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黄土区层状土入渗特性及其指流的实验研究

张建丰  
【摘要】:土壤的成层性和大孔隙性是黄土地区土壤的特性之一,其入渗规律有着自身的重要特点。本文结合国家自然科学基金课题,针对西北黄土地区特点开展的层状结构土壤及有裂缝土壤入渗规律研究,旨在揭示和掌握层状结构土壤和有裂缝土壤的入渗规律,从而为充实非饱和土壤水分的理论及指导生产实践提供必要的科学依据。因此本项研究工作具有一定的开拓性。论文在充分了解国内外非饱和土壤水分研究成果的基础上,通过室内系统地实验研究、数学模拟及机理分析,得到了如下主要成果: 1、为适应实验要求,研制了串联式马氏瓶装置,其水位控制精度可达±0.5mm,为室内外大供水量的入渗实验提供高精度的供水装置成为可能,是一项创新性的成果。 2、研究了不同层状结构条件下的土壤水分入渗特性。并得到以下重要结论: (1)下层土的存在会对入渗过程产生阻水与减渗作用,在入渗锋到达下层土以后,整个入渗过程将由非线性变化过程转为线性变化过程。文中提出了减渗比的概念作为评价层状土减渗特性的指标,经分析是合理的。“上重下轻”结构土壤的阻水与减渗作用主要是由于上、下层土所具有的水势水平不同而引起的,而“上轻下重”结构土壤的阻水与减渗作用主要是由于下层土壤的导水率小于上层的所造成,并在界面以上有可能产生临时地下水位。 (2)上层土的厚度、初始含水量等对入渗量和湿润锋有明显的影响,下层土质地在一定范围内对入渗过程的影响不明显。 3、利用常用的入渗模型和线性模型,将层状结构土壤的水分入渗过程进行分段表示,并分析得到了计算有关参数的方法。 4、提出了模拟层状土水分入渗规律的连续函数模型,并经实验数据检验,效果良好。在连续函数模型思想基础上,建立了质地相同、容重不同的上轻下重结构土壤的入渗模型,探讨了该模型的物理意义,经实验资料验证,结果良好。 5、在一定的“上重下轻”层状结构条件下,湿润锋在下层土中会产生指流现象。产生指流的主要原因一是在下层土的上表面具有较低的供水速率;二是下层砂质土壤孔隙分布具有一定的不均匀性。提出了以稳渗率fp与下层土饱和导水率Ks的比值Df作为判断指流产生的量化指标,并初步分析得到 Df的临界值为0.02。 6、用指流长度和宽度的比值CP作为表征指流体形发展的指标之一,研究分析表明:CP随入渗时间的增加而增大,下层土壤的中值粒径对CP有一定影响,而对指宽Bp没有影响。 7、用指锋速度与指根速度的比值Cv作为表征指流速度特征的指标。在上层土厚度一定时Cv随下层土中值粒径的增大而减小;当下层土粒径组成一定时,Cv值随稳渗率fp的增大而 WP=9 增加。 8 、通过室内有裂缝土壤的入渗实验结果分析表明:裂缝的存在增大了土壤积水入渗的能力,其所增加的入渗水量,主要表现在入渗初期,并直接与裂缝深度Z的大小有关。在土壤质地一定情况下,影响裂缝入渗量的因素主要与裂缝深度、间距及长度有关。文中提出了裂缝入渗增量和裂缝入渗增量比的概念,采用回归分析的方法,建立了各种情况下的裂缝入渗模型,经实验资料验证,效果良好。 主要问题和不足: 本文对于层状结构土壤水分入渗规律的实验研究,由于受时间限制,不可能对各类黄土质地的土壤及层状结构进行全面的实验研究,因此所取得的研究成果尚存在一定的局限性,今后在此基础上仍需进一步研究对其进行补充与完善;此外对层状结构土壤的指流研究,目前尚处于初步的阶段,文中只是采用回归分析的方法对有关现象进行了分析,尚未能在理论分析的基础上提出具有物理意义的合理模型。今后仍需对此开展深入研究。 关于有裂缝土壤的入渗问题,尽管室内的实验研究具有很大局限性,还不能完全反映客观实际,但考虑到这一问题的复杂性,从理论上也很难建立一个理想数学模型进行求解,因此对于该问题的实验研究今后仍是一项十分重要而坚巨的工作,其中裂缝入渗的量化问题,以及如何使裂缝存在与发展的模拟更加符合实际等,应该是首要研究解决的重要问题。


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