一维垂向非饱和土壤水分运动的数值模拟——以长白山北坡山地棕色针叶林土为例

以土壤水分运动基本方程为依据,根据长白山北坡山地棕色针叶林土的实际土壤层结构,建立了该地区一维垂向非饱和土壤水分运动数学模型,并推导了该模型的数值离散方程,编制了用于该模型数值模拟的计算程序.最后通过数值模拟对模型进行验证.结果表明,模拟值与实测值能够较好吻合.

温度对非饱和土壤水分运动的影响

研究了不同温度下 ,土壤水势 ( ψ)和土壤含水量对土壤水分运动的影响。结果表明 ,在相同温度下 ,提高 ψ(或增加土壤含水量 )可提高非饱和土壤导水率 ( K) ,并有黄绵土 >土娄土的趋势。根据 K的对数值与 ψ拟合出线性方程 ,在生产实践中测定 ψ值 ,用此方程可计算出 K值 ,随着土壤含水量增加 ,K也提高 ,且呈正相关 ,在同一土壤含水量条件下 ,增加温度可提高 K,增加幅度土娄土 >黄绵土。由 K对数值与温度 ( t)回归出线性方程可看出 ,土娄土和黄绵土的水势温度效应 ( dψ/dt)与 K温度效应 ( dln K/dt)随 ψ增加而降低。

非饱和土壤水分一维运动的数值模拟

以土壤水动力学原理为基础,利用有限差分法,建立了垂直方向上非饱和土壤水分一维运动的数值模型,用以模拟均质土壤在不同初始与边界条件下的水分运动。程序使用面向对象编程的VisualBasic高级程序设计语言编写,并通过验证。该模型可以模拟降水和灌溉入渗以及蒸发条件下的土壤水分在垂直剖面上的分布情况。

垂直一维非饱和土壤水分运动代数模型在土石混合介质中的适用性研究

利用一维垂直入渗试验研究垂直一维非饱和土壤水分运动代数模型在土石混合介质中适用性。采用碎石粒径2~5mm和4组不同碎石含量下的土石混合介质,根据实测的土壤水分入渗特征量,推求出模型参数,再依据模型参数模拟水分入渗过程。对模拟入渗过程与实际入渗过程进行对比分析,两者之间的相对误差在6%以内,精度较高。说明垂直一维非饱和土壤水分运动代数模型在土石混合介质中具有一定的适用性。

东北黑土区非饱和土壤水分运动数值模拟研究

根据非饱和土壤水分运动基本理论,建立一维运动数学模型,采用有限差分法计算,对东北黑土区非饱和土壤水分一维运动进行数值模拟研究。经Warrick试验验证,模拟结果和实际测量值的相对误差小于0.001,该模型可以模拟东北黑土区非饱和土壤水分在垂直剖面上的分布情况。

入渗条件下非饱和土壤水分运动的数值分析

本文给出模拟入渗条件下非饱和土壤水分运动的一种数值算法。算法基于差分离散、以预估和校正两步计算完成一个时间段的求解。对两种容重的土的水平入渗进行了模拟分析，并检验了水分运动参数的灵敏性以及差分步长对模拟结果的影响。与实测资料对比分析表明，数值分析方法对土壤水分运动的模拟是有效的、适用的。

黄河防洪堤非饱和粉质粘土土壤水分运动参数试验研究

通过利用改进的非饱和土三轴仪对黄河大堤重塑非饱和粉质粘土的试验,采用vanGenuchten模型和指数函数对其土水特征曲线进行模拟,导出适合黄河大堤的非饱和土土水特征曲线方程,并根据此方程推求出比水容量、导水率、扩散率等运动参数的表达式,为黄河大堤的渗透特性研究提供了一定的理论依据。

预报校正法在非饱和土壤水分运动数值模拟中的应用

以土壤水动力学原理为基础,研究了垂直入渗条件下土壤水分运动规律。采用非迭代的预报校正法的差分法,对非饱和土壤水分运动过程进行了模拟。结果表明,试验实测数据与模拟计算值吻合较好。该方法可以用于实际土壤水分运动的预测和模拟。

