非饱和土壤中大孔隙流及溶质优先迁移基本特性试验研究

论文摘要

优先流是近年来针对土壤水分运动所提出的新概念,它是一种较为常见的土壤水分运动形式,与土壤入渗、地表及地下水质密切相关,而大孔隙流是一种典型的优先流现象。由于土壤中大孔隙的普遍存在,使水分及溶质优先通过这些通道形成的大孔隙流对土壤内部水分和溶质的运移有十分显著的影响。本论文通过室内物理模拟试验及数学模型研究,从大孔隙的深度和有效面孔隙度两个方面研究了模拟大孔隙对水分及溶质在非饱和土壤中运移规律的影响作用。取得了如下主要成果：（1）提出了研究模拟大孔隙域的特征指标——大孔隙深度和有效面孔隙度的概念,试验结果表明所提指标是合理的。利用一定范围粒径的砂石在特制的试验仪器和模具中模拟制作了不同深度及不同有效面孔隙度的大孔隙域。（2）分析了水分在有同一模拟有效面孔隙度（Φ=1.8370%）、不同模拟深度大孔隙域非饱和土壤中的优先运移规律。得出试验条件下特征转折时间Tp、累积入渗量、特征湿润锋及瞬时入渗率等具有显著的优先迁移特征。给出了不同模拟深度大孔隙水分入渗增量及单位大孔隙面积水分入渗增量比的概念,并进行了定量分析和验证。（3）分析了水分在有同一模拟深度（Z=15cm）、不同模拟有效面孔隙度大孔隙域非饱和土壤中的运移规律,得出了水分入渗过程中特征转折时间Tpe、水分累积入渗量、特征湿润锋与有效面孔隙度在试验条件下的定量关系,并给予了验证,效果良好；分析得出了水分入渗过程中瞬时入渗率的变化有显著的优先流现象。（4）分析了水分及溶质在有不同的模拟深度和不同模拟有效面孔隙度大孔隙域非饱和土壤中的渗漏出水水量和出水溶质浓度的变化规律,建立了模拟大孔隙的深度和有效面孔隙度与累积出水水量和溶质累积收获量之间的定量数学关系；在特定试验条件下得出了溶质在含模拟大孔隙域非饱和土壤中的纵向分布具有明显的双峰现象且缩短了溶质向土壤深层运移的时间及溶质在非饱和土壤中以大孔隙域为中心的径向分布规律,即呈现以大孔隙域为中心呈辐射状、沿径向增大的规律。（5）建立了水分在有模拟大孔隙域非饱和土壤中运移扩散的双重渗透率概念模型,并结合试验条件予以了简化处理。采用ADI差分方法对简化后的数学模型和初始及边界条件进行了有限差分求解计算。利用建立的数学模型结合HYDRUS-2D软件对水分在含模拟大孔隙域非饱和土壤中的特征湿润锋和断面湿润锋的推移过程进行了模拟,与实测值进行了比较,结果表明效果良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及目的意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 土壤水分入渗研究
• 1.2.2 溶质在土壤中的迁移机理研究
• 1.2.3 大孔隙及大孔隙流研究现状
• 1.3 本文主要工作内容
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 技术路线
• 1.4 本章小结
• 2 试验设备、材料及方法
• 2.1 系统装置及大孔隙域模拟
• 2.1.1 系统装置组成
• 2.1.2 大孔隙域模拟
• 2.2 试验土壤及试验基本方法
• 2.2.1 土壤水分入渗试验方法
• 2.2.2 污染物迁移入渗试验方法
• 2.3 本章小结
• 3 水分在含不同模拟深度大孔隙非饱和土壤中的运动试验
• 3.1 试验方案及内容
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 试验方案
• 3.2 试验结果及分析
• 3.2.1 西安均质黄土入渗特性试验
• 3.2.2 含不同模拟深度大孔隙土壤水分入渗结果及分析
• 3.3 模型检验
• 3.3.1 累积入渗量与时间关系的验证
• 3.3.2 大孔隙入渗增量比变化规律的验证
• 3.3.3 特征湿润锋与时间关系的验证
• 3.4 本章小结
• 4 水分在含不同模拟有效面孔隙度大孔隙域非饱和土壤中的运动试验
• 4.1 试验方案
• 4.1.1 试验材料
• 4.1.2 试验方案
• 4.2 试验内容
• 4.2.1 不同模拟有效面孔隙度条件下入渗转折时间的研究
• 4.2.2 不同模拟有效面孔隙度条件下累积入渗量的研究
• 4.2.3 特征湿润锋的研究
• 4.2.4 瞬时入渗特征参数对比分析
• 4.3 试验结果及分析
• 4.3.1 不同模拟大孔隙度条件下转折时间的结果分析
• 4.3.2 不同模拟有效面孔隙度条件下累积入渗量结果分析
• 4.3.3 瞬时入渗率特征参数分析
• 4.3.4 特征湿润锋结果及规律分析
• 4.4 本章小结
• 5 溶质在含模拟大孔隙域非饱和土壤中迁移特性的试验研究
• 5.1 试验处理方案
• 5.1.1 试验方案
• 5.1.2 试验系统
• 5.2 试验内容及步骤
• 5.2.1 出流液测定
• 5.2.2 土壤中污染物分布测定
• 5.3 试验结果及分析
• 5.3.1 出流液质量与溶质浓度的分析
• 5.3.2 土壤中溶质分布规律分析
• 5.4 本章小结
• 6 水分在含模拟大孔隙域非饱和土壤中运动数值模拟研究
• 6.1 数学模型的建立
• 6.1.1 水分运动控制方程
• 6.1.2 定解条件
• 6.1.3 模型及定解条件的简化
• 6.2 数值求解
• 6.2.1 计算区域的离散
• 6.2.2 数值求解方法
• 6.2.3 边界条件的处理
• 6.3 水分入渗过程数值模拟
• 6.3.1 基本参数确定
• 6.3.2 模拟过程及结果分析
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.1.1 主要工作和结论
• 7.1.2 创新点
• 7.2 有待进一步研究与完善的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附表