初始含水率和降雨能量对黑土团聚体溅蚀特征的影响

[目的]为明晰降雨能量和初始含水率对土壤团聚体溅蚀过程机制的影响。[方法]选取东北典型耕层黑土为研究对象,通过人工模拟降雨试验,探讨不同初始含水率、降雨能量和团聚体初始粒径的团粒溅蚀特征。[结果](1)4种初始粒径黑土团聚体的溅蚀量均在初始含水率4%时最大,其中初始粒径<0.25 mm团聚体溅蚀量是相同降雨能量下各粒径团聚体溅蚀量的1.21~5.50倍。随初始含水率的增加各初始粒级团聚体溅蚀量呈减小趋势,而初始含水率>25%后则呈增大现象。(2)4种初始粒径黑土团聚体的溅蚀量均随降雨能量的增加而增大。相较于降雨能量305 J/(m^(2)·h)(1 m)条件,当降雨能量增加至909 J/(m^(2)·h)(5 m)时,不同初始粒径团聚体溅蚀量分别增加15.37~20.70(<0.25 mm),52.30~417.60(0.25~1 mm),51.58~359.36(1~3 mm),68.73~777.99倍(3~5 mm)。不同初始粒径黑土团聚体溅蚀量存在明显的阈值,当降雨能量达到529 J/(m^(2)·h)(2 m)以上时,不同降雨能量梯度下的溅蚀量存在显著差异。(3)降雨能量是影响溅蚀量的关键因素。降雨能量对溅蚀量的直接效应为0.811,存在显著正向影响,且相关程度最高;初始含水率和团聚体初始粒径的直接效应分别为0.193和0.352,存在显著负向影响。[结论]研究结果可为东北黑土区坡面土壤侵蚀过程机制研究和土壤侵蚀机理模型构建提供科学依据。

初始含水率对三江并流区消落带含根土壤崩解性的影响

【目的】研究初始含水率对三江并流区消落带含根土壤崩解性的影响,为该区域消落带土壤侵蚀防控和植被恢复提供依据。【方法】通过野外崩解试验测定不同初始含水率下狗牙根(Cynodon dactylon)、美人蕉(Canna indica)、风车草(Cyperus alternifolius)、花叶芦竹(Arundo donax var.versicolor)和菖蒲(Acorus calamus)5种消落带适生植物原状含根土壤的崩解指标,用根系分析仪分析其根系特征,并分析崩解指标与根系特征的相关性。【结果】初始含水率为7.2%、11.4%、15.2%和36.7%(饱和)时,有根处理的平均崩解量分别为素土的77.0%、92.4%、112.1%和362.8%,崩解速率分别为素土的71.4%、106.6%、127.5%和400.0%。在非饱和状态,直径≤1 mm的根系具有明显的抗崩解作用,而直径>2 mm的根系具有促进崩解的作用;在饱和状态,直径≤1 mm的根系特征与崩解量和崩解速率的关系均不明显,直径>1 mm的根系具有促进崩解的作用。5种植物根系中,以狗牙根的抗崩解性最强,美人蕉最弱。【结论】初始含水率较低时,草本植物根系能抑制土壤崩解;初始含水率较大时,根系会促进土壤崩解。直径>2 mm的根系具有促进崩解的作用,在三江并流区消落带植被恢复中,在适生性的前提下应优选细根植物。

初始含水率非均匀分布的无限边坡稳定性计算模型研究

降雨入渗模型与边坡稳定性分析相结合是分析降雨诱发浅层滑坡的有效方法。文章考虑初始含水率非均匀分布对稳定性的影响,结合已有文献提出一个初始含水率呈线性分布的无限边坡稳定性简化计算模型,并运用Mein-Larson入渗模型及数值模拟方法验证该模型的可行性和计算精度;讨论同一土质和坡度条件下,降雨强度p、含水率线性变化率k以及地表初始含水率θ0对模型计算精度的影响。结果表明:简化模型能够较为准确地描述恒定降雨入渗过程,并且适用于降雨强度大于土壤入渗能力时的无限边坡稳定性分析计算;采用简化模型进行稳定性计算,p相同时,k值的变化对入渗深度Z w的计算精度影响较为显著,而对安全系数F s计算精度的影响总体上不明显;对于给定土质和坡度的无限边坡,当θ0值取0.15、k值取0.07时,采用该模型计算Z w的精度最高;与严格的数值模拟方法相比,该文提出的简化模型公式较为简单、计算用时较少,计算效率得以提高。研究结果为降雨型滑坡的稳定性分析提供了借鉴和参考。

