水分入渗条件下层状非饱和松散沉积物中的毛细壁垒效应研究

层状结构是松散沉积物常见的沉积结构,这种结构的沉积物会表现出一些特有的水力学性质,从而对非饱和水分运动产生重大影响。本文采用砂槽二维流入渗试验,研究了层状河流相松散沉积物中水分运动规律和毛细壁垒的形成过程及其特征。研究结果表明,在上细下粗的层状结构沉积物中进行二维流入渗时,由于介质的突变导致了水分在细粒层中优先流动和贮存,下部的粗粒层起到了一定的阻水作用,从而构成了毛细壁垒。含水率是表征毛细壁垒现象的灵敏指标,而负压指标不灵敏。除了岩性差异外,粗粒层的含水率也是控制毛细壁垒形成的重要因素。在本次研究中,粗粒层含水率到达0.04 cm^3/cm^3左右时,形成了明显的毛细壁垒效应。数值模拟结果表明,在实验尺度下出现的毛细壁垒现象可以用负压水头和位置水头为主要驱动力的传统势能理论进行合理解释。

渭河咸阳段非饱和层状沉积物中水分分布特征

层状结构是河流相松散沉积物中最常见的沉积结构,通常表现出一些特有的水力学性质,对水分运动过程及沉积物的持水性能产生影响。本文通过对渭河陕西咸阳段河漫滩一个层状沉积物剖面的含水率分布特征进行原位观测,讨论层状沉积物中含水率的分布特征,及其与粒度和毛细壁垒效应的关系。结果表明:在以水平层理和交错层理为主的粗细相间的层状河流沉积物中,天然含水率也呈干润相间的层状分布特征,各层含水率的大小主要与粒度成负相关;沉积物粗细相间的层状分布为毛细壁垒的形成提供条件,在降雨入渗和土壤水蒸发过程中,毛细壁垒效应对水分运动的控制会导致细粒层中含水率高于粗粒层。层状松散沉积物中水分的这种分布规律,为理解土壤持水性能提供了新的思路,对研究土壤含水率与降雨入渗、蒸发等水文过程的关系具有重要意义。

层状包气带“三氮”污染物迁移转化原位实验研究

探究包气带氮污染物迁移转化规律对地下水“三氮”污染防控具有重要意义。由于包气带水分及溶质运移高度非线性且土壤层状界面动力学过程复杂,包气带岩性结构对氮元素迁移转化的作用机制是亟待破解难题之一。文章通过双环原位入渗实验,开展了“上细下粗”型包气带岩性结构对“三氮”污染物迁移转化影响的研究。双环内氨氮溶液质量浓度为85 mg·L^(−1)(以N计),入渗过程中利用EC-5土壤含水率仪实时监测土壤含水率变化,定期从预留取样孔(井)采集土壤与地下水样品,密封冷藏运送至实验室检测。结果表明,(1)“三氮”污染物在层状包气带垂向分布具有明显的分层特征。氨氮主要聚集在包气带上部0—355 cm之间,平均质量分数为0.66 mg·kg^(−1);亚硝酸盐氮主要聚集在包气带中部250—400 cm之间,平均质量分数为1.55 mg·kg^(−1);硝酸盐氮主要聚集在包气带上部0—35 cm之间,平均质量分数为26.69 mg·kg^(−1)。(2)“上细下粗”型岩性结构形成的毛细壁垒效应对氨氮和硝酸盐氮皆具阻滞作用。氨氮、硝酸盐氮污染物分别减少97.37%和40.65%。(3)层状包气带结构对硝化作用的影响是造成亚硝酸盐氮与硝酸盐氮出现聚集的主要原因。该研究查明了层状包气带中氮污染物迁移转化规律,为氮元素通过“上细下粗”型包气带污染地下水的防控提供了重要的实验依据。