非充分供水条件下溴离子在层状非饱和带中迁移研究

摘要

本文基于六个不同剖面构型的土柱试验，结合US Salinity Laboratory开发的HYDRUS—1D软件，在总结国内外研究非饱和带溶质迁移理论的基础上，较系统全面地分析了非充分供水条件下溴离子在不同构型层状非饱和带中的迁移规律。通过分析水分入渗特性、基质势随入渗时间的变化规律及溴离子在不同剖面构型中的分布情况，取得了如下结论:
　　1.非充分供水条件下，未积水前，各剖面构型入渗量随入渗时间的变化关系是以供水强度R0为斜率的直线。Tp时刻以后，均质壤土累积入渗量符合Kostiakov模型。上壤下砂及壤土夹砂构型，湿润锋进入砂层界面后，二者累积入渗量随时间变化过程转为线性关系。
　　2.积水时刻以前各剖面构型入渗率随时间变化曲线是定值为0.219cm/h的直线。积水后，均质壤土入渗率变为随时间增加而逐渐减小的非线性过程。壤土夹砂与上壤下砂，湿润锋进入层状界面后，二者进入稳渗阶段，但二者稳渗率都小于均质壤土的入渗率。
　　3.均质砂土及均质壤土湿润锋推进距离随时间变化过程表现出一定的非线性关系。对于非均质结构，湿润锋在上层土中运移时，湿润锋推进过程与均质土相同，进入分层界面后，无论是砂壤界面还是壤砂界面，湿润锋推进速度减弱，分层界面处存在一定的减渗作用。
　　4.各剖面构型土壤不同深度的含水率及基质势变化情况，根据湿润锋到达传感器埋设位置的时间，变化特征大致可以分为三个阶段，分别是初始稳定阶段、变化阶段及平衡稳定阶段。含水率变化阶段为线性增长阶段，基质势变化阶段符合Logistic模型
　　5.砂土中加入层状壤土可以显著改变穿透曲线的形状，表现为初始穿透时间T0增大，曲线斜率也逐渐变小，粘粒含量的增加使得溴离子在土壤中的穿透过程严重受阻。
　　6.粘粒含量越多，土体孔隙越小，水分及溶质在土体中的运移速度越缓慢，土壤对溶质的阻滞作用相对越强，溶质穿透时间越滞后，水动力弥散系数相对越大。不同剖面构型的水动力弥散系数D从小到大依次为纯砂＜砂土夹壤＜上砂下壤＜壤土夹砂＜上壤下砂＜纯壤土。通过上砂下壤和上壤下砂构型穿透曲线得出土壤溶质弥散系数不仅与土壤质地有关，还受土壤结构的影响。
　　7.均质土壤1、2号取样处溴离子浓度未达到饱和含量前，溴离子浓度增长随时间变化规律符合对数关系。各剖面构型取样处浓度随入渗时间增加，溴离子浓度变化曲线均有从左向右移动的趋势，增长到一定时间后浓度变化趋于稳定。
　　8.采用US Salinity Laboratory开发的HYDRUS—1D软件对砂土夹壤构型地质模型进行求解，模拟计算结果变化趋势与实测结果极为相似。模拟结果更加直观的得出壤土夹层的存在对水分及溶质运移存在一定的阻碍作用，与实测分析结果相同。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 前言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 层状非饱和带水分流动规律研究现状

1．2．2 层状非饱和带溶质运移规律研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 土壤特性研究

2．1 试验用土颗粒分析

2．2 饱和导水率的测定

2．2．1 定水头法测定饱和导水率

2．2．2 变水头法测定饱和导水率

2．3 水分特征曲线的测定与MATLAB拟合

2．3．1 土壤水分特征曲线的定义

2．3．2 参数模型的选择

2．3．3 实测数据

2．3．4 水分特征曲线参数拟合

2．4 Br-静态等温吸附试验

2．4．1 试验方法

2．4．2 等温吸附特性

2．5 本章小结

第3章 非充分供水条件下水分入渗特征分析

3．1 非饱和带水分运动的动力学方程

3．1．1 非饱和带Darcy定律及Richards方程

3．1．2 基本方程的各种形式

3．1．3 层状非饱和土壤入渗模型

3．1．4 水分入渗条件

3．2 试验方案及仪器

3．2．1 试验方案

3．2．2 试验过程

3．2．3 试验仪器

3．3 试验结果分析

3．3．1 累积入渗量变化特征

3．3．2 入渗速率变化特征

3．3．3 湿润锋随时间变化特征

3．3．4 含水率在不同空间上的变化特征

3．4 层状土减渗作用分析

3．5 本章小结

第4章 非充分供水条件下基质势变化特征

4．1 试验装置

4．1．1 基质势传感器

4．1．2 数据采集器

4．2 试验结果分析

4．2．1 均质结构基质吸力变化特征

4．2．2 层状结构基质吸力变化特征

4．3 本章小结

第5章 溴离子在层状非饱和带中运移规律分析

5．1 非饱和带溶质运移规律及方程

5．1．1 非饱和带溶质运移的对流和水动力弥散

5．1．2 溶质运移的数学模型

5．2 实测溶质穿透曲线

5．2．1 试验装置及方法

5．2．2 试验结果分析

5．2．3 溶质穿透曲线参数分析

5．3 不同时刻溴离子浓度在剖面上的分布特征

5．3．1 试验方法

5．3．2 溴离子在均质非饱和带中的分布特征

5．3．3 溴离子在层状非饱和带中的分布特征

5．4 本章小结

第6章 砂土夹壤非饱和带溶质运移数值模拟

6．1 水文地质概念模型

6．2 数学模型及定解条件

6．2．1 一维非饱和带水分运移模型及定解条件

6．2．2 一维非饱和带溶质运移模型及定解条件

6．3 模型识别与验证

6．3．1 模型识别与验证方法

6．3．2 空间与时间的离散

6．3．3 计算结果与误差分析

6．4 本章小结

结论与不足

主要结论

存在的不足

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果