秦王川灌区非饱和土壤水分运动参数的测定与分析

应用土壤水动力学方法，对秦王川灌区12个典型土样的非饱和水分运动参数进行了室内测定，回归出了各参数的经验表达式，在此基础上对影响参数的因素做了初步分析。

热效应下P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地地震地面运动研究

基于热效应下弹性波的传播理论,通过建立P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地模型,研究了该场地下地震地面运动的问题.采用Helmholtz分解原理,结合边界条件,对热效应作用下场地中的波场进行分析,得到平面P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地地震地面运动的解析解答.通过数值模拟,分析了热传导系数、饱和度、地下水水位等物理力学参数对场地地震地面运动的影响规律.研究结果表明:在考虑热效应和等温条件两种模型时,场地位移放大系数表现出显著的差异.特别地,在等温条件下位移放大系数普遍大于考虑热效应时的值;水平位移放大系数的变化趋势与热膨胀系数及热通量相位延迟时间的增长呈正相关性.与此同时,当介质温度和饱和度增加时,水平位移放大系数则表现出下降的趋势;对于竖向位移放大系数,其变化模式与热通量相位延迟时间、介质温度和饱和度的增长呈正相关.然而,当热膨胀系数增加时,竖向位移放大系数呈现出减小的趋势;此外,热传导系数的增加对自由场地位移放大系数的影响不明显,表明热传导系数对场地位移放大系数的变化作用较小;在考虑地下水水位的影响时,热效应下随着地下水水位的升高,水平和竖向位移放大系数逐渐增大.相反,在等温条件下的位移放大系数均随之减小.

甘肃秦王川地区土壤水分运动参数及相关性

根据甘肃秦王川地区的土壤质地分布特征 ,在现场 5个点进行了积水入渗试验 ,同时采用γ透射法及张力计测定了各点的土壤水分特征曲线及非饱和导水率。在分析研究了各水分运动参数与表征土壤物理属性的(Kd/γd)和 (Kp/γd)有极显蓍相关性的基础上 ,提出了适用于该地区各类土壤质地的水分运动参数表达式。

基于遗传算法的土壤水分运动参数识别

土壤水分运动参数的识别是研究土壤水分运动的基础。该文以反映土壤含水率实测值和计算值吻合程度的均方差最小为优化目标,以土壤导水率和扩散率经验参数上下限为约束条件,建立了土壤水分运动参数识别的优化计算模型。采用遗传算法和田间均质土壤一维非饱和运动数值计算相结合的方法,获得土壤导水率和扩散率经验参数最优值。经验证计算,土壤含水率实测值和计算值吻合程度较高,表明这一方法是可行的。

森林流域非饱和土壤水与饱和土壤水转化研究进展

阐述了森林流域几种土壤水分运动方式(入渗、潜水蒸发、潜水补给以及壤中流)中非饱和土壤水与饱和土壤水之间转化的研究进展,并对土壤水分运动参数中的土壤水分特征曲线、非饱和导水率和饱和导水率的研究现状作以简要介绍,最后提出了未来的发展方向.

竖直微润灌土壤水分运动数值模拟与验证

为进一步认识微润灌土壤水分运动规律,进而指导微润灌工程设计,依据非饱和土壤水分运动理论,建立了竖直微润灌土壤水分运动模型,并用SWMS-2D软件进行求解。通过室内试验,对单位长度微润管入渗量、土壤湿润锋运移值和土壤剖面含水率等指标的模拟值进行分析验证。结果表明,模拟值与实测值一致性较好,所建模型能比较真实地反映竖直微润灌土壤水分运动的状况,利用SWMS-2D软件对竖直微润灌土壤水分运动进行模拟具有可行性。

