季节性冻土区包气带水汽热耦合运移研究进展

季节性冻土区占据中国超过一半的国土面积,冻融作用会显著改变土壤性质与包气带水、热传输过程,并且由于季节性冻土广泛分布在干旱半干旱地区,温度与气态水对于土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究不仅更符合季节性冻土区实际情况,同时对于揭示土壤水循环机制十分关键。本文综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐述了季节性冻融作用对水汽热耦合运移研究中水力参数及水分相态转化过程的影响,探讨了水汽热耦合模型适用性,并归纳总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性。最后,对该领域尚需加强研究的方向提出看法与建议,以期为深化包气带水汽热耦合运移理论以及解决季节性冻土区相关实际问题提供科学依据。     

温度对南方红壤和水稻土水分特征曲线影响差异性分析

为了研究温度变化对土壤水分特征曲线的影响,采用高速离心机法测定南方红壤和水稻土在4,12,20,28,36℃温度条件下土体脱湿过程的水分特征曲线,并运用VG模型进行参数提取,探讨了温度对土壤当量孔径分布、非饱和导水率及水分扩散度等参数的影响。结果表明:相同水势条件下红壤和水稻土的含水率随温度增加而显著减少(P0.05),表现出4℃12℃20℃28℃36℃的关系,且同一温度下的红壤持水性能显著高于水稻土(P0.05);不同温度处理下红壤和水稻土的非饱和导水率以及水分扩散度均表现出20℃最高、36℃最小的显著差异性(P0.05),这表明土壤在20℃时的导水能力和入渗能力相对最佳,且同一温度下红壤的非饱和导水率和水分扩散度均低于水稻土;红壤和水稻土的饱和含水率θ_s、进气值相关参数α、形状系数n均随温度增加而缓慢减小,拟合参数随温度变化而差异显著(P0.05),这说明土壤水分特征曲线参数对温度有一定的敏感性。研究结果可为进一步探讨温度对南方土壤持水性能和水分运移机制研究提供合理的参考依据。     

推求土壤水分运动参数的简单入渗法──Ⅱ.实验验证

预报土壤中水分流动需要的土壤导水特性可通过观察水平土柱的入渗过程来确定,这一观测过程的分析是基于对Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程求积分解。土壤水分特征曲线中的参数由观测的水平土柱和特征湿润长度和吸力为确定,非饱和土壤导水率由已确定的特征曲线中的参数和测定的饱和导水率导出。供试土壤有三种,它们的质地从砂壤到粘壤。由这种方法所确定的这三种土壤的水分特征曲线与实测的特征曲线符合良好,所确定的砂壤的非饱和导水率与实     

一种推求van Genuchten方程参数的高性能优化方法

非饱和土壤的水分运动对于污染物迁移有非常重要的影响。特别是对于一些建造于非饱和带中的放射性废物处置库中的放射性核素，由于其对环境潜在的巨大的危害性，一旦工程屏障失效，作为天然屏障，非饱和土壤将对核素迁移起决定作用，因此，研究非饱和土壤的水力学特征、特别是非饱和导水率的确定是核废物处置安全评价工作的重要内容。     

两种非饱和导水参数推求方法在紫色土上的应用

土壤非饱和导水参数的难于获取,限制了非饱和水流数值模拟技术的实际应用。本研究选择颇具代表性的土壤水分特征曲线推求法和简单入渗法两种方法,分别推求不同质地紫色土导水参数,并进行了分析比较。结果显示,土壤水分特征曲线推求法和简单入渗法,推求的非饱和导水率与计算值均具有较好的一致性。鉴于土壤水分特征曲线的易测优势和简单入渗法实验简便省时特点,采用这两种方法进行紫色土非饱和导水参数的推求或预报是可行的。     

