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降雨入渗作用下土壤含水量时空变化研究高岩;郭海豹;刘然;蔺新星【摘要】降雨通过土壤汇集雨水并储藏、滤渗可以补充地下水,减少径流污染,还可以减少洪涝隐患.通过实验和模拟计算的手段研究不同汇水入渗条件下的土壤含水量变化.在饱和—非饱和入渗理论基础上,建立土壤入渗方向上的一维非稳态降雨入渗模型并通过既有的恒流入渗土柱实验对所编写的计算程序进行验证.结果表明,理论模型较好地反映了降雨入渗的动态过程.【期刊名称】《北京建筑大学学报》【年(卷),期】2016(032)003【总页数】5页(P107-111)【关键词】雨水入渗;土壤含水量;土壤【作者】高岩;郭海豹;刘然;蔺新星【作者单位】[1]北京建筑大学环境与能源工程学院供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室,北京100044;[2]北京建筑大学环境与能源工程学院绿色建筑与节能技术北京市重点实验室,北京100044;[3]北京建筑大学环境与能源工程学院北京市建筑节能减排关键技术协同创新中心,北京100044【正文语种】中文【中图分类】S152.7人类社会进步发展的历程中，伴随着工农业以及城市化水平的不断提升，尤其是世界人口总量激增，加上人们对地球的索取日益失控，造成了淡水资源严重浪费，水体污染及水环境恶化等一系列恶果，世界上大量国家和地区出现了水资源不断衰退匮缺问题. 解决水资源循环利用以解决供给与需求矛盾是世界上很多国家经济社会发展所面临的重要问题. 我国的水资源占有量仅有世界平均占有量的1/4，居世界121位，被列为世界上12个贫水国之一. 而目前我国600多个城市中，已经有400多个城市出现缺水，其中有100多个城市严重缺水. 水资源的可持续利用也逐渐成为中国现阶段实现稳定持续发展的中心议题.降水是淡水的自然循环中必要的组成部分，是补充高原冰川、河流湖泊、地下水的唯一自然手段. 目前在城市建设过程中较多地使用了不透水的硬化铺装加管道排水系统. 而对城市雨水的处理方法是在此基础上形成传统的、单一的以防洪涝和加速排放为指导思想的一套处理办法. 追求在最短的时间内将雨水产生的径流最快地排放掉. 这就造成了雨水径流流量增加和峰值流量加大，加剧了洪涝隐患. 土壤作为作为自然界水循环过程中雨水补充地下水的通路，又是一个天然的雨水回收、储藏、滤渗装置. 集成土壤地上部分的下凹绿地、雨水花园景观等生态雨水管理措施等LID(Low Impact Development)手段以引导雨水蓄集下渗. 该措施可以有效维持和保护城市自然水文功能、减缓不透水铺装所造成的洪峰流量增加、径流量增大、面源污染负荷加重等问题.为了更加准确地掌握在降雨作用下，雨水蓄积措施条件对土壤蓄积雨水的影响，需要构建理论方法描述雨水在土壤中的入渗过程，定量分析在措施作用下土壤含水量的时间、空间变化规律.本文根据土壤饱和—非饱和渗流的控制方程，编制了土壤饱和—非饱和渗流的一维计算程序：求解基于有限地下水埋深和恒定降雨入渗条件下的土壤含水量数值解，并通过一些算例验证模型、编制程序以及计算结果的正确性. 在北京某非恒定汇水入渗条件下应用该程序计算了土壤的降雨—积水入渗模型.1856年法国水利工程师达西(Dacry)通过实验提出了均匀介质中的线性渗流理论，奠定渗流理论发展过程中的基石[1]. 1889年H.E.茹可夫斯基首次推导出了对于渗流的微分方程[2]. 这一时期的研究主要集中在获得较为合理的渗流解析解. 但当时的研究只能在于均质渗流介质和简单的边界条件下才适用，与实际情况的脱节使其在施用过程中受到很大程度的限制.1931年Richards将Darcy的线性渗流理论推广后，使其能够在非饱和渗流中得以应用，于是关于水相流的控制方程也随之建立起来，形成了Richards方程[3]. 基于Richards控制方程的饱和—非饱和渗流也得到了进一步发展并在许多实际工程中成功应用.