坡面径流与大孔隙流耦合作用下边坡水分场参数敏感性分析

为了揭示不同大孔隙参数取值条件下边坡水分场的变化规律,利用2个耦合的Richards方程描述大孔隙流,并联合运动波方程,建立坡面径流与大孔隙流耦合模型;基于有限元软件COMSOL的偏微分方程接口,实现所建立耦合模型的数值求解,并自行设计室内模型试验,验证数值结果,分析不同大孔隙参数对体积含水率和坡面积水深度的影响。结果表明:COMSOL软件的偏微分方程接口可以实现所建立耦合模型的数值求解,相比于无大孔隙坡面,考虑大孔隙时水分入渗深度明显更大;边坡饱和区深度与湿润锋深度均随大孔隙域占比的增大而增大,均随大孔隙域与基质域导水系数之比与经验参数的增大而减小;当降雨历时为30 min时,坡面积水深度区分度最大,表现在随着大孔隙域占比的增大而减小,均随大孔隙域与基质域导水系数之比和经验参数的增大而增大;3种大孔隙参数按照对边坡水分场影响程度由大到小的顺序为大孔隙域占比、经验参数、大孔隙域与基质域导水系数之比。

土壤大孔隙流研究进展

介绍了大孔隙及大孔隙流的定义、多种表现形式及其重要特征、产生机理和室内外实验研究概况,以及染色示踪、切片、穿透曲线、张力入渗仪、X射线CT扫描摄像和雷达探测等方法的研究进展,揭示这些实验方法的优点与存在的问题.并指出由于影响大孔隙及大孔隙流的因素较复杂,应将大量的野外实验和室内实验相结合,同时改进观测方法,提高模拟手段,不断完善大孔隙流理论,使大孔隙流研究迈上一个新台阶.

土壤中大孔隙流研究进展与现状

介绍了近十几年来关于土壤中大孔隙流方面的研究现状与进展 ,包括大孔隙流的研究史和大孔隙流的研究方法 ,详细讨论了在研究大孔隙流时比较常用的二域模型 。

土壤大孔隙流研究现状与发展趋势

大孔隙流方面的研究是土壤水运动机理由均质走向非均质领域的标志而成为土壤物理学学目前的研究热点,研究成果对评估土壤污染物风险、确定灌溉、施肥、以及种植作物方案等提供理论依据。围绕大孔隙的分类标准、大孔隙流的影响因素、土壤大孔隙流量化方法3个方面综合介绍了土壤大孔隙流的研究现状,指出目前研究中存在的不足以及今后的发展趋势。旨在为深入研究大孔隙流提供新的思路及参考。

紫色土坡耕地土壤大孔隙流的定量评价

为阐明大孔隙丰富且孔径呈两极分化的紫色土坡耕地土壤大孔隙流的运移规律,通过室内土柱试验获取耕作层0~20 cm、非耕作层20~40 cm原状土柱和填装土柱的穿透曲线,分析饱和条件下土壤大孔隙流发生规律,并采用解析法CXTFIT软件拟合了水分优先运移参数,PFSP指标(大孔隙流引起的穿透曲线延展量与水动力弥散作用及两区作用引起的延展量的比值)定量评价土壤大孔隙流的贡献率。研究结果表明:1)以填装土柱水流为平衡基质流计算,耕作层0~20 cm原状土柱中大孔隙流的导水贡献率为66.2%~68.5%,而Br-累积淋出量占总淋出量的62.3%~66.1%。对于非耕作层20~40 cm,土壤大孔隙流导水贡献率为0.2%~1.7%,而Br-随大孔隙流运移的比例却达14.5%~20.5%。说明耕作层土壤中大孔隙流现象远比在非耕作层土壤中更为显著;2)PFSP值结果表明大孔隙流作用对穿透曲线延展量的贡献率最大,两区交换运移作用次之,水动力弥散作用的最小。即PFSP值越大,大孔隙流对总水流通量的贡献率越大。

黄土的大孔隙特征和大孔隙流研究

介绍了大孔隙流的概念和研究进展,对大孔隙的类型和在水文学上的分类方法进行了分析,并对大孔隙在土壤水分运动中的作用以及理论模式进行了探讨,分析了黄土的大孔隙发育特征和类型。论述了黄土区大孔隙流研究的必要性。

