河流污水非饱和入渗对沿岸地下水质的影响

在分析河流污水非饱和入渗过程和输移机理的基础上,建立了河流污水非饱和入渗对沿岸土壤及地下水质影响的预测预报模型。该模型将水力传导率分离为饱和水力传导率项和相对水力传导率项,并运用全隐式差分和时间中心差分格式分别离散,计算过程中根据土壤饱和度调用不同格式,克服真解波动和耗散现象。取得了良好效果。以江苏省徐州市奎河的徐村和黄桥河段污水中的保守性污染因子Cl-和非保守性污染因子氮为例,研究非饱和入渗污染物在土壤及地下水中迁移转化过程的模拟模型参数,运用所率定的参数进行预测计算,计算值与相关的实测值进行对比分析,结果表明,两者吻合良好。

河岸带表土层氮素非饱和入渗运移规律模拟

自制土槽装置,室内模拟氮素在河岸带表土层中非饱和入渗的过程。通过观测土槽中不同点位渗流水体出流时间的先后顺序以及各点水体中TN、NH4+-N浓度随入渗时间的变化,探讨氮素在河岸带表土层中非饱和入渗的运移规律。试验结果表明:在河岸带表土层非饱和入渗过程中,水分水平运移速度小于垂直运移速度,NH4+-N的运移滞后于水分的运移;在土壤"干"-"湿"-"干"过程中,各点TN、NH4+-N浓度值随时间先急剧增加再缓慢减少然后趋于稳定。另外,河岸带表土层对非饱和入渗氮素的截留效果较好,试验11 h时,在1.08m的坡长距离上,距土表面12 cm深度TN、NH4+-N浓度比进水分别下降74.23%和68.02%。

河流污水饱和入渗对沿岸地下水质影响预测研究

在分析野外现场观测资料的基础上,建立河流污水饱和入渗对沿岸地下水质影响的数学模型,应用全隐式差分和时间中心差分格式离散方程,并在计算过程中选择调用.以河流污水的保守性污染因子Cl-1和非保守性污染因子NH+4 N为例研究模型参数,应用江苏徐州市奎河的徐村和黄桥断面实测资料进行建模和验模,为污染河道沿岸地下水开发利用和水环境保护提供技术支持.

河道污染物饱和入渗对沿岸地下水环境影响规律的试验研究

河道污染物饱和入渗对沿岸地下水环境影响规律的试验研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文在野外现场观测试验研究的基础上，探讨河道污染物CODcr、NH4^+-N、NO3^--N、Cl^-饱和入渗进入地下水中发生物理、化学及生物变化的时空分布规律，分析河道沿岸土壤及地下水对污染物的去除能力，评价河道污染物对地下水环境的影响状况，为确定河道沿岸地下水开采范围、制定开发利用方案、保护地下水环境提供科学依据。

止水帷幕侧向约束条件下黄土地基非饱和入渗

以青海东部黄土区新建川大公路为依托,通过在坡脚处增设3排水泥土挤密桩来形成止水帷幕,并在坡脚处开挖浸水坑,以此来研究当坡脚积水时止水帷幕对黄土地基中水分场变化的影响。研究结果表明:止水帷幕未穿透湿陷性黄土下限深度时,由于侧向约束作用,水分在止水帷幕处理深度范围内只能沿竖向入渗,浸水9 d后绕过止水帷幕下端侵入内侧地基,坡脚、坡中处地基分别有约2 m和1 m厚的湿陷性黄土层被浸润,路肩处地基湿陷性土层未受影响;止水帷幕穿透湿陷性黄土下限深度时,水分被阻止未侵入止水帷幕内侧地基,止水帷幕具有良好的防排水效果。研究成果可为黄土地区地基处理提供参考。

