地下水人工回灌物理堵塞特征及机理试验分析

通过砂柱试验模拟了填砾石滤料雨洪水地下水人工回灌过程,通过3组对比试验分析了砾石滤料的厚度和砾石的粒径对物理堵塞控制效果的影响。试验结果表明,砾石反滤层能够在很大程度上去除回灌水中的悬浮物,进而起到控制堵塞,提高补给效率的作用。砾石反滤层的厚度和粒径选择对堵塞的控制效果起到关键作用,反滤层厚度越大,对堵塞的控制效果越好。反滤层对回灌水悬浮物的去除作用是有限的,而且随着时间的延长,到达反滤层和砂样界面的悬浮物浓度变大,因此反滤层并不能完全避免堵塞的发生,必须定期对反滤层底部的淤泥层进行处理。     

预沉组合式灌水器堵塞预测与验证

充分考虑灌溉水中悬浮固体物的水力特性,利用FLUENT软件实现了灌水器微小内流场中固液两相流数值模拟,得到了悬浮固体物的运移轨迹和密度分布,以及水流场的压力和速度矢量分布结果.悬浮固体物的模拟结果为预测堵塞的位置和程度提供了直接依据,而水流场的模拟结果则有助于理解悬浮固体物的堵塞行为.为了验证模拟结果的正确性,对预沉组合式进行了灌水器试验室"短周期"强化堵塞试验,其结果与模拟结论较为吻合.综合固液两相流模拟与试验室强化试验,提出并实现了一套有效的灌水器堵塞预测方法,这对于推动滴灌技术的发展具有重要的意义.     

圆锥贯入过程的离散元仿真

以室内矾土颗粒、玻璃球和Toyoura砂的贯入试验结果为参考,利用离散单元法对圆锥贯入过程进行了数值仿真.数值仿真与室内试验结果对比表明:数值仿真得到的颗粒集合的贯入曲线与室内试验的结果较吻合,说明离散元法能够很好地模拟圆锥贯入过程中颗粒之间、颗粒与圆锥间的相互作用,并得到合理的宏观特性.仿真和室内试验都指出,随着孔隙率的增大,贯入阻力的数值随之减小.最后,就细观参数、贯入速度、试样颗粒数量及颗粒形状等因素变化对数值仿真结果的影响进行了分析.     

细小泥沙对半透膜微润管堵塞的影响

为探明半透膜微润管对细小泥沙抗堵塞性能的影响,采用有压连续灌水方式对微润管3种粒径组成小于0.100 mm的泥沙颗粒进行了不同质量分数浑水灌溉堵塞试验.分析了泥沙粒径、含沙量以及压力水头对灌水器堵塞的影响,同时探讨了灌水器发生堵塞时的敏感粒径范围和含沙量质量分数值.试验结果表明:随着浑水含沙量的增大堵塞越严重,呈正相关关系;粒径在0.061 0 mm~0.100 0 mm对微润管的堵塞影响最大;相同水质条件下,随着压力水头的增大微润管堵塞程度会降低.研究结果为进一步利用半透膜微润灌溉技术提供了相关的理论基础.     

基于土壤粒径组成影响的重金属镉吸附容量试验及模拟研究

在试验室条件下,分别对山西省大同市和太原市选取的两种土样进行土样砂粒和粉粘粒的粒径区分试验,并进行原状土样和不同粒径部分土样的重金属镉的吸附试验。在试验结果的基础上,用Langmuir模式分别对重金属吸附试验数据进行模拟,构建基于Langmuir模式的区间参数粒径级配重金属吸附模型。结果表明,土壤粒径组成对重金属镉的吸附容量影响明显,构建的模型能够较好地模拟基于土壤粒径的重金属镉的吸附容量。     

于桥水库大坝地震液化判别和动力分析

地震作用下水库大坝坝体填土和坝基砂液化、坝坡失稳是大坝安全运行重点.针对天津于桥水库主坝最大断面1+150进行了大坝地震危险性分析,采用现场标贯试验和室内动三轴试验对大坝水中倒土、坝基中粉质黏土、粉砂层和沙砾石层进行了地震液化判别;进行了有效应力动力法数值计算,结果表明:地震作用下,上游坝体填土在库水位以下部分的坝坡浅层在一定范围内可能液化,坝基砂层局部液化,沙砾石层也可能液化;大坝可能存在裂缝和局部隆起,但大坝整体是稳定的,可适当培厚.     