两种非饱和导水参数推求方法在紫色土上的应用

土壤非饱和导水参数的难于获取,限制了非饱和水流数值模拟技术的实际应用。本研究选择颇具代表性的土壤水分特征曲线推求法和简单入渗法两种方法,分别推求不同质地紫色土导水参数,并进行了分析比较。结果显示,土壤水分特征曲线推求法和简单入渗法,推求的非饱和导水率与计算值均具有较好的一致性。鉴于土壤水分特征曲线的易测优势和简单入渗法实验简便省时特点,采用这两种方法进行紫色土非饱和导水参数的推求或预报是可行的。     

南方典型土壤水力特征差异性分析

为探究南方地区典型土壤水力性质的差异,采用压力膜法、定水头渗透法和一维水平土柱吸渗法对粘性潮土、沙性潮土、红壤、水稻土和紫色土5种南方典型土壤的水动力学参数进行室内测定,对比分析了各土壤水力特征的差异及其产生的原因。结果表明:土壤质地和粘粒含量是影响土壤水力特征的主要因素;粘性潮土、沙性潮土属于级配良好土,而红壤、紫色土、水稻土属于级配不良土,粘性潮土、沙性潮土、红壤、紫色土、水稻土饱和导水率依次增大,分别为1.75×10~(-3),3.15×10~(-3),4.77×10~(-3),11.02×10~(-3),11.87×10~(-3) cm/min;相对水稻土和沙性潮土而言,其他3种试验土持水性较高。土壤有效水含量为沙性潮土粘性潮土水稻土紫色土红壤,其有效水孔隙体积分别占其总孔隙体积的48%,29%,27%,18%和17%。非饱和条件下,沙性潮土和红壤中的水分运动速率较快,远高于粘性潮土中的水分运动速率,约为其6.8倍。土壤质地、颗粒级配、粘粒和有机质含量不同是造成土壤水力特性差异的因素,其中土壤质地和颗粒级配为南方典型土壤水力特性差异的主要影响因素。     

灰色关联及非线性规划法构建传递函数估算黑土水力参数

土壤水分特征曲线和饱和导水率是重要的水力参数,为了简便准确获取这些参数,以松嫩平原黑土区南部为研究区域,采集136个采样点土样用于测定不同土层土壤水分特征曲线、饱和导水率以及土壤理化性质,并运用灰色关联分析确定影响土壤水力参数的主要土壤理化性质,采用非线性规划构建土壤分形维数、有机质、干容重、土壤颗粒组成与土壤水分特征曲线、饱和导水率之间的土壤传递函数,并通过与现有土壤传递函数对比分析进行精度验证。结果表明:1)土壤分形维数是估算土壤水分特征曲线模型参数和饱和导水率的主要参数之一,同时,干容重和有机质含量也在不同土层土壤传递函数中起到重要的作用;2)通过验证分析,不同土层各参数平均绝对误差接近于0,均方根误差值也都较小,其中在不同土层土壤传递函数估算的土壤含水率均方根误差分别为0.022、0.017cm~3/cm~3;3)对比分析其他已存的土壤水分特征曲线和饱和导水率的土壤传递函数,该文构建的土壤传递函数均方根误差值均较小,决定系数值都在0.66以上,表明估算精度较高,均好于其他方法估算精度,具有良好的区域适应性。综上,所构建的土壤水分特征曲线和饱和导水率土壤传递函数可以用于松嫩平原黑土区土壤水力参数估算。     

土壤结构变化对包气带土壤水分参数的影响及环境效应

利用野外获得的实验数据,通过回归的方法获得不同岩性的水分特征曲线和渗透系数曲线的关系式,并讨论了因采矿塌陷引起包气带土壤结构变化而对包气带水分参数的影响。最后讨论了包气带水分参数的变化对当地环境造成的不利影响。     