基于季节性河流大沽河河床砂样的侧向非饱和入渗试验研究

选取青岛段大沽河上、中、下游三处具有代表性河床砂样作为试验用砂,进行侧向非饱和入渗试验.结果表明,非饱和入渗率随时间变化趋势可分为三个时期,分别为入渗率快速下降期、入渗率缓速下降期和稳速入渗期.细砂初始含水率为1.85%和5.79%时,稳定入渗率分别约为2.5×10^(-4)和2.3×10^(-4) m/s;中砂初始含水率为1.39%和4.32%时,稳定入渗率分别约为2.7×10^(-4)和2.6×10^(-4) m/s;粗砂初始含水率为1.98%和2.44%时,稳定入渗率分别约为2.8×10^(-4)和2.6×10^(-4) m/s.同种砂样初始含水率越小则侧向入渗速率越快.初始含水率相同或相近的情况下,细沙、中砂和粗砂的稳定入渗率依次增大.

降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响

高温季节土壤表层温度非常高,土壤内部含水率较低,突发性降雨对于土壤温度动态变化和水热交换运移影响极大。为了揭示降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响,该研究建立了反映降雨入渗过程的土壤热量运移数学模型,编制了有限元数值计算程序,针对南京雨花台区典型土壤,开展了降雨非饱和入渗对土壤热量运移影响的数值计算与分析研究。结果表明:不考虑降雨入渗情况下,土壤温度变化与热量运移主要是表层土壤与环境之间的热交换作用引起,热量运移影响深度约0.2 m;降雨强度45 mm/h作用下,随降雨历时增加,雨水全部自由入渗到土壤内部,土壤内部基质吸力呈线性递减趋势,湿润锋面逐渐下移,土壤体积含水率快速增加;湿润锋过后的土壤体积含水率逐渐接近于饱和体积含水率,土壤入渗能力逐渐下降,直至趋于饱和入渗率;在降雨非饱和入渗影响下,入渗到土壤孔隙中的低温雨水与土壤颗粒发生热量交换,进而改变了原有土壤温度场分布,并随着降雨入渗深度的持续增加,降雨入渗过程对土壤热量运移的影响呈现逐渐减弱趋势。经过现场实测数据与模拟计算结果验证,随着降雨历时增加,土壤体积含水率实测值和数值计算值相对误差保持在±3.99%以内,均方根误差RMSE为0.01 cm^3/cm^3;土壤温度实测值和数值计算值的相关误差保持在±2.72%以内,均方根误差RMSE为0.55℃,模拟计算结果和现场实测数据均吻合较好,表明该模型对描述降雨非饱和入渗过程土壤热量运移规律的适应性较强,数值计算程序合理。研究成果可为农业水利工程与水土保持、土壤水文水资源的分布与利用、城市水资源控制与生态环境保护等领域提供重要参考。

基于季节性河床砂样的垂向非饱和入渗试验研究

基于季节性河床砂样,开展了垂向非饱和入渗室内试验,研究了影响垂向入渗的主要因素。结果表明,非饱和入渗随时间的变化可分为3个阶段,第1个阶段为入渗率迅速下降期,第2个阶段为入渗率缓慢下降期,第3个阶段为入渗率渐近稳定期;砂样的初始含水率、砂样质地对入渗特性产生明显影响。垂向入渗速度随着初始含水率的增大而减小,随着砂样干容重的增大而减小;当初始含水率分别为1.02%和5.11%时,细砂的稳定入渗率约为0.027 mL/（s·cm^2）和0.021 mL/（s·cm^2）;当初始含水率分别为1.38%和93.51%时,中砂的稳定入渗率约为0.028 mL/（s·cm^2）和0.026 mL/（s·cm^2）;当初始含水率分别为1.83%和5.92%时,粗砂的稳定入渗率约为0.030mL/（s·cm^2）和0.029 mL/（s·cm^2）。粗砂的稳定入渗率大于细砂。试验结果对于深入研究季节性河道渗漏规律提供了科学依据。