基于温度示踪法的典型农渠渠道渗漏模拟研究

以渠道渗漏土壤水动态及热伴生机理为理论基础,利用热示踪技术,选取内蒙古河套灌区典型农渠开展野外监测、原位热示踪试验,利用温度示踪结果定性分析渠系渗漏过程。利用二维水热运移数值模型VS2D对渠道渗漏条件下饱和/非饱和土壤的水热迁移过程进行模拟,反演出试验区粉砂壤土和砂壤土的饱和水力传导度分别为0.025 m/d和0.6 m/d。通过静水试验数据对模型进行验证,结果表明,温度模拟值和实测值的平均均方根差(RMSE)和平均相对误差(MRE)分别为1.6℃和2.5%,累积入渗量实测值与模拟值的相对误差为2.4%,模拟结果与实际监测数据吻合较好。研究结果表明,温度信号可用来对渠系的渗漏状况进行示踪和监测,VS2D模型模拟土壤水热运移的结果能够为灌区的渠道渗漏问题提供科学依据,可为我国北方旱区灌区水资源的管理以及渠系节水改造工程提供一定的理论和技术支持。     

黄河上游大柳树-沙坡头河段河床变形数值模拟

对黄河宁夏境内具有连续弯道的大柳树一沙坡头河段的泥沙运移及河床变形等进行了平面二维数值模拟研究．建立了修正的平面二维RNGκ-ε紊流泥沙数学模型,其中水流模块采用修正的RNGκ-ε紊流模型,泥沙模块采用全沙模型,考虑了不同粒径组悬移质和推移质运移对河床变形的影响。数值模拟结果与实测结果比较吻合。表明该模型可以用于模拟具有连续弯道的多沙河流泥沙运移及河床演变过程;在4种典型工况下分别进行了数值模拟,研究了不同水沙条件对水沙运移及河床变形的影响;吸取了关于泥沙数学模型中水流模块和泥沙模块的耦合式算法和分离式算法的优点,建立了一种半耦合算法,其计算量比耦合式算法大大减小,计算精度上比分离式算法要高。     

离心筛网一体式微灌过滤系统砂粒运移规律的试验研究

离心筛网一体式微灌过滤系统是将原离心筛网组合式微灌过滤系统中的筛网过滤器内置于离心过滤器腹内的一种新型微灌过滤设备.通过对Q=70～110m3/h进行试验,发现两者的滤砂原理相同,但砂粒的运移规律却不同:组合式系统中,砂粒是被抛向内壁后在其重力的作用下沿内壁面自然下沉的.一体式系统中,砂粒却是沿储污室中部的出水管周边下沉的.据此提出了降低筛网过滤器高度、提高出水管口位置的优化结构思路.从而使整个过滤器系统的经济性、安全性及便利性都得到了较大的提高.     

渗水地膜覆盖原生盐碱荒地的土壤盐分运移数值模拟

基于渗水地膜覆盖条件下原生盐碱荒地土壤剖面盐分分布的年度跟踪观测试验,分析了地膜覆盖后土壤盐分的累积与运移特性,并根据土壤盐分运移的基本方程采用Bresler算法对渗水地膜覆盖后土壤盐分运移变化特性进行了数值模拟,经过和实测的对比分析认为该数值模拟方法是可行的。根据模拟结果和实测数据可知覆盖渗水地膜后可明显抑制土壤盐分的累积,另利用雨季的降水叠加可实现上层土壤的逐渐脱盐。     

不同桨层搅拌沼气发酵效果对比及其CFD模拟研究

本文对无搅拌、二层桨搅拌、三层桨搅拌三种沼气发酵效果进行了试验研究,并采用计算流体力学软件fluent对二层、三层搅拌罐混合过程进行了模拟,数值模拟采用了欧拉—欧拉方法。试验结果表明有搅拌要比无搅拌沼气产量高出20%以上,三层桨搅拌效果明显优于二层桨;数值模拟中对液相流体分布进行分析,模拟结果显示三层桨液相流动速度大于二层桨,数值模拟结果与试验研究结果具有一致性,说明应用CDF模拟沼气发酵过程中的原料搅拌过程具有可行性。     