基于孔隙分形维数的土壤大孔隙流水力特征参数研究

根据数字图像制备分析技术得到大孔隙数目、大小和形状等特征数据,用分形理论计算孔隙分形维数,并对两类不同质地土壤的孔隙分形维数进行分析比较,应用基于孔隙分形维数的大孔隙分形模型,建立了土壤水分特征曲线和非饱和导水率的预测模型。结果表明,孔隙分形维数Dv可定量描述不同质地土壤结构,其模型预测精度优于颗粒大小分布估计的分形模型,可用于实际问题的研究。

基于真实模型的矿岩散体三维孔隙流数值模拟(英文)

利用X光CT技术采集矿岩散体图像,结合数字图像处理技术和有限元技术构建了表征介质真实孔隙结构的三维物理模型,利用此模型进行颗粒间孔隙流的三维数值模拟,分析堆浸散体孔隙内溶液流速和压力分布规律,并计算出介质的水力传导系数。模拟结果表明溶液流动行为在很大程度上受到孔隙大小及拓扑结构的制约,介质内同时存在明显的优势流和浸出盲区,最高流速出现在具有高压降的细小孔隙处。根据模拟结果计算出的水力传导系数与室内实验测试结果具有相同数量级,说明了模型的有效性。实现了细观尺度与宏观尺度的结合,所构建的模型能应用于堆浸过程其它规律的计算机模拟。

土壤大孔隙流研究中分形几何的应用进展

土壤中普遍存在的大孔隙使水及溶质快速穿过土壤 ,污染地下水 ,确定土壤大孔隙流性质需要大量的野外和室内实验。本文在对分形几何概念进行简要阐述的基础上 ,介绍了分形几何在土壤大孔隙流研究中所取得的成果 ,结果表明应用分形几何确定土壤大孔隙流性质是一种省时、省力和具有广泛代表性的方法 ,最后对分形几何在土壤大孔隙流研究中应用前景作了展望。

格子Boltzmann方法在斜坡非饱和带土体大孔隙流研究中的应用

大孔隙结构的建立和大孔隙流的渗流模拟能定性和定量的解释大孔隙流的产生机理及其动态变化过程。采用CT扫描获取斜坡非饱和带大孔隙域,基于不考虑外力项的格子Boltzmann方法,通过确定离散速度模型、平衡态分布函数和分布函数的演化方程三大组成部分,其中边界条件与计算假设依据染色示踪试验设定,定性定量化研究二维大孔隙流的渗流过程,研究结果表明:该方法能清晰定量化描述大孔隙流湿润前锋的推进过程,大孔隙效应明显,渗流场流速随着时间推移逐渐趋于稳定,大孔隙效应逐渐减弱;在连通性较好、孔径较大的区域流体流速较快,且在大孔隙中心流速最大,往两侧逐级递减;下层深度处的流体流量和流速往往受控于上一层大孔隙的孔径尺度。格子Boltzmann方法的应用能为大孔隙流特别是三维渗流过程的研究提供新手段。

土壤大孔隙流试验和模型研究现状与发展趋势

介绍和分析了国内外土壤中大孔隙流的研究现状和成果,指出国外土壤中大孔隙流的研究注重于规律和影响因子的探究,而国内则侧重于土壤中大孔隙流现象的观测和分析,两者殊途同归,均从不同方面揭示了土壤中大孔隙流的存在、发生和发展过程;分析近期研究土壤中大孔隙流所提出的数值模型、改进后的两域模型、混合随机模型和基于孔隙的垂直入渗模型的使用范围和存在问题;最后指出了研究土壤中大孔隙流存在的问题和发展趋势是以高科技手段为依托,发展和健全适用于连续观测和分析土壤中大孔隙流的特制试验仪器,进而提出具有普遍适用性的数值模型。

非饱和土壤中大孔隙流的影响因素研究

【目的】分析非饱和土壤中大孔隙流现象的影响因素及影响特点。【方法】在装有粉砂壤土的土槽中人工造出直径4 mm的通地表和不通地表的孔隙进行滴灌试验,设置3种灌水量:50、60、70 L;3种孔隙长度:50、60、70 cm;3种土壤初始含水率:5.7%、9.9%、13.3%。通过测定孔隙不同长度处的孔壁土壤含水率及相应长度处基质流区的含水率,并计算其相应的基质吸力,分析孔隙中出现大孔隙流的概率。【结果】土壤中出现大孔隙流的现象具有一定的随机性,孔隙上部(0~30 cm)出现大孔隙流的概率在2.08%~7.14%之间,下部(40~70 cm)出现大孔隙流的概率在14.58%~19.05%之间,上部出现大孔隙流的概率小于下部出现大孔隙流的概率;通地表孔隙出现大孔隙流的概率(13.04%)小于不通地表孔隙出现大孔隙流的概率(27.54%);3种影响因素对出现大孔隙流的影响程度为:孔隙长度最大,初始含水率次之,灌水量最小。【结论】非饱和土壤中,孔隙长度对出现大孔隙流的概率影响较大;大孔隙流现象通常出现在孔隙的下半部分。