非饱和入渗条件下微生物固化砂土试验研究

砂土地基上车辆行驶因砂体疏松而具有一定安全隐患,利用微生物诱导碳酸钙(MICP)加固砂土可有效提高砂土地基承载力,避免车辆胎体沦陷。以一级公路填筑路基承载力要求为标准,开展了非饱和入渗条件下微生物固化砂土地基的试验,分析了入渗过程中微生物菌液浓度、入渗速率及比降等条件改变对于非饱和砂土固化特性的影响,揭示了非饱和砂土的固化作用过程与机理,验证了利用MICP技术提高砂土地基承载力的可行性。试验结果表明,微生物固化技术由于在砂土颗粒间诱导生成碳酸钙而有效减小了砂颗粒间的孔隙体积,当固定喷洒菌液总量不变时,降低每次喷洒菌液量和增加喷洒次数会有效提高地基的容许承载力,实现可控深度内的砂土固化效果,保证其容许固化承载力满足既定路基承载力的要求。

江苏省沿海滩涂盐碱土饱和入渗条件下脱盐试验

基于土壤饱和入渗理论,为了找出工程措施干预情况下使土壤达到脱盐状态的最小冲洗定额,特开展试验。结果表明,江苏省沿海地区盐土(>6 g/kg)的脱盐定额为:8 L处理脱盐需水量为795.2 mm,6 L处理脱盐需水量为852 mm,4 L处理脱盐需水量为908.8 mm。

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。

岩土饱和入渗自动测定系统

该发明专利提供了一种岩土饱和入渗自动测定系统。

基于混沌理论的非饱和土含水率预测

针对无资料区土体含水率数据难以获取的问题,提出了一种基于卫星反演-相空间重构-非饱和入渗计算的组合方案,以研究区110 d土体表层含水率为基础,预测未来100 d无资料时段土体表层及内部含水率分布规律。计算结果表明:研究区含水率时间序列具备混沌特征,可由一维时间序列拓扑为一个嵌入维数m=5,迟滞τ=10的相空间,由该相空间预测的土体表层含水率在验证期最小相对误差为0.7%,最大相对误差为2.4%,在预测期最小相对误差为2.2%,最大相对误差为8.3%,均满足工程需求,因此将其用于后续非饱和入渗计算的边界条件是真实有效的。该方案具有动力学特性和物理力学意义,可为无资料地区土体含水率估计借鉴。

模拟非饱和降雨入渗条件下典型黄壤颗粒的多重分形特征

研究基于非饱和条件下模拟降雨入渗过程对土壤颗粒均质性以及多重分形特征的影响,结果表明,研究区域土壤颗粒存在明显的空间异质性,土壤颗粒主要以黏粒与粉粒为主,砂粒含量最低。占总体10.48%-27.92%;广义维数谱中D(1)由初始时刻的0.83下降至0.80,D(1)/D(0)由0.89下降至0.87,奇异谱函数谱中Δα由1.75下降至1.59。这表明,土柱在非饱和降雨入渗下土壤中细颗粒随土壤水出流,导致在非饱和入渗侵蚀下土壤颗粒由非均质向均质性发展。

陆面过程模式SIB2与包气带入渗模型的耦合及其应用

土壤含水量对陆—气相互作用过程中的能—水平衡计算以及降雨、农业灌溉对地下水补给的研究起着关键的作用。但现阶段大多数陆面过程模式对土壤含水量的计算采用一维水桶模式,忽略了流域尺度上的侧向补给、地下水位的变化、包气带土壤的非线性渗透特性对土壤含水量的影响。针对这一问题,在国内外研究较为成熟的饱和—非饱和理论的基础上,编程实现了包气带土壤水分传输方程的求解,并与陆面过程模式(SIB2)相耦合,建立起研究分层包气带土壤水分运移、非稳态的地下水位、和地表蒸散发之间定量关系的模型。最后,利用建立的耦合模型,以河西走廊黑河流域中游临泽农业综合观测场的灌溉试验为例,模拟干旱内陆平原区小麦生长期间定额灌水条件下土壤含水量的变化。计算结果表明:模型能够准确计算瞬时土壤含水量、非稳态的地下水位,并对小麦生长过程中的耗水量进行估算,进而为农业合理灌溉提供了科学的理论基础。