考虑初始含水率沿程不均匀分布的畦灌技术要素调控

畦田土壤初始含水率是影响灌水质量的重要因素之一,由降雨产流导致的畦田土壤含水率沿程不均匀分布是华北平原农田常见的现象。为探究土壤初始含水率空间变异性对畦灌水流运动以及灌水质量的影响,本文开展一维土柱入渗试验与二维土槽灌溉试验,结合WinSRFR地面灌溉模拟模型,优化求解初始含水率沿程不均匀条件下的畦灌技术要素。结果表明:畦田土壤初始含水率沿程增幅越大,畦灌田面水流推进速度越快,田面水流消退速度越慢;相较于初始含水率均匀分布,畦田土壤初始含水率沿程不均匀分布条件下,灌水效率和灌水均匀度有所下降,储水效率无明显变化;当畦田土壤初始含水率沿程增加时,灌水效率和储水效率受畦田长度、入畦单宽流量及改水成数的影响,而灌后土壤水分均匀度仅受畦田长度和单宽流量的影响;当畦田土壤初始含水率沿程由0.1890 m~3/m~3均匀增大至0.4643 m~3/m~3时,畦田长度L为85 m、改水成数G为6、单宽流量q为7.0 L/(m·s)时可取得最优灌水质量。本研究结果可为降雨产流带来的畦田土壤初始含水率不均匀条件下的灌水技术要素调控提供科学依据。

巴东组泥岩重塑土在不同初始含水率条件下强度及膨胀特性研究

泥岩在中国分布广泛,遇水后易膨胀、软化,对工程有很大的潜在危害。以郑万高铁沿线巴东组泥岩重塑土为研究对象,开展了不同初始含水率的泥岩重塑土强度及膨胀特性试验研究。结果表明:泥岩重塑土抗剪强度随着法向应力增大而线性增大,用Culomb公式拟合较好;泥岩重塑土黏聚力和内摩擦角均随着初始含水率的增大而减小;泥岩重塑土膨胀率随着初始含水率的增大而迅速减小;存在泥岩重塑土膨胀率为0时的临界含水率wcr,wcr处于土体塑限含水率wp±3.50%范围内,表明泥岩内部强结合水的厚度即双电层中的固定层控制着泥岩膨胀变形。

初始含水率对膨胀性红黏土胀缩及崩解特性的影响

为研究膨胀性红黏土胀缩及崩解特性,开展了不同初始含水率下红黏土的胀缩和崩解试验,利用视频照片与扫描电子显微镜(SEM)从细微观角度分析了产生崩解差异性的原因。本文以甘肃庆阳的某高速铁路隧道红黏土为例,以5%为含水率变化梯度,研究了3%、8%、13%、18%含水率下弱膨胀性红黏土的胀缩、崩解变化及其微观机制与分维特性。结果表明:膨胀总率与含水率呈分段函数关系,含水率在11.6%时胀缩变化最小;含水率越低其崩解时间越早且速度较快,崩解裂隙度随浸水时间具有快速增长、缓慢增长、趋于稳定的规律,3%含水率时裂隙度最高可达4.6,而最大裂隙宽度则随着浸泡时间呈现先增大后减小的趋势;低含水率下较分散的凝聚体单元和较高含量的微孔隙是导致宏观结构破裂的主要原因,孔隙分形维数与含水率成二次函数正相关关系,分形维数越低其结构破裂越快、泥化程度越高,崩解也更完全。

