基于改进的Green-Ampt入渗模型重建清光绪初年山西大旱降雨入渗量

为了深入挖掘和充分利用清宫档案“雨雪分寸”所反映的降水信息,重建清光绪初年山西极端干旱事件,本文在山西省开展了人工模拟降雨入渗试验,探讨了利用改进的Green-Ampt入渗模型求解山西省累计入渗量方法的可靠性与适用性,并利用山西省1875—1878年主汛期“雨分寸”资料重建了历史时期土壤降雨入渗量。结果表明:(1)降雨量是山西省降雨入渗湿润锋推进深度的主要因素,两者呈明显的正相关;(2)改进的Green-Ampt入渗模型在山西省具有较好的适用性,实际入渗量与模拟值的纳什效率系数在0.8以上,且两者相关性显著;(3)1875—1878年山西主汛期6—9月降雨累计入渗量普遍较少,土壤干旱较为严重。

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。

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。

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。

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。

考虑非饱和浸润层厚度和累积入渗量的改进Green-Ampt模型

矿山内排土场因其储量大、结构松散和强度低等特点,在降雨条件下极易产生侵蚀或整体失稳破坏,因此降雨入渗分析对预测内排土场稳定性至关重要。以元宝山露天煤矿内排土场为原型,按相似试验理论进行物理模型试验,研究降雨入渗特征,根据试验结果对经典Green-Ampt入渗模型进行改进。结果表明:雨水入渗过程中,随着浸润锋的向下运移,坡面侵蚀由溅蚀凹槽开始,逐渐过渡为径流侵蚀,最后呈现为溯源侵蚀破坏,整体呈现平行于坡表面的浅层滑坡特征;浸润锋之上非饱和浸润层的存在,导致经典Green-Ampt模型计算结果不准确;在考虑浸润层厚度和累积入渗量基础上,推导出改进的Green-Ampt模型;改进后的Green-Ampt模型为分段函数,能够反映降雨入渗使坡面由非饱和向饱和过渡的实际特征。验证结果显示,使用改进模型,浸润锋入渗深度和累积入渗量的预测精度显著提升,虽然冲蚀破坏和初始含水率的差异导致降雨入渗后期的预测精度有所下降,但相关结果对煤矿内排土场降雨初期稳定性分析具有重要意义。改进后的Green-Ampt模型的计算结果与实测数据更为接近,能为分析露天煤矿内排土场降雨入渗规律及边坡稳定性研究提供参考。

基于改进Green-Ampt降雨入渗模型的花岗岩风化带边坡稳定性分析

为研究持续降雨对花岗岩风化带路堑边坡稳定性的影响,选取赣南安远至定南新建高速公路定南段花岗岩风化带路堑边坡建立地质模型,通过室内试验、资料统计分析等手段获取该边坡各层岩土体的物理力学参数,并结合区内实际强降雨工况,采用考虑排水的改进Green-Ampt降雨入渗模型,分别利用极限平衡法和强度折减法数值模拟方法对不同降雨工况下该边坡的稳定性和变形破坏模式进行分析。结果表明:随着降雨的持续,该花岗岩风化带岩土体边坡的稳定性系数逐步降低,工况一条件下降雨20 d或工况二条件下降雨18 h后,边坡的稳定性系数小于1;边坡坡体破坏从坡脚逐步向上延伸,并在坡体表面形成潜在的滑动面,而后台阶处也逐渐破坏;整体而言,该边坡的破坏模式为坡面冲刷和浅层剪切滑移破坏,高应力区集中在边坡坡脚处和各台阶处,短时强降雨情况下该边坡可能会发生整体滑移破坏。

基于改进Green-Ampt模型的花岗岩残积土边坡降雨入渗规律研究

花岗岩残积土广泛分布于我国南方地区,具有许多不良物理力学性质。该类型土边坡在降雨作用下极易发生变形破坏,因此,对花岗岩残积土边坡的降雨入渗规律进行深入研究具有重要意义。在Green-Ampt模型的基础上综合考虑了坡体的初始含水率、地下水位、非饱和特性,建立了一种适用于不同降雨工况的入渗模型,并采用数值模拟及前人经典模型计算结果对该模型进行了验证。运用该模型对赣南3种典型降雨工况下的花岗岩残积土边坡进行了分析,结果表明:在距离地下水位线较远时初始含水率对湿润锋的迁移速率影响不大,但在接近地下水位线附近时湿润锋的迁移速率逐渐增大,呈现出指数形式的变化趋势;相同降雨时间内、不考虑坡面冲刷的情况下,降雨强度略大于土体饱和渗透系数的工况下湿润锋迁移深度最大、边坡稳定性系数降低最多,在实际情况中尤其需要加强防范。

土壤水入渗参数非线性预测模型改进及应用研究

针对传统土壤水入渗模型不能考虑纵向土壤水分布变化,引入非线性模型对传统模预测模型进行改进,并结合土壤水观测试验对改进前后模型的预测精度进行比对。结果表明:改进模型可综合考虑纵向土壤水分布变化,相比于改进前,土壤水含水量预测精度得到明显提升,相对误差平均降低%。研究成果对于土壤水入渗量非线性预测方法具有重要参考价值。

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-

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。

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。

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。

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。

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。

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％。

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。