一种基于大孔隙流理论的农田排水暗管的工作性能试验研究

【目的】解决滴灌条件下暗管排水困难的问题。【方法】提出一种具有大孔隙流作用的排水暗管结构,通过土槽试验研究其对暗管排水和排盐效果的促进作用。试验中设置3种大孔隙流导管布置密度(3、4、5根),设置2种布置形式,即垂直埋设和弯曲埋设,并以无大孔隙流暗管的排水暗管作为对照(CK);在相同灌水量和滴头流量条件下监测各种处理的土壤含水率和含盐量、暗管排水量和排盐量。【结果】(1)无大孔隙流导管的暗管不排水,而布置了大孔隙流导管的暗管均排出水分,排水量为7.81～12.25 L;并且随着大孔隙流导管布置密度的增大,暗管排水量也相应增加。(2)大孔隙流导管垂直布置时的排水量普遍比导管弯曲布置时的排水量大7.97%～19.57%。(3)CK的上层土壤脱盐、下层土壤积盐,而布置了大孔隙流导管的土壤整体处于脱盐状态,而且其表层土壤脱盐率最高可达92.86%,下层土壤脱盐率最高可达65.25%;导管布置密度越大,脱盐率越高。【结论】大孔隙流对暗管排水和排盐效果有促进作用,密度越大,促进作用越明显。

积水深度对含大孔隙土柱水流与溶质运移影响的试验研究

土壤表面积水深度是影响大孔隙优势流过程的重要因素,本文利用含单个4 mm孔径圆柱形填充粗砂的人造大孔隙和对照均质壤粘土土柱,选取0.5 cm、2 cm、4 cm、6 cm四组积水深度,开展饱和条件下的渗流与Br离子示踪试验。通过分析水分与溶质出流的时间动态及其在出流面的空间分布特征,探究积水深度对含大孔隙饱和土壤的水流及溶质优势流运移的影响。结果表明,土柱平均流速随积水深度的增加以非线性关系更快的增加;溶质穿透曲线表现为双峰特征,且随积水深度增加,第一峰更早穿透而第二峰出现更晚且更平缓;空间上表现为随积水深度增加,水流与溶质向大孔隙及附近集中,优势流占比增加。

秸秆还田下土壤孔隙演化及其对溶质穿透特征的影响机理分析

为揭示秸秆粉碎还田后,不同腐解进程下土壤孔隙演化及其对水分和溶质穿透特征的影响机理,设置不同秸秆还田量(0、5、10、15 t/hm^(2))和还田时间(0、30、60 d)处理,采用CT断层扫描技术,视觉量化了土壤孔隙结构特征演变,并基于溶质穿透试验,分析了水分-溶质迁移优先流规律。结果表明,秸秆还田引起土壤孔隙/喉道特征变化,抑制水分-溶质迁移过程,田间持水率和土壤含水率上升,溶质穿透变慢,优先流现象减少,土壤水肥有效持留;随秸秆腐解至60 d,孔隙/喉道特征改变,优先流开始发育,但土壤水肥持留能力增强。秸秆还田5、10、15 t/hm^(2)初期,和CK组相比大孔隙体积占比分别减少7%、14%、50%,连通孔隙减少11%、39%、66%,表层含水率增加1%、3%、6%。腐解60 d后,和0 d相比大孔隙体积占比分别增加331%、200%、357%,连通孔隙增加33%、84%、195%,表层含水率增加6%、5%、5%,完全穿透试样所需溶质减少55%、76%、67%。基于Green-Ampt模型和指数衰减模型估算了不同秸秆初始投入量在不同腐解时间下的导水特征,发现饱和导水率在秸秆还田后减小,且随秸秆腐解增大。研究可为控制大孔隙流和无效灌溉提供依据,进一步为秸秆科学还田提供实践指导。