不同工作压力下穿孔形灌水器内的旋涡作用分析

为探究穿孔形流道内的旋涡对灌水器的抗堵塞与消能性能的影响,基于试验验证的数值模拟方法,对4种工作压力下流道中的流场分布、旋涡区的几何特征、涡旋强度及压力分布进行了分析,同时分析了该灌水器内不同粒径泥沙颗粒的运动情况.结果表明:旋涡区可对流道边壁进行持续冲刷清洗并减缓颗粒在流道内部的聚积,旋涡区可发挥抗堵塞作用;旋涡区内不同流速的流层间、旋涡区与主流区间、旋涡区与流道边壁间的摩擦作用都会消耗能量,旋涡区可发挥消能作用;旋涡区可在不同压力下形态稳定.以上分析表明,旋涡区在不同压力下稳定存在,并可提高滴灌灌水器的抗堵塞与消能性能,为灌水器的抗堵塞及水力性能优化提供参考.     

辽西低山丘陵区坡地砾石量及粒径对土壤水分蒸发影响的模拟试验研究

【目的】分析砾石量及粒径对土壤蒸发的定量影响。【方法】以辽西低山丘陵区坡地非砾石土壤为对照(CK),通过设置4种粒径和6种砾石量的含砾石土壤,采用室内恒温蒸发模拟研究砾石量和粒径对土壤水分蒸发的影响。【结果】2～5 mm粒级砾石量在30%范围内均能减少蒸发,当粒径大于2～5 mm时,较低的砾石量并不能减少土壤累积蒸发量,甚至增大土壤累积蒸发量,当砾石量大于15%时土壤累积蒸发量随砾石量的增大显著减小;当砾石量较小时,小粒径的土壤累积蒸发量较小,随土壤中砾石量的增加,土壤累积蒸发量随着砾石粒径的增大而减小;含砾石土壤平均蒸发速率均小于非砾石土壤,初始蒸发速率表现为含砾石土壤大于非砾石土壤,且随砾石量的增大表现为增大趋势。【结论】砾石能够显著的降低土壤蒸发量。     

网式过滤器滤网堵塞成因分析与压降计算

为分析网式过滤器滤网堵塞的过程和成因,并获得滤网堵塞后压降计算的相关参数,对网式过滤器进行堵塞试验。试验结果表明:滤网堵塞经历了介质堵塞和滤饼堵塞2个过程,形成的滤饼内层泥沙颗粒粒径较大,外层颗粒粒径分布较均匀;滤网孔径和含沙量是影响堵塞的重要因素,滤网孔径越小,滤网堵塞所用时间越短;相同孔径下,含沙量越大,堵塞所用时间越短,滤网越容易堵塞。根据试验结果建立了滤网内外压降与滤网孔径、滤网厚度、孔隙率、形成滤饼层厚度、滤饼孔隙率等的定量关系式,并分别计算了孔径为430、280、200μm滤网的内外压降,并与实测压降进行了对比分析。结果表明,计算得到的滤网内外压降与实测值基本一致,可以反映滤网堵塞的规律;滤网内外压降随水流流量、滤网厚度、形成滤饼层厚度增大而增大,滤网孔径越小,滤饼孔隙率越小,滤网两侧压降越大。     

微灌石英砂颗粒表面滞纳能力计算与分析

微灌砂颗粒的滞纳能力,直接影响到砂滤层过滤性能,从而对滤层过滤效果产生重要影响,分析石英砂颗粒表面对过滤水中杂质颗粒的滞纳能力十分重要。选取3种微灌石英砂滤料的砂颗粒(粒径范围为1.00～1.18、1.18～1.40和1.40～1.70 mm)作为样本,采用三维表面形貌仪对砂颗粒表面轮廓最大高度和与轮廓最大高度对应的波纹宽度进行测量。对砂颗粒滞纳水中杂质颗粒的机理进行分析,建立了砂颗粒表面轮廓的几何模型和砂颗粒表面杂质颗粒受力的数学模型,并计算了砂颗粒对水中杂质颗粒的滞纳能力。适当增加砂滤料的粒径,可以提高砂滤层过滤性能的稳定性。     

