser))可表示为盖度(Cov)、厚度(T)和生物量(B)的幂函数(Cser=0.279 Cov^(0.194)T^(0.188)B0.119,R^(2)=0.73,p<0.05)。[结论]黄土高原生物结皮发育可显著提高黄绵土抗侵蚀性能,藓结皮效果最强。

绿色屋顶景天植物根系分布特征及其对饱和导水率的影响

为丰富我国绿色屋顶中景天属植物根系分布特征的研究及探讨根系特征参数与绿色屋顶基质层饱和导水率间的关系,选用景天属植物垂盆草、佛甲草种植于珍珠岩基质中,基质厚度为6、10、14 cm,结合武汉市降水特点对植物采用统一浇水制度进行培养,选取根长密度、根表面积密度、根体积密度来描述根系形态,并测定基质的饱和导水率;以无植物组为对照组,定量比较不同基质厚度下绿色屋顶景天属植物根系分布特征及其饱和导水率的变化差异。结果表明:1)景天属植物的根长密度、根表面积密度、根体积密度受珍珠岩基质厚度影响显著。6 cm基质中植物的总根长密度最大,这与基质中直径为0.2~0.4 mm根的根长密度占比大有关;14 cm基质中植物的总根表面积密度、根体积密度最大,这与基质中直径为1~2 mm根的根表面积密度、根体积密度占比大有关。2)景天属植物根系对珍珠岩基质饱和导水率的改变显著。相比无植物组,景天属植物根系的加入使得珍珠岩基质的饱和导水率改变了-98.95%~-95.15%,有植物组的饱和导水率远低于无植物组;而有植物组间,珍珠岩基质的饱和导水率与景天属植物直径为0.2~0.4 mm根的根长密度(P=0.050,R2=0.786)、根表面积密度(P=0.047,R2=0.818)、根体积密度(P=0.044,R2=0.824)呈显著正相关。

农田土壤表层饱和导水率的条件模拟

本文简单地介绍了地统计模拟中的序贯高斯方法 ,以农田土壤表层饱和导水率Ks为例 ,对其分别进行了条件模拟和克立格插值 ,并将条件模拟、克立格插值结果与实测数据进行了对比分析 .结果表明克立格插值具有明显的“平滑”效应 ,改变了Ks数据的空间结构 ;而条件模拟具有与实测数据相同的空间自相关结构 ,并且对未知点的模拟值具有不确定性 .因此 ,条件模拟对于研究那些具有空间不确定性且会对环境带来不良影响的风险性变量 ,更具有实际意义 .

降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡可靠度分析

土体饱和渗透系数表现为天然的变异性,为此基于Green-Ampt模型建立了考虑饱和渗透系数变异性的降雨入渗物理模型,并藉此模型确定了坡体湿润锋深度和含水率分布。然后结合无限长非饱和土边坡稳定模型得到解析形式的反映边坡稳定性的极限状态函数。采用Monte Carlo法对饱和渗透系数进行随机抽样并最终建立降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡概率分析框架。针对一假想边坡,探讨了饱和渗透系数的变异系数、降雨持时和降雨强度对边坡破坏概率以及破坏发生时间概率分布的影响,结果表明:在降雨初期,边坡的破坏概率随饱和渗透系数变异性的增强而逐渐增加,但随着降雨的持续,破坏概率开始随变异性的增强而显著降低;滑坡最可能发生时间的大小并不受饱和渗透系数变异性的影响,而是直接取决于降雨强度;滑坡最可能发生时间所对应的概率却随变异性的增强而逐渐减小。

