充填结构包气带水分运动试验研究

论文摘要

包气带水分运动是自然界水循环的重要组成部分,它促进了大气降水、地表水与地下水的水力联系。但是包气带结构的变化对其水分运动产生一定的影响,尤其对复垦土地而言,水分在充填结构包气带中的运动具有新的特点。在查阅国内外土壤水分运动理论和研究成果的基础上,采用理论分析和模拟试验相结合的方法,设计了土壤-粉煤灰、土壤-煤矸石二层结构模型,测定土壤、粉煤灰、煤矸石的粒级配比、饱和含水率和非饱和导水率；利用基质势与含水率的关系标定了三种物质的水分特征曲线,并计算其水分扩散度和容水度等水分运动的参数。通过水分入渗试验,分析了湿润锋、累积入渗量随时间的变化特征,分析了水分入渗的影响因素。同时,利用充填结构模型,模拟研究了大气降水、蒸发、地下水位变化等条件下充填结构包气带的水分运动和分布规律。此外,依据Richards基本方程建立二层结构包气带水分运动的数学模型,利用Hydrus-1D软件模拟降水入渗、蒸发、地下水位变化等条件下的一维垂向水分运动特征。因此,以上研究为深入开展充填结构包气带水分运动提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 研究的背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 土壤包气带水分运动研究现状
• 1.2.2 煤矿塌陷复垦区包气带水分运动研究现状
• 1.2.3 包气带水分运动数值模拟研究现状
• 1.3 存在的问题
• 1.4 本文研究的主要内容、方法及技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法与技术路线
• 2 包气带水分运动的基本理论
• 2.1 包气带水分的赋存形式
• 2.2 包气带水分的能态
• 2.3 包气带水分运动机理
• 2.3.1 优先流作用机理
• 2.3.2 毛细作用机理
• 2.3.3 达西实验
• 2.4 包气带水分运动方程
• 2.4.1 包气带水分运动基本方程
• 2.4.2 包气带水分运动基本方程的定解条件
• 2.4.3 包气带水分运动基本方程的求解方法
• 3 充填结构包气带参数的测定
• 3.1 充填结构包气带颗粒级配组成的测定
• 3.1.1 实验装置与方法
• 3.1.2 实验结果
• 3.2 水分特征曲线的测定
• 3.2.1 实验原理
• 3.2.2 实验装置与方法
• 3.2.3 实验结果
• 3.3 水力传导度的测定
• 3.3.1 饱和导水率的测定
• 3.3.2 非饱和导水率的测定
• 3.4 容水度的测定
• 3.5 水分扩散度的测定
• 4 水分入渗试验
• 4.1 充填结构水分入渗试验
• 4.1.1 试验装置
• 4.1.2 试验内容与方法
• 4.1.3 试验结果与分析
• 4.2 水分入渗性影响因素分析
• 4.2.1 初始含水率对水分入渗性的影响
• 4.2.2 容重对水分入渗性的影响
• 4.2.3 尺度效应对水分入渗性的影响
• 4.2.4 充填结构模型边界条件对水分入渗性的影响
• 4.3 水分入渗机理分析
• 5 充填结构包气带水分运动模拟试验
• 5.1 充填结构包气带模型
• 5.1.1 柱状模型装置与充填材料
• 5.1.2 水分运动试验监测装置
• 5.1.3 充填结构模型的附属装置
• 5.2 大气降水条件下水分运动规律试验
• 5.2.1 试验装置
• 5.2.2 试验方法
• 5.2.3 试验结果
• 5.3 蒸发条件下的水分运动规律试验
• 5.3.1 试验内容与方法
• 5.3.2 试验结果
• 5.4 地下水位变化条件下的水分运动规律试验
• 5.4.1 试验装置
• 5.4.2 试验内容和方法
• 5.4.3 试验结果
• 6 充填结构包气带水分运动数值模拟
• 6.1 Hydrus-1D模型的应用条件
• 6.2 数学模型
• 6.2.1 微分方程
• 6.2.2 定解条件
• 6.3 数学模型的参数确定
• 6.3.1 非饱和充填结构包气带水分特征参数
• 6.3.2 Hydrus-1D模型参数的初值
• 6.4 Hydrus-1D模型的离散化
• 6.4.1 空间的离散
• 6.4.2 时间的离散
• 6.5 Hydrus-1D模型的识别与验证
• 6.6 数值模拟结果与分析
• 7 结论及建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间的研究成果