考虑成层土阻水减渗效应的地表水入渗过程分析模型.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:张兴毅()男湖南长沙人硕士研究生主要从事土壤入渗方面研究工作:.通信作者:曹文贵()男湖南南县人教授博士(后)主要从事岩土工程方面科研工作:.:./.():考虑成层土阻水减渗效应的地表水入渗过程分析模型张兴毅曹文贵崔鹏陆李慧鑫(湖南大学 土木工程学院长沙)摘 要:为完善地表水入渗过程分析的理论方法抓住从高吸力土入渗到低吸力土入渗会有停滞和入渗速率降低的特点考虑湿润锋附近土体的非饱和特性将土壤中水分运移划分为上层土入渗阶段、滞水入渗阶段和下层土入渗阶段推导了可反映成层土入渗中阻水减渗作用的地表水入渗模型 通过与已有试验结果和现有同类型模型的对比分析对模型参数进行敏感性分析 结果表明:本文模型比较准确地描述了层状土入渗中的滞水和减渗现象更好地反映了入渗机理 当湿润锋行进发生停滞时假设入渗速率呈线性下降是符合实际情况的不同的土体性质对入渗有不同的影响:下层低吸力土的种类、埋深及积水深度对入渗特性有较大的影响土体初始含水量仅对入渗时间影响较大湿润锋过渡区占比对滞水作用有较大影响关键词:成层土积水入渗阻水减渗湿润锋非饱和特性中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():():.:.:.:第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .研究背景地表土由于沉积作用而普遍具有成层结构由于不同土层的土壤特性不同因此具有不同的基质吸力 基质吸力是非饱和土壤水分运动的驱动力致使水从高吸力土层进入低吸力土层时由于吸力不足下层土会对下渗水起到阻水的作用从而对成层土入渗过程产生重要的影响 如何考虑成层结构对地表水入渗的水分运移过程的影响正是本文研究的出发点在一维常水头入渗中湿润土与未被湿润的原始土的分界面称为湿润锋由于湿润锋处土壤含水量梯度大因此湿润锋处的土壤吸力作用明显对入渗影响很大 研究成层土水分入渗过程即研究湿润锋与入渗时间的关系 国内外学者建立了许多描述水分入渗过程的模型 其中由 和 于 年基于毛细管理论提出的 土壤水分入渗模型(模型)也称传统 模型如图 所示虽然有物理意义明确、形式简单、模型参数少等优点但由于 模型是假设湿润锋饱和并基于均质土一维常水头入渗提出的因此国内外学者对成层土的入渗规律进行了更进一步的研究:王文焰等通过室内试验发现当湿润锋到达界面时湿润锋为非饱和且吸力大于下层砂土的基质吸力湿润锋下移受阻发生停滞现象假定损失水头为上下土层之和并根据各土层厚度推求平均导水系数以此计算土壤入渗情况王文焰等根据土壤水的能量原理研究了夹砂层黄土的入渗特性发现砂层使得入渗受阻王全九等根据 模型的特性分析了 模型应用于层状土可行的计算方法及困难范严伟等利用 模拟了不同情况下入渗过程通过导水系数改进了 模型提出了 模型王春颖通过层状夹砂土柱一维室内试验进一步改进 模型提出了有针对性的 模型有学者通过均质土一维入渗试验发现湿润锋为非饱和状态并且针对含水量随深度变化曲线进行了一定的改进 因此基于假设湿润锋饱和提出的 模型、模型等成层土入渗模型中入渗进行到分界面时只有减渗作用没有停滞受阻现象模型与实际入渗情况不符 综上研究成层土入渗时湿润锋饱和情况及其在入渗过程中变化的影响具有重要的理论意义图 模型简图.针对上述已有研究的不足本文以地表水入渗成层土为研究对象考虑入渗时湿润锋非饱和及其与阻水减渗效应的关系提出成层土入渗全过程分析模型并进行深入研究以期完善地表水入渗过程分析的理论方法Z 饱和区过渡区原始区地表Zd Zf 注:Zd 表示饱和区深度。图 湿润锋分层简图.黏性土砂土 黏性土 分界面砂土地表积水深度H深度Z Z1图 地表水一维入渗模型简图.