随着计算机技术和数值方法即有限差分法的发明和发展，数值解法法在渗流分析中得到更为广泛使用. Rubni[4]和 Freeze[5]先后用有限差分法描述了二维、三维土壤内水相饱和—非饱和非稳态流过程，并做了Richards方程的数值解求解方法. Neuman[6-7]最早将有限元法应用于饱和—非饱和渗流问题，他用Calerkin法对Richards方程进行空间域的离散，用Crank-Niocslno有限差分格式对时间域进行离散，其成果得到了业界的广泛认可. 国内在这方面起步较晚但也取得了一定的成果：李信[8]采用伽辽金有限元法隐式向后差分法，进行了耦合传递理论的三维研究. 吴梦喜[9]对饱和—非饱和渗流有限元计算过程中的数值弥散现象加以改进. 目前有限元法已是土壤中水相渗流计算中最主要的数值求解手段.降雨入渗过程可以被两个最主要的过程描述：非产流阶段(已知流量入渗)、产流阶段(已知水头入渗)，且由于雨型的不同这两种入渗过程会交互进行. 忽略降雨入渗过程中雨水与土壤的热量交换影响，只考虑竖直方向土水势作用下雨水在土壤中的湿传递. 为了方便研究，假定初始时刻土壤含水量处处相等，降雨后含水量发生变化，各处的含水量不再相同，而是遵循一定的规律，这是由降雨所引起的. 该数学模型是基于一维Richards方程的数值求解法进行求解.2.1 模型建立一维Richards方程的表达式：其中含湿量θ(y,τ)表示τ时刻，深度位于y土层的土壤含湿量. 另外，(y,τ) 表示τ时刻，流经单位面积深度为y的土层的水流量. 这个速率可根据Darcy-Buckingham定律求解，通过单位长度的竖直土柱的水流量：其中Kw表示非饱和土壤导水率；ψ表示非饱和土壤土水势.联立式(1)和式(2)，并化简为以含湿量θ表示的等式如下：其中土壤扩散率为2.2 模型定解条件初始条件：假定初始时刻每层的土壤含水量均已知，给定θ(y,0).下边界条件：以更接近实际情况设定该模型的边界条件，将下边界条件定义为自由扩散边界，即上边界条件：将上边界定义为可变入渗速率K的边界条件，即其中R(τ)表示随时间变化的降雨量(或单位面积灌溉流量)；H(τ)表示随时间变化的地表蒸发量. 该公式合理需满足的条件是未使地表含水量达到饱和的降雨入渗R(τ)-H(τ)≤Ksat或θ(0，τ)<ε，大部分实际情况都满足该条件. 但当降雨量很大，或进行灌溉时会达到饱和入渗条件，即R(τ)-H(τ)≥Ksat，此时θ(0,τ)=θs，则上边界条件应改为：2.3 模型的求解利用有限元差分法，对方程进行离散求解. 模型的空间离散化和边界条件如图1所示. 将土柱划分为n层，每层厚度为Δy=L/n，第i层土层深度即其中心位置的深度y；第i层含水量用θi(τ)表示，θi(τ)=θ(y,τ)；i(τ)为流经土层i的上表面的水分渗透量.则式(1)可表示为：等式(3)可表示为：式中根据以上数学模型进行编程运算. 可得到在土壤土质均匀的条件下，随着入渗时间的增加，土壤入渗锋面缓慢下降，但每层含湿量提升的量只与入渗速率Kw相关. 以上所描述的数值计算方法适用于对沿土层深度方向的入渗进行模拟分析，且只要已知初始时刻的土层含湿量分布情况，就可预测出经过一个降雨入渗过程后，土层含湿量的分布情况.为了验证模型的可靠性，分别采用土柱实验和用于多组分多相流分析的商用软件Tough两种方法与理论模型的计算结果对比. 用于实验的土壤为砂质壤土，土壤的物性及初始含湿量参数如表1所示. 把表中相关参数代入到软件中进行同条件下的模拟验证，Tough软件模拟验证的离散网格如图2a所示；土柱实验的装置如图2b所示.模拟结果图3，可看到入渗过程是有个水头锋面，锋面处湿度梯度变化剧烈. 随着时间的增加，入渗锋面以一稳定的速度向下推进. 锋面之后的土壤含水量都达到相同的量，并随着入渗过程的持续，达到该值的含水量的区域逐渐扩大.对比软件验证、实验验证与采用Matlab编程的自主模型模拟的结果，如图4. 首先本文模型Matlab模拟计算得到的结果与Tough软件的结果曲线非常接近，表明本文采用模型的结果是可靠的. 