大沽河野外垂向入渗试验研究

选取季节性河流大沽河上、中、下游3处代表性河床作为野外垂向入渗试验场地,每处分别做2组试验,研究不同包气带水理及理化性质下河道入渗能力。结果表明:河道入渗过程可分为快速入渗、缓速入渗与稳定入渗阶段,总历时为1.3~2.0 h;不同河道包气带水理及理化性质影响着河道入渗过程,同一试验场地各组试验相同深度沙层初始含水率越小则入渗速率越快,相同深度沙层初始含水率相近时,上、中、下游沙层水分入渗速率依次减小;当同一试验场地各组试验沙样每层初始含水率之和相近时,各层之间初始含水率差距越小,则达到稳定入渗的时间越短;随上、中、下游沙样粒径依次减小,其稳定入渗率依次减小,约为0.006 5、0.004 1、0.002 3 cm/s。

基于压力自动化采集的宽量程双环入渗设备研发

土壤入渗反映表层土壤渗透性能。双环入渗是规范推荐的土壤饱和入渗系数原位测试方法标定性方法,但传统设备在应用过程中存在测试量程受限、测试精度不稳定、测试过程人工读数费时费力等技术问题。双环入渗技术于上世纪80年代发展成熟并作为标准方法推广。随后四十余年,技术发展的重难点已转移至如何实现设备的自动化与智能化,以及如何持续提高设备工作效率与关键性能指标。但目前尚没有适用于低渗介质的高精度自动化技术产品。鉴于此,详细阐述新型自动化双环入渗设备研发过程。基于真空压力传感器技术路线构建新型土壤饱和入渗系数原位测试方法,而后通过系统结构设计、最小可行性验证、样机场地验证等多种技术研发手段完成设备研发工作。测试结果表明,新型设备成功获取土壤入渗过程压力变化曲线,可实现测试量程拓宽两个数量级,测试精度稳定提高,测试过程实现全自动化。该设备可扩展应用于亚黏土、黏土等传统装置不适用的低渗场地,在生态水利、水资源与水文地质、污染场地调查、市政排水等领域具有应用推广价值。

基于Mein–Larson模型的非饱和锐利浸润锋模型

降雨入渗模型在渗流理论、地质灾害评价等方面具有重要的理论意义及工程应用价值。基于饱和入渗的Mein–Larson模型及李宁等学者提出的非饱和入渗模型,利用非饱和土的Van Genuchten水土特性及渗透系数模型,提出了简化的非饱和锐利浸润锋模型,用以分析均匀含水率土体及含水率随深度变化的土体,其含水率、浸润深度、吸力等随雨强、降雨持时的变化。通过3种模型在不同工况下与有限元模拟结果进行对比,验证了本文提出的模型能更好的描述黄土中的非饱和水分迁移。

入渗Richards方程Laplace变换步骤中原函数敛散性的讨论

传统求解非线性Richards方程的Laplace线性化方案中,未考虑原函数θ(z,t)的敛散性,均默认原函数收敛或发散程度较小,这在一般情况下是可行的,但在极端理论条件下,例如原函数不收敛或发散速度较快时,往往会引起较大计算误差。针对这种情况,本文建议在变换前,先通过初步试验,确定入渗曲线形态,进而判断原函数敛散性,通过增加该步骤以确保计算的数学物理意义。文中通过算例,证明了多项式曲线、幂函数曲线满足Laplace变换条件,幂指数函数不满足变换条件,并通过一个实际反例验证了这一结论。本文所讨论内容,可作为非饱和土力学理论的一个补充。