季节性河流河道渗漏试验与模拟研究

论文摘要

大沽河是青岛市主要水源地之一,是青岛市生活和工农业用水的重要水源。大沽河洪水大部分发生在7-8月,历时一般为3-5d。干流洪水对地下水的渗漏补给直接影响着行洪流量和地下水补给量的大小。研究大沽河河道地下水的补排规律,对建立流量（特别是洪峰流量）与地下水渗漏量的时空关系,为大沽河流域洪水库河联合调度系统的建立提供科学的依据,也为其它季节河流域调度的研究提供借鉴。本研究对大沽河沿岸进行了气象、水文、地质等方面的调查工作,在了解和掌握国内外有关河道渗漏研究成果的基础上,采用试验分析和数值模拟相结合的方法,探讨在不同条件下河道的入渗规律及其影响因素。本文选取了大沽河沿岸上海坝和移风店的砂样作为研究对象,测定了砂样非饱和渗流特性;通过室内土柱、土槽试验和野外原位试验,模拟了河道水分的非饱和入渗;建立了不同条件下的包气带水分数值模型,对室内试验的结果进行模拟验证;利用VS2DT软件分析了水分非饱和运移时含水率和入渗通量随时间变化的特点和规律。通过上述一系列的研究,得出了一些认识和结论,主要成果如下:（1）选取了大沽河沿岸上海坝和移风店的砂样作为研究对象,通过试验获得了砂样的水分特征曲线和水力传导度,利用Van Genuchten模型进行了参数的拟合研究,并对参数拟合结果进行了分析;（2）通过土柱、土槽模拟试验,研究了在定水头入渗的条件下,不同质地、不同初始含水率的含水介质中,水分饱和-非饱和运移的规律和入渗通量随时间的变化,对孔隙中水分的迁移规律进行了探讨。通过试验数据的整理和比较,可知砂样的垂向和侧向入渗,通量随时间的变化可分为2个阶段,最初是一个较大的值,随时间迅速减小至一个较为稳定的值;然后随时间的变化趋于稳定。粗砂样在初始含水率为0.44%和9.30%时垂向稳定入渗通量约为0.003ml/（s*cm2）和0.002ml/（s*cm2）不同,细砂样在初始含水率为2.50%和9.65%时垂向稳定入渗通量约为0.002ml/（s*cm2）和0.0018ml/（s*cm2）;粗砂样在初始含水率为2.60%、7.35%和13.98%时侧向稳定入渗通量约为分别约为0.002ml/（s*cm2）、0.0011 ml/（s*cm2）、0.0008ml/（s*cm2）,细砂样在初始含水率为3.20%、7.61%和16.20%时侧向稳定入渗通量约为分别约为0.0026ml/（s*cm2）、0.002ml/（s*cm2）、0.0016ml/（s*cm2）。（3）在河道上中下游选取代表性地段进行非饱和入渗试验,通过野外原位试验,测定河道上中游不同位置的入渗通量规律。三次原位试验测得于家小里稳定通量为0.028ml/（s*cm2）;王璧稳定通量为0.010ml/（s*cm2）;南沙梁村稳定通量为0.023ml/（s*cm2）。河道上游的砂土入渗通量比中游的大;同为上游,距离河道越近,包气带渗透性越好,入渗通量越大。（4）通过试验确定的参数、上下边界条件及初始条件等,在遵循大沽河河道特征的条件下,利用VS2DT软件建立了包气带水分运移数值模型,模拟了包气带水分的运移,验证了模型所采用的参数可以用来计算大沽河河道非饱和入渗;（5）利用VS2DT软件,对包气带水分运移的理论模型进行了初步应用研究,并模拟了初始含水率和入渗水头对垂向/侧向入渗通量大小随时间变化的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 研究意义、进展、内容与方法
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 非饱和水分的入渗
• 1.2.2 非饱和水分运动的数值模拟
• 1.3 研究内容与方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 2 研究区环境背景
• 2.1 自然地理状况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 水文
• 2.1.3 气象
• 2.2 地形与地貌
• 2.3 水文地质条件
• 2.3.1 地下水补给
• 2.3.2 地下水的动态特征
• 3 含水介质的非饱和渗流特性研究
• 3.1 样品组成与性质测定
• 3.2 水分特征曲线的测定
• 3.2.1 试验原理
• 3.2.2 试验装置及测定方法
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.3 水力传导度的测定
• 3.3.1 试验原理
• 3.3.2 试验装置及测定方法
• 3.3.3 试验结果与分析
• 3.4 VAN GENUCHTEN 模型参数的拟合
• 3.4.1 数学模型
• 3.4.2 参数的确定
• 3.4.3 水力传导度的拟合
• 3.5 本章小结
• 4 季节性河流入渗的试验模拟
• 4.1 一维垂向入渗
• 4.1.1 试验装置及方法
• 4.1.2 试验结果与分析
• 4.2 二维非饱和渗流
• 4.2.1 试验装置及方法
• 4.2.2 试验结果与分析
• 4.3 非饱和入渗现场试验
• 4.3.1 试验场概况
• 4.3.2 试验场的建立
• 4.3.3 试验方法
• 4.3.4 试验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 5 河流入渗的数值模拟
• 5.1 VS2DT 模型介绍
• 5.2 水分运移的边界条件
• 5.3 一维垂向入渗的数值分析
• 5.3.1 模型验证
• 5.3.2 模拟分析一维垂向入渗的影响因素
• 5.4 二维入渗的数值分析
• 5.4.1 模型验证
• 5.4.2 模拟分析二维入渗的影响因素
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 致谢