科尔沁沙丘-草甸相间地区表土饱和导水率的土壤传递函数研究

以科尔沁沙地典型坨-甸相间地区为研究区,野外布设240个采样点,对流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、沙丘区杨树林、沙丘区耕地、低覆盖度草甸、高覆盖度草甸、草甸区耕地、撂荒地9种地貌类型下的表层土壤进行了采样,测定了其含水率、干容重、有机质、饱和导水率等理化特性,分析了不同地貌类型下表层土壤理化参数差异。选取Campbell、Cosby、Wosten等、Saxton等4种土壤饱和导水率传递函数,对该地区表土饱和导水率进行了预测。结果显示这几种土壤传递函数预测值与实测值偏差较大,相关系数均小于0.3,精度难以满足本地区应用。在此基础上,选取土壤容重、有机质含量、饱和含水率、平均粒径、粒径标准偏差5种土壤特性参数作为输入变量,采用主成分分析与非线性回归分析相结合的方法,重新建立了预测本地区表土饱和导水率的土壤传递函数,结果显示预测值与实测值相关系数为0.661,该传递函数可用于科尔沁沙地表层土壤饱和导水率的预测。

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。

黄土高原六道沟流域不同土地利用方式下土壤水力特性及其对土壤水分的影响

采用地统计学中交互相关系数方法,对黄土高原六道沟流域农田、荒草地、林地、苜蓿地4种土地类型土壤剖面水力特性及其对水分分布的影响进行了分析.结果表明:研究区农田与荒草地的土壤特性相似,苜蓿地与林地相似;相同吸力条件下,土壤水分以农田最大、林地最小,而饱和导水率则相反;除土壤水分消耗期的林地和苜蓿地土壤水分随土层深度增加呈上升趋势外,其他时期各土地利用方式下土壤水分均随土层深度的增加而降低.土壤剖面饱和导水率与土壤含水量之间的影响程度依土壤水分条件而异:水分补偿期,剖面土壤饱和导水率对滞后其空间距离0～40cm土层内的土壤含水量具有显著影响,而土壤水分含量对饱和导水率的影响范围为0～50cm;水分稳定期,饱和导水率与土壤含水量的相互影响范围均在0～60cm;水分补偿期和稳定期,二者之间为正相关;土壤水分消耗期,农田和荒草地饱和导水率与水分含量呈正相关,饱和导水率对土壤水分含量的影响范围在滞后其空间范围0～80cm土层内,而土壤水分含量对饱和导水率的影响范围在0～60cm内,林地和苜蓿地则呈负相关,相互影响范围均在0～60cm土层内.

利用圆盘入渗仪推求含碎石土壤饱和水力传导度(英文)

在模拟土柱中,利用圆盘入渗仪对碎石对土壤饱和水力传导度的影响进行了分析。结果表明含碎石土壤饱和水力传导度可以通过对不同负压下土壤稳定入渗速率进行非线性回归获得。含碎石土壤饱和水力传导度与去除碎石后的土壤饱和水力传导度及碎石形状指数密切相关。试验中含碎石土壤的饱和水力传导度随碎石含量的增加而呈指数降低趋势。

红壤丘陵区土壤渗透性及其受植被影响分析

选择中科院湖南桃源农业生态试验站典型覆被坡面作为研究对象,通过现场实验与野外采样分析,确定不同覆被的土壤饱和渗透系数及不同埋深的非饱和导水率曲线,分析红壤丘陵区土壤渗透性及其受植被的影响。结果表明,植被类型显著影响土壤渗透性能,其渗透能力由强至弱依次为原生林、油茶林、针叶林和恢复区裸地。不同根系特征土壤的入渗能力不同,根系愈发达渗透性愈好。由此也证明了所得到不同埋深的土壤非饱和导水率曲线的可靠性,为下一步红壤丘陵区生态水文模拟提供分析基础。

非平稳随机场下饱和渗透系数空间变异性的无限长边坡稳定概率分析

土体饱和渗透系数表现为天然的空间强变异性,其均值通常沿土层深度方向呈递减趋势,但目前鲜有文献考虑这一特性。为此,以FLAC为平台,利用fish语言基于局部平均法建立了表征土体饱和渗透系数均值随深度递减的一维非平稳随机场模型,采用FLAC两相流模块模拟雨水的入渗过程,以蒙特卡罗法为框架,结合考虑正孔隙水压力的广义有效应力无限边坡稳定模型,探讨了饱和渗透系数空间变异性在不同降雨时刻下对边坡最危险滑裂面分布规律以及相应的边坡破坏概率的影响。结果表明:忽略饱和渗透系数的空间变异性的确定分析方法将不能真实反映边坡的安全性;随着降雨持时的增加,边坡最危险滑裂面发生在坡底基岩处的概率逐渐降低;随着饱和渗透系数竖向相关距离的增加,边坡最危险滑裂面发生在坡底的概率逐渐增加,而相应的边坡破坏概率却随竖向相关距离的增加而逐渐降低。