进一步比较实验数据与模型模拟的结果，发现差别较大的数据：深度0.2 m的位置，在经过1 h入渗后，实测土壤的含水量为22%，模型结果为25%，其他数据点两者偏差都很小，比较的结果表明本文模型的正确性.1) 在稳定或非稳定地表入渗条件下，采用一维Richards方程并求解获得非饱和匀质土壤随时间及土壤深度变化含水量的变化.2) 通过土柱入渗实验和Tough软件分别对理论模型计算得到的结果进行了验证分析，实验结果显示，深度0.2 m的位置，在经过1 h入渗后，实测土壤的含水量为22%，与模拟结果25%相比偏差3%，证明了该模型的合理性及准确性.2072-2075[7] Neuman S P. Saturated-unsaturated seepage by finite elements[J]. Journal of the hydraulics division, 1973, 99(12): 2233-2250[8] 李信, 高冀, 汪自力. 饱和- 非饱和土的渗流三维计算[J]. 水利学报, 1992(11): 63-68[9] 吴梦喜, 高莲士. 饱和- 非饱和土体非稳定渗流数值分析[J]. 水利学报, 1999(12): 38-42[10] Gardner W R, Hillel D, Benyamini Y. Post-Irrigation Movement of Soil Water 1, Redistribution[J]. Water Resources Res., 1970(6): 851-861 [11] Chen Z Q, Shi M H. Study of heat and moisture migration properties in porous building materials[J]. Appl. Therm. Eng., 2005(25): 61-71【相关文献】[1] 徐维生. 水利工程非达西渗流数值分析 [D]. 湖北宜昌：三峡大学, 2008[2] 张巍. 地下工程复杂渗流场数值模拟与工程应用[D]. 武汉：武汉大学, 2005[3] 张培文. 降雨条件下饱和- 非饱和土径流渗流耦合数值模拟研究 [D]. 辽宁大连：大连理工大学, 2002[4] Rubin J. Theoretical analysis of two-dimensional, transient flow of water in unsaturated and partly unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1968, 32(5): 607-615[5] Freeze R A. Three‐Dimensional, Transient, Saturated-Unsaturated Flow in a Groundwater Basin[J]. Water Resources Research, 1971, 7(2): 347-366[6] Zhou M, Xu W, Tian D. Study on an improved numerical method of seepage analysis for unsaturated soil slope[A]∥Electrical and Control Engineering (ICECE), 2010 International Conference on[C]. IEEE, 2010:。
摘要土壤水分运动特征及其参数确定学科名称: 水文学及水资源答辩日期：2003.3作者: 来剑斌作者签名：导师: 王全九教授导师签名：摘要在总结国内外有关土壤水分运动特征及参数确定方法研究成果的基础上，采取理论分析与室内试验相结合的方法，研究了四种不同质地土壤水平一维入渗、垂直一维入渗、点源自由积水入渗及负压盘式吸渗等的入渗模型及土壤水分运动参数的确定方法,获得以下研究结果。
1. 对常用的土壤水分特征曲线公式特点和相互关系进行了分析,获得了土壤质地与水分特征曲线常用表达式中参数之间的相关关系。
研究表明土壤质地与分形理论预测土壤水分特征曲线结果较好。
采用积分方法与入渗特性法确定的土壤水分特征曲线，在土壤低吸力段，与实测值吻合良好。