考虑成层土阻水减渗的地表水入渗模型 在研究地表水入渗时湿润锋是否饱和是研究的关键 结合 模型的模拟结果和文献中利用 模型计算土体含水量的结果发现当采用椭圆曲线拟合含水量分布时与 方程计算结果接近并取得了不错的效果 因此本文沿用此假设:入渗过程中在含水量饱和的饱和区与含水量为初始状态的原始区之间存在一个含水量随深度呈/椭圆弧线变化的非饱和过渡区得到了一个分层含水量分布模型见图 该假设与 和提出的分层思想是一致的为了建立新的地表水入渗模型便于本文研究对实际入渗进行简化如图 所示 并作出如下假设:长江科学院院报 年()地表有一层深度不变且均匀的积水深度为 黏性土初始含水量均为 砂土初始含水量均为 砂土埋深为()上层黏性土吸力大于下层砂土吸力()湿润锋存在非饱和过渡区且过渡区含水量随深度变化呈/椭圆弧线变化当湿润锋到达分界面前土体含水量情况如图 所示因此土体总入渗量为饱和区与过渡区含水量之和即()()()()式中:为累计入渗量()为饱和体积含水量为湿润锋深度()为饱和区深度()分界面地表 Z 黏性土砂土 饱和区 过渡区 积水深度HZd ZfZ1图 湿润锋到达分界面前土体含水量剖面.饱和区深度与湿润锋深度呈一定比例关系因此则有 ()式中 为饱和区占总湿润锋深度的比例根据 模型入渗速率为 ()()式中:()为入渗速率(/)为入渗时间()为黏性土的饱和渗透系数(/)为黏性土湿润锋基质吸力()联立式()和式()并积分可得湿润锋与时间的关系为()()()/()其中 ()()当湿润锋到达分界面时如图 实线部分入渗历经时间 为()()()/()其中 ()()分界面 黏性土砂土 I 饱和区 过渡区 地表 积水深度HZd Z1Z图 湿润锋到达分界面时土体含水量剖面.此时的入渗速率为 ()当湿润锋在分界面处入渗时由于黏性土吸力更高因此湿润锋行进发生停滞 但入渗持续进行湿润锋吸力逐渐减小湿润锋进入砂层时上层黏性土接近饱和 该变化即为图 中实现部分向虚线变化的过程假设在该阶段入渗速率线性降低累计入渗变化量 是线性变化的入渗速率对时间的积分则滞水时间内可以表示为 土 土()()()式中:为湿润锋由非饱和到饱和过程中增加的水量()为最终稳渗率(/)化简积分后可得此过程所需时间 为 ()此过程中累计入渗量及入渗速率变化分别为:()()/()()()其中()()()()当 时湿润锋接近饱和吸力接近最小认为此时湿润锋吸力与下层土进水吸力接近湿润锋进入砂层表达式为 ()此时下层砂土仍处在初始状态 和 认为成层土壤的入渗特性应由细质土来控制根据水量平衡原理上下界面入渗速率应相同此时的入渗速率为 ()第 期张兴毅 等 考虑成层土阻水减渗效应的地表水入渗过程分析模型式中:为砂土的渗透系数(/)为砂土湿润锋基质吸力()又由于湿润锋经过界面时上下土层此时的吸力值很小则将式()化简得 ()通过计算可知此时砂土导水系数并没有达到饱和导水系数砂土仍然处于非饱和状态 若表面积水深度可忽略的话所得入渗速率接近上层土的饱和导水率符合 和 的试验结果因此考虑砂土基质吸力的稳定入渗速率(稳渗率)表达式应为 ()式()所得的稳渗率即此时砂土的非饱和渗透系数利用 模型可反求得到砂土此时的含水量为 /()()其中 ()表 地表水入渗模型 湿润锋状态入渗速率表达式累计入渗量表达式湿润锋深度时间表达式进入砂层前()/()()()/()()()/()在分界面时()()/()()/()()()/进入砂层后()/()()()()/()()()/()/()()()/土()(/)()()/()()/式中:为饱和渗透系数为砂土的相对饱和度为砂土稳渗时的含水量为残余含水量、均为 模型参数湿润锋在砂土中的行进仍然可以视为非饱和区与过渡区的组合其含水量分布如图 所示 此时的总入渗量为:()()()()()()()Z 黏性土砂土 非饱和区 过渡区 饱和区 分界面 地表 积水深度HZ1 Zd Zf图 湿润锋穿越分界面后土体含水量剖面.由于此时稳渗率为常数联立式()、式()、式()可知地表水入渗模型湿润锋深度与时间的变化关系为()()()()()因此地表水入渗模型如表 所示 模型结果与验证王春颖等通过试验在传统 模型上建立了夹砂层一维入渗模型简称为 模型 为验证模型可靠性取文献中的试验数据和 模型的模拟结果对本文的地表水入渗模型进行验证 建立土壤深度为.