基于土壤大孔隙流提升城市园林绿地土壤入渗能力的思考

城市绿地是海绵城市建设的重要功能单元之一,城市土壤入渗能力的提升将对海绵城市的建设起到重要的促进作用。该研究从城市绿地土壤结构改良、入渗功能提升等角度出发,探讨了借助人工措施、动物资源以及植物根系,构建土壤大孔隙优先流网络体系,促进降雨高效入渗、减少地表径流、补给城市地下水资源的可行性,为城市绿地在海绵城市建设中作用的发挥提供新的思路。

土壤优先流模型理论与观测技术的研究进展

优先流是土壤中常见的和重要的水流运动和溶质运移形式。由于土壤优先流的形成和影响因素众多、表现形式多样,加之土壤优先流的快速非平衡特征明显以及土壤高度的空间变异性,准确描述和模拟土壤优先流的时空变化特征一直以来都是土壤水文学界的热点问题和难点问题。该文从优先流的定义、表现类型、形成和影响因素、模型理论与观测技术等5个方面综述了土壤优先流的研究进展,指出该领域今后的主要研究方向为建立土壤优先流的统一判别标准、提升优先流模型理论的有效性、发展优先流的专用观测技术设备。文章对深入研究土壤优先流具有参考价值。

长白山北坡两种类型森林土壤的大孔隙特征

运用亮蓝溶液染色示踪法和图像分析技术,对长白山北坡棕色针叶林土和暗棕色森林土大孔隙特征及分布进行研究,探讨影响2种类型土壤大孔隙形成的因素.结果表明:由水平剖面染色面积随土层深度的变化情况,可间接得出大孔隙在垂直土壤剖面上的变化规律;随着土层深度的增加,2种土壤的染色面积均呈减少趋势;在24h内,棕色针叶林土较暗棕色森林土大孔隙流的运移深度多10～20cm,且其大孔隙流路径多,相同面积上,前者达6条,后者只有1条;大孔隙流的存在可以使水分在土壤中的运移速度增加2～3倍;生物因素是2种土壤大孔隙形成的主要因素,由土壤动物运动形成的大孔隙数量较多,直径多为2～4mm.

太湖地区农田土壤大孔隙及胶体释放对有效磷下渗的影响

为了进一步验证农田土壤中大孔隙流及农业活动引起的胶体释放对磷素下渗污染地下水的影响,采用太湖地区农田土壤进行平行土柱试验。结果显示:模拟土壤胶体(质量浓度约为50 mg/L)释放情况时,土壤水流中胶体物质和有效磷的垂直迁移速度明显加快,土柱底部(100 cm深度)出流中有效磷的渗漏速率达到0.15 kg/(m2·d),比自然状态增大约15.4%;当土壤中存在约5%(体积分数)的大孔隙情况下,土柱底部的有效磷渗漏速率达到29.9 kg/(m2·d),大孔隙引起的优势流对胶体和有效磷的下渗起主导作用,而土壤胶体物质释放引起的辅助作用约占3.2%。土壤胶体释放对土壤p H和电导率等产生影响,进而影响溶质的运移转化过程。太湖地区农田土壤中广泛存在大孔隙引起的优势流及农业耕作活动引起的土壤胶体释放,为有效磷垂直下渗提供了加速途径,对地下水磷污染造成了较大的影响。

土壤大孔隙发育特征对水和溶质输移的影响

在原状土条件下采用单离子示踪和多离子示踪技术各开展了两个入渗试验,通过对比分析试验观测结果研究了各试验区域土壤中大孔隙的存在状况、发育特征及其对入渗示踪剂溶液输移的影响。研究结果表明,试验1(单离子示踪)所在区域土壤中存在贯穿型土壤大孔隙(大孔隙贯穿整个入渗深度范围土层),试验3(多离子示踪)所在区域土壤中存在非贯穿型土壤大孔隙(大孔隙仅发生在上层部分土壤中),而试验2(单离子示踪)和试验4(多离子示踪)所在区域土壤中不存在土壤大孔隙。示踪剂溶液在含有贯穿型土壤大孔隙的试验1中运移速度更快、入渗深度更大、输移到深层土壤时的浓度更高;贯穿型土壤大孔隙对不同阶段注入的示踪剂溶液的输移能力无显著差异。与贯穿型土壤大孔隙不同,试验3中出现的非贯穿型土壤大孔隙对中间阶段(第二阶段)注入的示踪剂溶液的输移能力最大,而对第一、三阶段注入的示踪剂溶液的输移能力相对较小。