饱和-非饱和红黏土中溶质迁移机理及数值模拟

摘要

鉴于近几年广西环境污染日益严重的现状，本论文以广西桂林和柳州红黏土为主要研究对象，结合已有的物性试验结果（液塑限、颗粒分析、矿物成分等），进行渗透实验和室内土柱的饱和穿透实验与非饱和上渗实验，并根据实验结果进行数值模拟，系统地分析红黏土中溶质迁移规律。主要的研究结果如下:
　　(1)柳州红黏土与桂林红黏土有着不同水动力学性质，桂林红黏土具有更好的持水性能，同样吸力下具有更高的体积含水率，渗透性小于柳州红黏土。
　　(2)对流-弥散模型的参数主要有平均孔隙流速、弥散系数、阻滞因子。这些参数主要影响穿透曲线的峰值，起始变化时间，变化速率。两区流模型的参数还有分型系数、溶质交换系数。随着分形系数减小，两区流模型更加明显。随着溶质交换系数增大，两区之间的差异变得不明显。当溶质交换系数足够大时，两区流模型演化为平衡对流-弥散模型。
　　(3)桂林和柳州红黏土都是碳酸盐岩风化残坡积形成的。通过室内土柱淋溶试验得出其穿透曲线，利用CXTFIT软件中的对流-弥散模型和两区流模型拟合发现，两种红黏土都更适合两区流模型。
　　(4)对比红黏土与普通土质发现，砂土、砂质壤土、粉质黏土、重粉质黏土、壤质黏土、黏土中基本不存在两区流现象，这与其颗粒组成以及含有的矿物成分相关，红黏土中含有的游离氧化物具有胶结作用。对比红黏土与砖红壤、红壤、泰国红土发现，红黏土中两区流现象更明显。
　　(5)非饱和红黏土的上渗由于受复杂孔隙结构的影响，土柱中水分变化比较明显;盐分的迁移则比较缓慢，且迁移量比较小，相对浓度达到30％就接近稳定了。利用CXTFIT软件反演非饱和穿透曲线，发现用CXTFIT软件反演出的参数与实际情况不相符，没有意义。利用GEO-STUDIO软件拟合，发现对于非饱和的红黏土，GEO-STUDIO软件拟合的效果不明显，但是拟合的结果能够在一定程度上反应实际的变化趋势。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 本论文的创新点

第二章 溶质迁移基本理论

2．1 土壤中水分运动方程

2．1．1 非饱和流达西定律

2．1．2 非饱和土壤水分运动基本方程

2．1．3 因变量为含水量0的基本方程

2．2 土壤中溶质迁移方程

2．2．1 溶质的对流运移

2．2．2 溶质的分子扩散

2．2．3 溶质的机械弥散

2．2．4 溶质运移的基本方程

2．3 两区流模型

2．4 本章小结

第三章 溶质迁移模型参数的灵敏度分析

3．1 水动力学参数灵敏度

3．1．1 土水特征曲线的测定

3．1．2 土壤渗透系数曲线

3．1．3 理论介绍

3．1．4 计算方案

3．1．5 结果分析与讨论

3．1．6 结论与小结

3．2 对流-弥散模型参数灵敏度

3．2．1 CXTFIT软件的理论基础

3．2．2 平均孔隙流速的灵敏度

3．2．3 弥散系数的灵敏度

3．2．4 阻滞因子的灵敏度

3．2．5 小结与讨论

3．3 两区流模型参数的灵敏度分析

3．3．1 CXTFIT软件的理论基础

3．3．2 平均孔隙流速的灵敏度

3．3．3 弥散系数的灵敏度

3．3．4 阻滞因子的灵敏度

3．3．5 分型系数的灵敏度

3．3．6 溶质交换系数的灵敏度

3．3．7 小结与讨论

3．4 参数反演理论

3．5 本章小结

第四章 饱和红黏土中溶质迁移的规律

4．1 红黏土的成因及特殊性

4．1．1 红黏土成因及分布

4．1．2 红黏土特殊性质

4．2 饱和室内土柱试验

4．2．1 试验土样

4．2．2 研究方法

4．2．3 试验装置

4．2．4 试验方法

4．3 红黏土中溶质迁移参数分析

4．3．1 试验结果

4．3．2 参数反演结果

4．3．3 对弥散系数D的分析

4．3．4 对组滞因子R的分析

4．3．5 对分型系数B的分析

4．4 红黏土与不同土质溶质迁移对比分析

4．4．1 红黏土与普通土质之间的对比

4．4．2 红黏土与不同红土之间的对比

4．5 本章小结

第五章 非饱和红黏土中溶质迁移

5．1 室内土柱试验

5．1．1 试验装置

5．1．2 试验原理

5．2 试验结果

5．3 数值模拟分析

5．3．1 CXTFIT软件反演

5．3．2 GEO-STUDIO软件拟合

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

硕士研究生阶段参与的科研项目与发表论文