2. 由水平一维入渗资料计算土壤水分扩散率，结果表明，扩散率与含水率间符合指数函数变化关系，扩散率系数D0随土壤粘性增加而减小。
采用Burdine模式和Mualem模式计算的土壤水分扩散率表达式中的系数和指数随着土壤质地由细变粗而逐渐变大。
3. 利用实测资料分析Philip入渗公式与Kostiakov经验公式间的关系表明，二者在某种程度上具有一致性。
分析获得了Green-Ampt入渗模型与Philip模型参数间的相关关系表达式。
利用垂直一维入渗资料分别计算了四种不同质地土壤的导水率，结果表明，土壤导水率与含水率间关系符合乘幂函数变化关系。
比较分析了不同方法确定饱和导水率K s。
4. 对负压盘吸渗的稳定性分析表明，用改进的盘式吸渗仪进行土壤吸渗实验具有一定的稳定性和可靠度。
入渗时间相同时，不同负压水头下的累积入渗量随着负压的增大而减小。
利用负压盘式入渗资料，采用不同方法，分别计算并对比分析西安理工大学硕士学位论文了四种不同质地土壤的吸湿率及导水率。
结果表明，负水头越大土壤吸湿率及导水率越小。
对于同一个负压值，土壤吸湿率与导水率随土壤粘性增加而减小。
5. 除榆林土外，其余三种不同质地的土，渗透仪与点源入渗确定的土壤导水率接近，而一维入渗与盘式吸渗确定的土壤导水率接近，且比渗透仪及点源入渗测定值大。
影响土壤水分入渗特性主要因素的试验研究
栗献锋
【期刊名称】《山西水利科技》
【年(卷),期】2008(000)001
【摘要】以大田土壤入渗试验为依据,分析讨论了影响大田土壤水分入渗特性的主要因素.试验结果表明:土壤含水量、土壤质地及土壤结构是土壤水分入渗特性的主导影响因素;土壤含水量、土壤质地及土壤结构对大田土壤入渗能力的影响十分明显;土壤累积入渗量随土壤含水量的增加而减小;以土壤粒径小于0.002 mm的黏粒质量百分数为反映土壤质地的物理量,土壤质地由轻变重,土壤入渗能力减小;土壤结构由疏松变密实,土壤入渗能力递减.研究结果对于地面灌溉合理灌水技术参数的确定及水资源合理利用具有重要价值.
【总页数】4页(P38-40,57)
【作者】栗献锋
【作者单位】山西省水利建设开发中心,太原,030002
【正文语种】中文
【中图分类】S152
【相关文献】
1.微润灌水器深埋条件下土壤水分入渗湿润特性试验研究 [J], 王振忠
2.地下水埋深对冻融土壤水分入渗特性影响的试验研究 [J], 樊贵盛;郑秀清;潘光在
3.影响冻融土壤水分入渗特性主要因素的试验研究 [J], 樊贵盛
4.宽垄沟灌土壤水分累积入渗特性试验研究及模拟 [J], 汪顺生;陈春来;王爱滨;傅渝亮
5.含钠盐量变化对土壤水分入渗特性影响的试验研究 [J], 韩笑;张颖;赵君涵;黄蕊;王洪德;佘冬立
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利用土壤传输函数确定入渗参数的方法研究的开题报告一、选题背景和研究意义利用土壤传输函数确定入渗参数是土壤水文学中一个重要的研究方向。
土壤入渗是指降雨或灌溉水分从土壤表面渗透到土壤内部的过程。
土壤水分对于植物生长、农业生产和自然环境的影响极为重要。
因此，研究土壤入渗过程对于深入理解土壤水分运动规律、优化水资源利用、提高农业生产效益和保护生态环境等方面具有重要意义。
传统的土壤入渗参数测定方法主要采用室内试验或野外试验，但这些方法存在时间和空间限制，成本较高且测量结果不稳定。
而土壤传输函数法可以通过少量的准确数据，建立土壤水分运动的模型，从而更加准确地确定入渗参数。
因此，该研究方法具有较大的应用前景。
二、研究内容和目标本研究将通过对土壤入渗过程中水力特征参数和土壤物理性质进行测定，建立土壤传输函数，通过该函数确定土壤入渗参数。
具体研究内容包括：1. 确定研究地区，采集土壤样品，测定土壤物理性质和水力特征参数。
2. 建立土壤传输函数，分析不同土壤类型下土壤水分运动的规律。
3. 利用土壤传输函数确定入渗参数，分析不同土壤类型入渗参数的异同。
4. 验证所建立的土壤传输函数的准确性和可靠性。
本研究的目标是建立准确的土壤传输函数，通过该函数确定入渗参数，为土壤入渗规律的研究提供新的方法和思路。