小碎石与细土混合介质的导水特性

含碎石土壤的导水性质研究有利于这种多孔介质水分运动的模拟。本文采用室内定水头法和离心机法分别测定两种质地土壤(壤土、黏壤土)和三种岩性小粒径(2~10 mm)碎石构成的土石混合介质的饱和导水率和水分特征曲线,采用van Genuchten-Mualem模型计算各土石介质的非饱和导水率,分析碎石对土壤导水能力的影响。试验结果显示,风化程度低的碎石对黏壤土具有明显的增大饱和导水率的作用,且碎石含量愈高,增加的效果愈明显;而风化程度高的碎石对土壤结构无明显的改善作用,且对黏壤土具有减小饱和导水率的作用。风化程度低碎石介质的非饱和导水率随土壤水吸力的增加呈现了先大于土壤和土石介质的后迅速减小到低于土壤和土石介质的变化过程。风化程度低的河卵石和风化程度高的粉泥页岩碎屑分别构成的土石介质的非饱和导水率较土壤的低,而风化程度中等的片麻状花岗岩碎块构成的土石介质的非饱和导水率较土壤的高。近饱和状态下,碎石含量高的土石介质的非饱和导水率也相应的高,而较大的土壤水吸力下,土石介质的非饱和导水率呈现随碎石含量的增大而减小变化趋势。试验结论可为含碎石土壤水分平衡研究提供参考。     

矿区生态修复过程中不同立地类型土壤水动力学特性

[目的]揭示矿区不同立地土壤水动力学特性及其影响因素,为矿区生态环境恢复治理提供科学依据。[方法]基于矿区不同立地类型土壤水分特征曲线、非饱和导水率、孔隙度与紧实度等监测试验,揭示不同立地类型土壤持水性、有效水含量和导水特性等变化规律。[结果]土壤持水性和供水性在受损区<修复3a区<修复5a区<修复10a区<修复15a区<未干扰区,但修复区20—40cm土壤持水性、供水性较0—20cm土壤低,修复效果不明显;土壤结构改善效果遵循受损区<修复区<未干扰区的变化规律,且修复区亚表层土壤结构改善效果不明显。采用指数函数拟合吸力和非饱和导水率效果较好(r2>0.95),相同吸力下,容重大而非饱和导水率较小;非饱和导水率和容重呈负相关,和孔隙度呈正相关且相关性随吸力增加降低。矿区0—20cm易有效含水量呈现受损区<修复3a区<修复5a区<修复10a区<未干扰区<修复15a区,但修复区20—40cm土层易有效水含量较0—20cm小。[结论]土壤易有效水含量和容重、紧实度呈负相关关系,与总孔隙度、黏粒含量呈正相关关系。修复后土壤结构有所改善,持蓄调节水分能力有所提高。     

非饱和土壤水分运动参数空间变异特性的统计分析

非饱和土壤水分运动参数的空间变异规律是大区域参数估计的基础。分析秦王川灌区土壤物理性质及水分运动参数空间变异的统计规律。特征曲线与导水率标定系数具有对数正态分布,且与干容重和物理性粘粒含量P_0.01呈直线相关。F检验结果,相关达到显著水平。     

黄土区采煤塌陷对土壤水力特性的影响*

通过对山西省平朔矿区塌陷区、原地貌和复垦区进行调查采样和实验室分析,研究采煤塌陷对土壤容重、含水量、田间持水量、饱和导水率和土壤崩解速率等指标的影响。结果表明:塌陷区土壤容重、含水量和田间持水量处于弱变异到中等变异区间,饱和导水率和崩解速率均为强变异;塌陷虽使土壤容重增加,但影响幅度不大;土壤含水量受塌陷影响规律不明显;田间持水量受塌陷影响明显(p0.05),较未受损地区降低6.2%~15.5%;在采煤塌陷的影响下,土壤饱和导水率和崩解速率显著增加(p0.05);复垦区土壤水力特性与原地貌没有显著差异(p0.05),且各层次之间差异性也不显著(p0.1)。     