压实度对宽级配土水力特性的影响研究

宽级配土是修建土石坝心墙和堤防的良好填料,其水力特性决定了土石坝心墙和堤防的防渗性能。对于给定级配的土体,压实度是其水力特性的主控因素。首先通过室内试验测量压实度对宽级配土水力特性的影响规律,然后通过数据分析,建立了考虑压实度影响的水力特性模型。研究结果表明:土体压实度越高,颗粒间的大孔隙越少,土体进气值越高,饱和渗透系数越低;提出了一个考虑结合水含量的修正渗透吸力计算公式,可以很好地描述风干土的渗透吸力随含水率的变化规律;土体进气值和压实度在半对数坐标系上呈线性关系;土体饱和渗透系数和干密度在半对数坐标系上呈线性关系;回归了进气值、饱和渗透系数、非饱和渗透系数与压实度之间的经验模型,建立了针对宽级配土整个土-水力学特征曲线影响的经验计算公式,具有一定的普适性。

不同复垦方式排土场砾石对饱和导水率和贮水能力的影响

露天煤矿排土场是由矿井下采出的煤矸石,露天矿剥离的表土、岩石及覆土共同组成的松散土石混合堆积体,其内部含有的砾石对土体导水性能和贮水能力有重要影响,以往关于砾石对土壤水分的影响多集中于自然土壤,缺乏对排土场、弃渣场等土石混合工程堆积体的水文-侵蚀过程研究。以海州露天煤矿排土场为研究对象,基于野外调查采样和室内定水头入渗试验,研究了排土场不同复垦方式下土体砾石分布特征及其对饱和导水率和贮水能力的影响,以期为提高矿区水土资源利用效率提供理论依据。结果表明,不同复垦方式下排土场砾石总量随土层深度呈现增加的趋势,并且土体剖面砾石总量的平均值表现为农用地最小,这可能是由频繁耕作导致,不同土层之间砾石总量无显著差异;排土场土体不同粒径砾石相对含量平均值的大小顺序为(2~10 mm)>(>20 mm)>(10~20 mm),表现为大粒径砾石在各种因素的综合作用下正逐渐变为细粒径;排土场土体饱和导水率均表现为灌木林地最高,农用地和荒草地较低;饱和导水率与各粒径砾石含量之间呈极显著线性正相关,且随着砾石粒径的增大其相关性越强;排土场土体贮水能力各指标均以灌木林地和荒草地最强,乔木林地和农用地最差,并且饱和贮水量与各粒径的砾石含量之间均存在显著或极显著的相关关系,最大滞留贮水量与各粒径的砾石含量之间均呈现显著的幂函数相关关系,最大吸持贮水量与粒径2~10 mm砾石含量之间存在显著抛物线相关关系;对于>20 mm的粒径而言,影响土壤贮水能力的砾石含量阈值为14%。

黄土高寒区小流域土壤饱和导水率和土壤密度的分布特征

为了明确土壤饱和导水率K s和土壤密度ρs对小流域土层深度、坡向、坡位的响应,在黄土高寒区典型小流域选取退耕年限相同的林地采用网格法布设72个样点,按20 cm深度间隔挖取0~60 cm各土层原状土样,利用烘干法和定水头法对ρs和K s进行测定并分析。结果表明:1)小流域内K s属于中等变异程度,ρs属于弱变异程度,均符合正态分布,且存在显著负相关性;K s和ρs与土壤孔隙状况和机械组成均有显著相关性。2)K s在流域内随土层加深逐渐减小,ρs则随土层加深呈增大趋势,差异性均不显著(P>0.05)。3)沿坡面向下K s呈增大趋势,ρs则逐渐减小。4)K s在不同坡向表现为北坡>南坡>东坡,ρs总体表现与之相反的规律,不同坡向、不同坡位间差异显著(P<0.05),即流域内沿坡面向下土壤导水性能增强,北坡、南坡土壤导水性能优于东坡。