的模型积水深度为 其中模型上层为黏性土下层为砂土砂土在地下.处土壤特性参数见表 根据王文焰等研究中甘肃秦王川地区实验资料饱和区与过渡区深度相同.本文将从累计入渗量、入渗深度及入渗速率变化 个方面对模型进行对比验证 长江科学院院报 年 表 模型参数 土类含水量/()/()经验参数黏性土.砂土.注:表示饱和含水量利用最小均方偏差()评价模拟的结果 可表示为 计算 试验().()式中:计算表示通过模型计算得到的参数试验表示试验数据测量的相关结果 计算结果见表 模型模拟结果与试验数据的对比如下文所示表 计算结果 模型名称 模型.本文模型.累计入渗量变化试验与模拟的成层土柱的累计入渗量随时间变化规律如图 所示 入渗试验进行到 左右累计入渗量随时间变化斜率减小并且最终接近常数 模型未考虑下层砂土的基质吸力影响因此地表水入渗模型斜率大于 模型导致地表水入渗模型累计入渗量更接近试验结果 从斜率变化上来看本文模型斜率是 开始减小 时减小到固定值而 模型则是 时突变为固定值这是由于本文模型假设湿润锋非饱和因此模拟了湿润锋在分界面停滞时的入渗速率减小现象 本文模型 为.小于 模型的.因此本文模型更准确地描述了成层土入渗过程中累计入渗量随时间的变化04 08 01 2 01 6 0481 2累计入渗量I/c m试验数据S-G A 模型本文模型入渗时间t/m i n图 实测与模拟累计入渗量随时间的变化.入渗深度变化试验与模拟的成层土柱的入渗深度随时间变化规律如图 所示 湿润锋在 左右时存在明显的行进停滞现象直至 左右行进继续 模型在模拟入渗过程中没有停滞受阻现象仅仅在 时斜率发生了突变 而本文模型很好地模拟了行进停滞的现象 这是由于本文模型假设湿润锋非饱和且下层土吸力低于上层土因此当湿润锋到达分界面时由于下层土吸力不足湿润锋行进发生停滞 湿润锋到达分界面前地表水入渗模型入渗速度更快这是由于本文模型假设湿润锋为非饱和湿润锋在相同入渗速率时入渗深度更深本文模型 为.小于 模型的.地表水入渗模型在模拟出阻水作用的情况下与试验数据吻合良好能够很好地描述成层土入渗时深度与时间的关系04 08 01 2 01 6 01 02 03 04 05 0湿润锋深度Zf/c m试验数据S-G A 模型本文模型入渗时间t/m i n图 实测与模拟湿润锋位置随时间的变化.入渗速率i/(c m m i n-1)04 08 01 2 01 6 0入渗时间t/m i n试验数据S-G A 模型本文模型0.1 80.1 40.0 90.0 4图 入渗速率随时间变化.入渗速率变化试验与模拟的成层土柱的入渗速率随时间的变化如图 所示 在 时入渗速率呈现线性下降趋势 后入渗速率趋于稳定 模型在 时入渗速率发生突变但本文模型入渗速率发生线性变化符合实际变化情况 这是因为 模型没有考虑非饱和区的存在因此当湿润锋到达分界面时湿润锋直接穿越界面使得入渗速率发生了突变 试验数据中稳渗率为.地表水入渗模型的最终稳渗率为.而 模型为.这是由于地表水入渗模型考虑了砂土 第 期张兴毅 等 考虑成层土阻水减渗效应的地表水入渗过程分析模型基质吸力因此稳渗率偏大 本文模型 比 模型的更小为.综上可以认为地表水入渗模型更加符合实际情况有较为理想的可靠性和准确度从以上结果可知两个模型均能描述成层土中的入渗规律和砂层减渗的特性但是地表水入渗模型能够更好地描述湿润锋到达分界面时的停滞现象并且地表水入渗模型模拟了停滞过程中入渗速率线性降低的变化趋势符合实际情况 因此本文提出的模型在模拟成层土入渗中更具优势 相关因素对地表水入渗模型的影响 是国际地下水模型中心公布的利用一维饱和非饱和带水分运移基本方程(方程)计算水分、盐分运移规律的软件其内核为一维的有限元模型 为了使本文模型具有一定的普适性本文基于范严伟等利用 研究夹砂层土壤入渗的模拟结果对比 模拟结果与本文模型计算结果进一步研究本文模型在各个影响因素条件下的入渗规律分析不同因素对模型的影响 模拟中的土壤 (简称