不同初始含水率下风沙土地下渗灌水分运移特性研究

【目的】探究风沙土埋设新型地下渗灌系统后土体水分运移规律,明确地下渗灌管适宜的埋设间距和埋土深度。【方法】运用室外土箱模拟试验,监测了不同初始含水率(5.1%、11.5%、16.8%)湿润体承压后土壤水分入渗趋势和再分布规律,并运用数学模型对入渗过程进行了拟合。【结果】地下渗灌下湿润体形状近似以渗灌管为中心的椭圆状,同一时段初始含水率越大,湿润锋运移速率越快,累计入渗量和入渗速率越小,累积入渗量和入渗时间呈幂函数关系,而入渗指数则随初始含水率的增大而增大;与Kostiakov模型(R^(2)为0.783)、Philip模型(R^(2)为0.785)和通用经验模型(R2为0.923)相比,Horton模型(R^(2)为0.943)对不同初始含水率下风沙土入渗过程拟合效果较好,该模型更适用于描述地下渗灌风沙土的水分入渗过程;初始含水率为5.1%、11.5%、16.8%条件下,渗灌管适宜埋深应分别小于10、20、30 cm,管间距应分别小于30、60、90 cm,【结论】综上可知,风沙土湿度越大,渗灌管埋深越深,管间距可相应增大。

初始含水率和有机质对水泥土强度影响规律试验研究

为研究不同初始含水率和有机质含量下水泥土的抗压、抗折、抗剪强度变化规律及其相互关系,选取珠海典型软土制备不同水泥土试样,分别进行无侧限抗压试验、抗折试验、压缩试验以及三轴剪切试验。分析不同初始含水率、水泥掺量和有机质含量对水泥土抗压、抗折和抗剪强度的影响。结果表明:水泥土无侧限抗压强度与抗折强度均随初始含水率和有机质含量的升高而降低,且水泥掺量越大,降低的幅度越大。初始含水率从40%提高到80%,抗压强度降低幅度达80%;有机质含量从3%升至20%,抗折强度降低约30%,抗压强度降低幅度达35%,且初始含水率越高,有机质含量对强度的影响程度越大。压缩模量随水泥掺量的增加而提高,提高的幅度随含水率升高先增加后减小。三轴试样剪切破坏形式随着初始含水率的提高由脆性向塑性转变,内摩擦角和黏聚力随含水率的升高、水泥掺量的降低呈非线性下降趋势,初始含水率从40%增至80%时水泥土的内摩擦角降低0.25~0.42倍,黏聚力降低约0.52倍。基于试验结果,建立抗压强度与抗折强度、压缩模量、黏聚力之间的线性经验公式,并根据无侧限抗压强度与水泥掺量和有机质含量的经验关系,给出不同初始含水率和有机质含量下水泥土搅拌桩现场施工水泥掺量取值范围,为软土区域水泥土搅拌桩的设计和施工提供参考。

冻融循环作用下不同初始含水率土体损伤效应研究

为研究土体在冻融循环作用下不同初始含水率土体的损伤情况,以土体剪切、压缩实验为基础,测得土体物理、力学性质随冻融循环次数增加发生的变化,并通过改变土体初始含水率进一步研究冻融循环作用下不同初始含水率土体物理、力学性质的变化率。探讨冻融循环作用下土体损伤的内在原因,对比不同初始含水率对冻融循环效应的影响程度,并针对地质灾害提出可行、有效的防治措施,以达到维护人民生命、财产安全的目的。研究表明,土体剪应力、孔隙比、黏聚力受冻融循环作用影响较大,且随着含水率增加剪应力、孔隙比、黏聚力在一定范围内受冻融循环作用的影响会更加明显,孔隙比随着冻融循环次数增加其降低的速率逐渐减小。针对冻融循环作用下土体的损伤情况,建议采用水体规避和土体改良两种思路进行预防、治理。水体规避主要目的是避免地基持力层处在冻胀的影响范围内,土体改良的目的是减少土体中水的存储空间和减小冰透镜体的体积。