地表水力特性对植被过滤带中胶体迁移的影响

地表坡面流通过植被过滤带(VFS)时,植物的茎与枝会把水流的动能转化为湍流的动能,改变地表水的水力特性,进而影响胶体颗粒物的迁移。为了探讨不同水力特性的地表坡面流对胶体在VFS中的迁移和去除机制产生的影响,进而为利用VFS去除胶体污染物的工程设计提供理论依据,通过室内试验,观测不同雷诺数地表坡面中胶体在VFS的迁移过程,同时耦合水量平衡方程与胶体运移方程,构建数值模型模拟胶体在VFS中的迁移。结果表明:随雷诺数增加,绕流状态逐渐复杂、规律性降低,胶体沉积吸附过程加强。同一水力特性条件下,处于不利吸附状态的胶体沿程粒径增大、表面电势减小,使扩散能力和沉积吸附能力减弱。但随雷诺数增加,VFS对胶体的去除效率降低,是由于在土壤饱和状态下流速的增加,胶体向土壤扩散过程减少。

降雨因素对土壤表面结皮发育的影响

为研究降雨因素在土壤表面结皮发育过程中的作用,结合物理模型实验方法和基于物理概念的水文响应数值模拟,以土壤表面的饱和水力传导系数Ks值作为评价指标,研究分析了雨强和累积降雨量两个降雨因素对结皮发育程度的影响。结果显示:Ks值随累积降雨量的增加而减小,且在累积降雨量较小时,Ks的减小速度更快,约为后期速度的23倍;最终累积降雨量近似的情况下,雨强较大时Ks更容易达到一稳定值;在降雨过程中,雨强与Ks的关系前后不一致。研究结果表明:降雨过程中结皮发育是个复杂的动态变化过程。

华北平原耕作土壤特性对基因工程菌迁移的影响

基因工程菌在土壤中的迁移是影响污染土壤生物强化修复的重要因素.在华北平原饱和耕作土壤中,考察了1株阿特拉津降解基因工程菌迁移留存及其影响因素.结果表明,在饱和耕作土壤中,平流渗透是基因工程菌迁移的主要机制,其过程可用过滤模型拟合.土壤性质对孔隙水流和基因工程菌迁移具有显著影响.随着土壤粒径、孔隙率和土壤砂粒组分增加,土壤水力传导率常数增大,基因工程菌过滤系数减小,土壤对基因工程菌过滤留存作用降低.土壤条件不变时,增加入渗流量也会增大土壤水力传导率常数,减小基因工程菌过滤系数.饱和土壤中,水力传导率常数为5.02~6.70 m·d-1时,基因工程菌在土壤中的过滤系数为0.105~0.274,二者存在显著负相关关系.

活性炭比例对四合土隔离层重金属阻滞能力的影响

为探究活性炭比例对四合土隔离层重金属阻滞能力的影响,在三合土中添加不同量的活性炭构建四合土隔离层,测定重金属离子穿透隔离层时间并运用两区模型拟合重金属离子在隔离层内的弥散扩散系数(D)和阻滞系数(R)。结果表明,随着隔离层中活性炭比例的增加,隔离层饱和导水率增大;隔离层材料黄土、熟石灰、活性炭、细沙比例为5∶2∶1∶2时,重金属Zn、Cd、Hg、Pb、Cu穿透时间分别延长了20.0%、16.0%、5.0%、8.0%、6.0%;隔离层材料黄土、熟石灰、活性炭、细沙比例为5∶1.5∶1.5∶2时,重金属Zn、Cd、Hg、Pb、Cu穿透时间分别延长了25.5%、19.8%、7.4%、7.2%、2.7%;添加活性炭的隔离层可以不同程度提高重金属Zn、Cd、Cu的阻滞系数。