可耕种坡地的土壤水力参数非均质性变化

The spatial variations of the soil hydraulic properties were mainly considered in vertical direction. The objectives of this study were to measure water-retention curves, θ（ψ）, and unsaturated hydraulic conductivity functions, K（ψ）, of the soils sampled at different slope positions in three directions, namely, in vertical direction, along the slope and along the contour, and to determine the effects of sampling direction and slope position of two soil catenas. At the upper slope positions, the surface soils （0-10 cm） sampled in the vertical direction had a lower soil water content, 0, at a certain soil water potential （-1 500 kPa 〈 ψ 〈 -10 kPa） and had the greatest unsaturated hydraulic conductivity, K, at ψ 〉 -10 kPa. At the lower slope positions, K at ψ〉 -10 kPa was smaller in the vertical direction than in the direction along the slope. The deep soils （100 110 cm） had similar soil hydraulic properties in all the three directions. The anisotropic variations of the hydraulic properties of the surface soils were ascribed to the effects of natural wetting and drying cycles on the structural heterogeneity. These results suggested that the anisotropy of soil hydraulic properties might be significant in influencing soil water movement along the slope and need to be considered in modeling.     

室内基于土壤水分再分布过程推求紫色土导水参数

选择三峡库区3种不同质地的紫色土,室内通过土壤水分再分布试验,探讨基于土壤水分再分布过程推求导水参数对于紫色土的适用性.结果显示,结合土壤水分垂直和水平再分布过程推求的紫色土水分扩散率与实测值具有很好的一致性,但推求的非饱和导水率偏差较大.然而,选用单一的土壤水分再分布过程结合实测水分特征曲线推求的紫色土非饱和导水率与实测值具有良好的一致性.湿润锋湿度与湿润剖面平均湿度不同函数关系对推求非饱和导水率和水分扩散率差异不明显.此外,基于土壤水分再分布过程推求导水参数方法比较适合低湿土壤的非饱和导水参数推求.     

多元结构抬田饱和-非饱和渗流三维控制数模优化分析

以江西省峡江库区土料实测数据为依据,通过实验获得土料基本物理参数,用Van Genuchten（VG）模型拟合土壤水分特征曲线及非饱和导水率,建立由耕作层、犁底层、防渗层和垫高层组成的抬田多元地基结构。采用饱和—非饱和渗流三维有限元分析方法建立数学模型进行计算,通过数值计算结果与实验模型数据对比,证明该数学模型是合理可靠的。在此基础上,建立数学模型模拟计算各土层不同压实度、不同厚度对抬田渗流的影响。通过模拟分析计算,大幅减小了试验工作量,并得出了可供工程使用的结构参数。     

采煤扰动下潜水位及包气带水分变化特征

为更好地了解采煤扰动下潜水位及包气带水分变化规律,在陕北典型矿区开展了降雨、潜水位、包气带土壤含水率等水循环要素的野外原位观测试验,基于观测数据,采用Spearman秩相关系数检验、小波分析等方法,分析了未开采区及采空区潜水位和包气带水分的变化特征。结果表明：未开采区地下水位对于降水的响应明显且时间上存在4、5个月的滞后,采煤扰动后,地下潜水位持续下降,与降水响应关系微弱;在垂向上,未开采区较大降水可对100 cm以下埋深的土壤含水率产生影响,采空区土壤含水率总体减小,且同降水的响应程度不显著,含水率最大值相对于未开采区出现时间提前,50 cm以下埋深的土壤含水率对小强度降水无响应。采煤扰动潜水位下降后造成包气带增厚,包气带损耗的水量增加,随之造成降雨入渗补给地下水减少,进一步加剧了潜水位下降。     

A new equation for the soil water retention curve

The soil water retention curve is a fundamental characteristic of unsaturated zone flow and transport properties. Recent studies show that an air‐entry value is needed in a soil water retention equation in order to provide a better prediction of relative hydraulic conductivity. A new equation considering the air‐entry value is proposed to describe the soil water retention curve. The performance of the proposed equation is contrasted with a well‐supported equation by comparing measured and calculated data for 14 soils, representing various soil textures, which range from sandstone to clay. Results show that the proposed equation provides adequate characterization of the soil water retention curves. The equation for predicting relative hydraulic conductivity is derived from the proposed soil water retention equation. An empirical equation for relative hydraulic conductivity is also used. Our results show that the agreement between the predicted and measured relative hydraulic conductivities is improved by the combinations of the proposed equation and the relative hydraulic conductivity equations. The proposed equation is mathematically simple and it can easily be implemented in unsaturated flow and multiphase flow numerical models.