不同初始含水率黄土雨滴溅蚀试验

降雨特性、土质类型及其改良措施是影响土壤侵蚀的重要因素,为了给黄土高原地区土壤侵蚀防治及相关研究提供参考,以延安地区某边坡上更新统原状黄土为研究对象,制备原状、干燥、增湿3种圆柱体试样(初始含水率分别为14.5%、4.5%、33.6%),试验方案为2个雨滴直径(3.0、5.0 mm)、3个雨滴频率(10、50、100滴/min)、雨滴落差1000 mm、降雨历时60 min,利用自行设计的单雨滴溅蚀试验平台进行不同初始含水率黄土的雨滴溅蚀试验,结果表明:1)随着降雨历时延长,雨水从雨滴降落点不断向四周渗透扩散,在雨滴连续击溅作用下试样表面形成由小到大、由浅变深近似圆形的溅蚀坑;溅蚀坑深度随降雨历时延长而增大、随降雨强度提高而增大,不同初始含水率黄土试样溅蚀坑深度随降雨历时的变化趋势基本一致,大致可分为快速增长、持续强化、稳定渐变3个阶段。2)相同初始含水率条件下,试样溅蚀破坏直径和溅蚀扩散直径随降雨强度提高而明显增大;相同降雨强度条件下,干燥试样雨水入渗量和入渗范围较大,增湿试样溅蚀坑内的薄层积水使雨滴溅蚀破坏减弱;小雨情况下初始含水率较高的土体易被溅蚀,而强降雨情况下初始含水率较低的干土易被溅蚀。3)溅蚀扩散直径为溅蚀破坏直径的2.1~3.3倍,溅蚀破坏直径、溅蚀扩散直径和溅蚀量(体积)受土体初始含水率影响显著。

初始含水率对吹填土地基真空预压加固效果影响分析

为研究不同初始含水率下沉降变化规律,以软土地基处理工程为例,采用有限元数值分析方法模拟真空预压作用下欠固结土的沉降变形,得到在真空预压作用下土体沉降变形以及孔压消散的过程。通过数值模拟分别对5种不同初始含水率的欠固结土进行沉降分析,结果表明:初始含水率小的土体趋于稳定时间较快且沉降量较小,随着初始含水率的增大,土体趋于稳定的时间较长且沉降量逐渐增大,采用最小二乘法分析最终沉降量与初始含水率的关系得到最优拟合方式为线性拟合以及对应的拟合公式为s=22.95w_(0)-1101.6。

变化初始含水率条件下土壤入渗特性试验及模拟研究

为研究初始含水率对土壤入渗特性的影响,设置5种不同处理(初始含水率分别为1.5%、7.5%、13.5%、19.5%、25.5%)进行室内土柱试验,记录各土柱的入渗时间和灌水量,利用规划求解工具确定Kostiakov-Lewis模型、Horton模型和Philip模型3个模型参数。结果表明:①初始含水率一定时,累积入渗量随时间逐渐增大,入渗速率随时间逐渐减小,初始含水率对入渗速率有显著影响。②当初始含水率≤19.5%时,3个模型的适用性均较好,实测值与模拟值的相关系数均在0.99以上,当初始含水率>19.5%时,Kostiakov-Lewis模型和Philip模型的适用性较好,Horton模型的适用性较差。③在Kostiakov-Lewis模型中,入渗系数k随初始含水率的变化波动最大,稳渗率f0波动最小,入渗指数α介于两者之间;在Horton模型中,初始入渗率i0随初始含水率的变化波动最大,稳渗率ic波动最小,参数β介于两者之间;在Philip模型中,土壤吸渗率S随初始含水率的变化波动较大,稳渗率A波动较小。