浑水质量分数对石英砂滤料过滤性能的影响

为了正确评价泥沙颗粒对微灌系统堵塞的影响,试验配置了4种质量分数分别为0.3‰,0.5‰,0.8‰和1‰的浑水,通过微灌用砂过滤器模型,研究了滤后水的浊度、粒径变化以及泥沙颗粒质量浓度随时间的变化规律.结果表明:浑水质量分数影响滤后水浊度和颗粒质量浓度,浑水质量分数大,则滤后水浊度和颗粒质量浓度高;不同质量分数浑水过滤10 min后,滤后水浊度均逐渐下降,而当浑水质量分数增大到0.8‰时,过滤10 min时滤后水浊度极不稳定,滤层截留较多的粒径大于0.1 mm颗粒,也有2%~3%的大粒径颗粒穿过了滤层.当浑水质量分数小于0.5‰时,滤后水中粒径小于0.1 mm颗粒的质量分数增大较少,粒径大于0.1 mm颗粒的质量分数不到1%.随着浑水质量分数的增大,平均浊度滤除率和颗粒质量浓度减少率均呈负二次曲线变化,当浑水质量分数为0.8‰时,分别达到56.69%和57.61%.大质量分数的浑水具有较大的浊度滤除率和颗粒质量浓度减少率,但易于造成砂滤层的堵塞,降低其过滤效果、缩短过滤时间.     

砾石对土壤水文过程影响研究进展与展望

【目的】综述砾石对土壤水文过程影响,总结石质土壤水文过程研究存在的问题与挑战,展望未来研究方向。【方法】本文主要介绍了砾石结构（砾石覆盖度、砾石量、粒径等）对土壤入渗、径流、壤中流、优先流和水分蒸发等土壤水文过程的影响,并分析了目前用于模拟和定量表征砾石对土壤水文过程影响的数学模型研究进展。【结果】砾石对土壤水文过程的影响机制尚不明确,现有研究方法不能满足对砾石与土壤水文过程之间错综复杂关系的研究,土壤砾石结构的定量化、异质性及土壤水文参数的定量表达还未被纳入数学模型参数,缺乏多要素、多尺度的砾石水文过程模拟,没有准确可靠的尺度转换理论和方法,无法实现不同尺度上砾石和水文信息的转换。【结论】如何将新技术引入到研究中,更新研究方法、明确影响机理、丰富研究内涵、提高数据精度,是该研究要解决的关键问题;深层土壤中的砾石特征及其对壤中流和优先流的影响研究、不同尺度上砾石和水文信息的转换以及多尺度数学模型的建立是未来研究的重要方向。     

基于BP神经网络的土壤氮素运移模型

随着淡水资源的日益紧缺,再生水灌溉已成为人们日益瞩目的研究方向,而再生水灌溉条件下土壤氮素运移规律与模拟成为这个研究的关键环节之一.以往对土壤氮素运移的模拟主要聚焦在数值模拟上,鉴于数值模拟在应用上的复杂性,为了寻找一种简便实用的模拟方法,尝试引入人工神经网络技术对土壤氮素运移进行模拟,经模拟计算得出,拓扑结构为10:12:7的BP网络模型可以较精确地模拟再生水灌溉条件下的土壤氮素运移,此研究为土壤氮素运移的研究开辟了新方向.     

水肥一体化对侧翼迷宫滴灌带抗堵塞性能的影响

为从普遍应用的侧翼迷宫滴灌带中优选出随水施肥中抗堵塞性能最佳的流道结构,为探明随水施肥过程中侧翼迷宫滴灌带滴头堵塞影响因素以及堵塞机理,根据大田滴灌系统清水与肥水交替运行的方式,通过长周期间歇性施加磷肥进行灌溉施肥试验,对3种流道结构的侧翼迷宫滴灌带抗堵塞性能进行了测试,并且利用CFD方法数值模拟滴头流道内流场分布,与试验结果提供参考和对比,试验结果显示:新型欧姆链式流道的抗堵塞性能明显优于普通几字形流道,其流道内最大速度明显高于另外两种滴头;对堵塞位置的观测发现几字形滴灌带后段易发生堵塞,其中1号滴灌带堵塞从后段逐渐向上游延伸,而2号滴灌带堵塞滴头则是由前段和后端向中游延伸。     

砂粒堵孔试验

灌水器堵塞是微灌技术中最重大的问题之一。众所周知,灌水器流道最小孔径与水中挟带固体颗粒粒径的比值(本文简称为径粒比),对堵塞影响重大。为了解物理堵塞的机理和径粒比取值依据,进行了本试验。