区域饱和-非饱和多孔介质的溶质运移简化模型

在迭代求解区域饱和-非饱和拟三维渗流模型的基础上,建立区域溶质运移简化模型。该模型将溶质运动在非饱和带简化为一维垂直运动,饱和带简化为二维剖面运动,在非饱和带与饱和带分别形成对流_弥散方程,并通过维持近饱和带溶质质量守恒组成统一的系统,采用有限单元法数值处理技巧,在同一个矩阵方程中求解饱和与非饱和含水层的浓度变化。该模型无需迭代计算,大大减少工作量,为求解区域溶质运移问题提供了新方法。算例验证表明,区域溶质运移简化模型技术可行,结果可信。

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。

土壤非饱和带中的优先流

优先流是近年来研究土壤水运动所提出的术语。在某些条件下,水分在非饱和带中的运移不是简单的一维垂直向下流动,而是越过大部分土壤的体积沿着优先途径流动。优先流通常分为三类:大孔隙流,漏斗流,指流。本文分别介绍了这三类流动形式,并回顾了有关优先流的理论和实验的研究成果。

包气带井回灌引起的非饱和-饱和流分析

包气带井回灌是人工补给含水层的重要方法。在回灌过程中,非饱和带水力参数的准确描述对于提高评价精度、增强回灌管理具有重要意义。目前已有的许多包气带井回灌的解析模型是基于Gardner土壤水分特征曲线模型(含二参数)建立的,随着三参数模型(MB模型)和四参数模型(MN模型)的提出,一个值得关注的问题是使用更加灵活的土壤水分特征曲线模型是否能提高回灌系统中非饱和-饱和流的模拟精度。本研究采用MN模型(Gardner模型和MB模型为其子集)建立了包气带井回灌模型,使用COMSOL Multiphysics对模型进行求解,所得解用于研究在回灌过程中非饱和带水力参数和地表通量对非饱和-饱和流的影响,并比较在回灌过程中基于不同土壤水分特征曲线模型所得到的水力响应。试验结果分析发现包气带井回灌引起的水力响应以及地表通量对回灌的影响均会受到非饱和带渗透性以及储水能力的影响,相对渗透系数指数ωk影响非饱和带渗透系数的变化,持水指数ωc影响非饱和带的储水能力,将指数参数简化为ωk=ωc=ω会在计算和预测包气带井回灌引起的水力响应时带来一定的误差。压力头阈值差b_(1)=ψa-ψk的绝对值较小时,对水头增量的影响也较小,此时将其简化为b_(1)=ψa-ψk=0所带来的误差也较小。本研究成果可以帮助学者们提高对包气带井回灌过程的认识,对于回灌方案设计、实施和管理具有重要的实际意义。

基于平原区野外观测的土壤水分特征曲线推求与应用

为研究湿润平原区非饱和带土壤水分特征曲线以及土壤水分运动规律,探究其对区域水循环过程的影响,本研究在我国太湖流域平原区金坛野外试验基地进行了降雨量、蒸发量、土壤含水量、水势、地下水埋深等连续监测。基于水文数据深入分析了土壤水动态变化,结果表明地表以下0~0.4 m深度的土层是土壤水分变化最频繁剧烈的地带。采用VG模型反演出基于野外实测数据的土壤水分特征曲线(SWCC)参数并与实验室得到结果相对比,并利用反演得到的土壤水分特征曲线对典型降水事件进行数值模拟。研究表明基于野外数据的土壤水运动模拟效果更优,较好地验证了野外观测曲线模型的精度与可靠性,为太湖流域平原区土壤水运动和产流计算提供了可靠的理论依据。

含水层和土壤的随机特征对水分运动的影响

将土壤或含水层的介质参数视为随机分布,建立了饱和非饱和水流运动的随机微分方程,利用随机数值求解方法,得到各种随机参数对水头分布和含水量空间变异性的影响。分析结果表明,随着渗透系数空间变异性和相关尺度的增大,含水层水头分布的变异性增大;对于区域内有抽水井分布的问题,在井点附近区域,z向水流速度空间变异性大,而在井点处变异性较小。当采用Gardner Russo模型描述非饱和水分特征时,其非饱和土壤介质参数α的变异性对土壤负压和含水量变异性的影响大于饱和渗透系数,土壤含水量越小,含水量的空间变异性越大。初步讨论了根据随机数值方法研究地下水运动问题的可靠性分析方法。