初始含水率和菌群演替在雪茄烟叶发酵产香中的作用

以雪茄CX-14烟叶为材料,研究了初始含水率(30%、34%、38%)对雪茄烟叶发酵产香的影响,并通过宏基因组测序技术明确了雪茄烟叶的菌群结构及功能基因变化,分析了优势菌属在发酵过程中的贡献度,探明了菌群演替与雪茄烟叶香气产量变化的相关规律。结果表明:当雪茄烟叶含水率回潮至34%时,发酵后的苯丙氨酸转化产物、类胡萝卜素降解产物、西柏烷类降解产物、棕色化反应产物含量和香气总量分别比发酵前提高了77.2%、167.1%、28.6%、51.5%和169.3%,香气总量分别比30%和38%含水率组提高了26.6%和21.7%;通过宏基因组学分析,发酵后葡萄球菌属(Staphylococcus)丰度占比高达87.8%,是绝对优势菌属,而且其对发酵过程中的次生代谢物生物合成、ABC转运蛋白、氨基酸生物合成等代谢过程的贡献度超过了85%;经发酵菌属与烟叶香型相关性分析,发现类胡萝卜素转化产物是香型的主要呈现者,而且葡萄球菌菌属在香型节点最突出,是呈现香型的最大贡献者。综上所述,雪茄烟叶发酵前的最适含水率为34%,发酵过程中葡萄球菌属对雪茄烟叶发酵的香气产量有显著促进作用。

初始含水率和干密度对膨胀土膨胀力影响的试验研究

不同地区的膨胀土在特定条件下的力学特性具有一定的地域性。试验采用恒体积法测量膨胀土的膨胀力,且用核磁共振技术测量膨胀力稳定后试样的孔隙结构,分析不同初始含水率和干密度对宁明膨胀土膨胀力的影响。结果表明:在中、低干密度状态下,宁明膨胀土的膨胀力随时间的变化呈现快速增长、趋于稳定、缓慢增长、稳定状态4个阶段;在高干密度状态下,宁明膨胀土的膨胀力先快速增长,然后增长速率越来越慢,最终达到稳定状态;用蒸馏水配制土样的初始含水率时,宁明膨胀土的初始含水率越高、干密度越大,配土过程中膨胀能释放越多;孔隙大小直接影响水分子进入土体内部的效率,进而影响膨胀力稳定的时间。

土壤初始含水率对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响

在防止土壤侵蚀和雨后抑制蒸发的条件下,利用室内人工降雨试验,研究了土壤初始含水率对坡面降雨入渗、湿润锋运移及土壤水分再分布规律的影响。结果表明:初始含水率越高,产流越快,平均入渗率越小,达到稳定入渗率的时间也越短;当初始含水率均匀分布时,降雨入渗和再分布过程中湿润锋面平行坡面垂直向下整体运移,坡面降雨入渗过程可以简化为一维;当初始含水率非均匀分布时,初始含水率越高,再分布过程中湿润锋的运移速率越大,但在降雨入渗过程中,湿润锋的运移速率与土体的湿润程度和范围有一定的关系;坡面上方来水(径流)虽然对湿润锋运移速率影响不大,但对入渗有一定的促进作用;再分布过程中,土壤水分有沿坡向下运移的趋势。

初始含水率对冻结粉质黏土变形和强度的影响规律研究

冻土的变形和强度受温度、水分及压力的影响甚为显著。通过对-6℃的冻结粉质黏土在初始含水率为12.5%~20%范围内进行一系列的三轴试验,分析初始含水状态对冻土变形和强度的影响规律。研究发现,当初始含水率较低时,随着围压的增大,冻结粉质黏土相继出现应变软化和应变硬化特征;当初始含水率大于16%时,其应力-应变关系主要呈现出应变软化特征;随着初始含水率的增大,初始切线模量随围压从线性缓慢增大逐渐过渡为抛物线形的分布。同时,根据包络线定理,建立非线性摩尔-库仑强度准则,用以描述初始含水率为12.5%、14%和16%的冻结粉质黏土强度随围压变化的非线性;当初始含水率为18%和20%时,其强度可用线性摩尔-库仑强度准则描述。