三、研究方法和技术路线本研究的主要方法包括：1. 实验测定法：采集不同土壤类型的样品，通过室内试验和野外试验进行水力特征参数的测定。
2. 数学模型法：基于测定数据，建立土壤传输函数，利用该函数进行土壤水分运动规律的模拟及入渗参数的确定。
技术路线包括以下步骤：1. 选定研究地区及不同土壤类型。
2. 采集土壤样品，并测定土壤物理性质和水力特征参数。
3. 建立土壤传输函数，利用所建立的函数模拟土壤水分运动规律。
4. 参考实验数据和现有文献资料，验证所建立的土壤传输函数的准确性和可靠性。
四、预期结果和创新性本研究的预期结果包括：1. 建立准确的土壤传输函数，通过该函数确定入渗参数。
降水入渗与土壤水分动态模型研究进展
蒋太明
【期刊名称】《贵州农业科学》
【年(卷),期】2005(33)B09
【摘要】从贵州喀斯特山区季节性干旱严重的现实和高效可持续农业生产的需求出发,采用资料查阅的方式,全面综述了目前国际、国内现行的降水入渗模型、降水入渗影响因素、农田土壤水分动态等方面的主要研究成果与进展,明确了时间序列分析法可简单、实用、高精度地实现土壤水分动态趋势的模拟,所获得的资料将为贵州喀斯特地区类似的研究打下基础。
【总页数】6页(P83-88)
【关键词】降水入渗;土壤水分动态;时间序列法模拟;进展
【作者】蒋太明
【作者单位】西南农业大学资源环境学院
【正文语种】中文
【中图分类】S152.7
【相关文献】
1.降水人渗与土壤水分动态模型研究进展 [J], 蒋太明
2.降水入渗及土壤水分变化对产流过程影响研究进展 [J], 赵娜娜;于福亮;李传哲;王浩
3.森林土壤水分入渗的影响因素及主要入渗模型 [J], 杨弘;杨威
4.基于Philip入渗模型的土壤水分入渗参数BP预报模型 [J], 武雯昱;樊贵盛
5.残膜对土壤水分入渗的影响及入渗模型适用性分析 [J], 邹小阳;牛文全;许健;张明智;李元;官雅辉
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土壤入渗测定方法评述[摘要]为了解不同的土壤入渗测定方法，本文在介绍国内外有关土壤入渗测定方法的若干研究成果和进展的基础上，简要地分析了目前常用的双环法、人工降雨法、水文分析法、圆盘入渗仪法和盘式负压入渗仪法。
结果表明圆盘入渗仪法多用于测量土壤的饱和导水率，同时具有省时、省力、省水和准确等优势，更适合野外试验，可以代替双环法进行土壤渗透性的测定。
[关键词]土壤入渗；测定；方法0 引言入渗是指水分进入土壤形成土壤水的过程，是土壤水动力学中重要的基本概念，它是降水、地面水、土壤水和地下水相互转化的一个重要环节。
土壤水分入渗过程和入渗能力决定了降雨进程再分配中的地表径流和土壤储水性，在干旱、半干旱地区，林业发展的主要途径是充分有效地利用自然降水、减少地表径流、增加土壤水分。
定量描述土壤入渗过程是水循环及水利用的重要基础内容，对研究地表产流的机理，以及增加土壤入渗，提高作物水分利用效率等具有重要的理论意义和实践价值。
因此，土壤水分入渗的测定及其影响因子的研究受到极大的关注，许多学者就此问题进行了大量的研究，并获得了丰富的研究成果。
1 土壤入渗测定方法研究现状目前，国内外许多学者致力于土壤入渗测定方法的研究，并在试验研究中提出并应用了不同的方法和手段。
例如：环刀法、渗透筒法、单环法、水文法、马利奥特-双环法、人工降雨法、钻孔法、土柱法、稳定通量法、示踪法以及各种精密入渗仪法（如Hood入渗仪，Guelph入渗仪）等，可分为田间测定和室内试验2种。
Betrand（1965）曾对土壤入渗速率的测定方法作过评述。
在实际操作中常常受制于某些因素，使得基于不同方法所测定的结果有所不同。
目前使用较多的方法为双环法（注水法）、人工降雨法、水文分析法、圆盘入渗仪法和盘式负压入渗仪法等。
1.1 双环法双环法通常采用同心环入渗装置。
同心环为两个同心铁环，其上下无底，要有足够刚度，以便打入土中不变形。
一般常用的同心环，外环直径50.5㎝，内环直径30.5㎝，环高25㎝，打入土中15㎝，环高及打入土中深度与内环相同。