初始含水率对微润灌溉线源入渗特征的影响

为探明微润灌土壤湿润体特性的变化规律,以扰动均质土壤为研究对象,采用室内模拟试验的方法,分析了不同初始含水率(2.1%,5.6%,8.0%,10.1%)条件下微润灌土壤湿润锋运移距离和水分分布的变化规律.结果表明:土壤初始含水率对微润灌溉线源扩散有较大的影响,湿润锋推进速率、地表湿润时间随着初始含水率的增大而增大,并与灌水时间呈幂函数关系;湿润体形状受初始含水率影响非常小,其横断面为近似圆形;一定灌水时间内,累计入渗量、平均入渗率与初始含水率呈正相关性,且到达稳定入渗率的时间与初始含水率呈负相关性,湿润锋推进速率与初始含水率呈正相关关系,扩散系数与初始含水率成指数递增关系,不同初始含水率的不同方向土壤水分扩散指数介于0.50~0.60之间;湿润体内水分呈同心圆分布,含水率梯度随着初始含水率的增大而减小;微润灌均匀系数随初始含水率的增大而增大.研究结果可为微润灌溉技术推广应用提供理论依据.

干密度初始含水率坡度对紫色土崩解特性的影响

为研究干密度、初始含水率和坡度对紫色土崩解特征的影响,通过采用自制仪器对27种不同干密度、不同初始含水率和不同坡度的紫色土进行崩解试验,为三峡库区消落带静水侵蚀导致的水土流失现象提供理论依据,分别得到试样的崩解速率与干密度、初始含水率和坡度的曲线关系。结果表明:在相同初始含水率和坡度下,随着干密度的增加,崩解速率随着浸泡时间增加呈现先增加后减小;在相同干密度和坡度下,随着初始含水率的增加,崩解速率是随着浸泡时间的增加呈现先增加后减小;相同含水率且干密度一定下,随着坡度的增加,崩解速率随着浸泡时间的增加呈现先增加而后减小。研究发现试样崩解均是从底部开始崩解,且崩解区域随浸泡时间的增长由底部逐渐延伸到顶部。

土壤初始含水率对浑水膜孔灌自由入渗特性影响

为揭示土壤初始含水率对浑水膜孔灌单点源自由入渗的影响,通过开展不同初始含水率的室内浑水膜孔灌试验,研究了土壤初始含水率对浑水膜孔灌自由入渗特性、减渗特性以及土壤含水率分布的影响,并建立了基于土壤初始含水率和累积入渗时间的浑水膜孔灌自由入渗模型和减渗模型。研究表明:当浑水的含沙率和膜孔的直径一定时,随土壤初始含水率的增大,相同时间内的单位膜孔面积累积入渗量呈逐渐减小的趋势,初始含水率为4.96%,7.43%,10.07%和12.40%的分别较风干条件下的减少了19%,33%,45%和56%,减渗效果明显。通过对含水率分布特征研究发现,在靠近和远离膜孔的部位含水率变化梯度较大,平均含水率梯度达到了2%/cm,而中间部位含水率变化较小,平均含水率变化梯度仅为0.65%/cm。

土壤初始含水率对涌泉根灌土壤水分及氮素运移特性的影响

为了探究涌泉根灌水肥一体化灌溉在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(4.13%,7.21%,8.77%,11.06%,14.01%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离与不同土壤初始含水率之间的关系,提出了不同初始含水率下涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布、转化等均不同程度地受到土壤初始含水率的影响。同一时刻条件下,累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮和硝态氮的分布范围越广泛;距离灌水器出水孔越近,土壤中的铵态氮和硝态氮含量越高。入渗系数K随着土壤初始含水率的增大而减小,入渗指数α随着土壤初始含水率的增大而增大;水平湿润锋拟合参数a、b均随土壤初始含水率的增大而增大,竖直向下湿润锋运移指数c随着土壤初始含水率的增大而增大,入渗指数d随着土壤初始含水率的增大而减小。随着土壤水分再分布的持续进行,湿润体内水分分布越加均匀,采用克里斯琴森均匀系数Cu评价灌水结束、再分布1,3天条件下湿润体内水分分布均匀度依次为61.99%,74.27%和83.60%;湿润体内铵态氮含量逐渐减小,但铵态氮的分布区域基本无变化;湿润体内硝态氮分布区域变大,平均值呈增大,最值区域有下移趋势。研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础。