PDF《范严伟应用 HYDRUS-1D 模拟砂质夹层土壤入渗特性①_范严伟》

? 、 n 和m为土壤物理特性有 关的拟合参数 e r s r S ? ? ? ? ? ? ? ;

1 n ? , m =1?1/ n ;

s K 为土壤饱和导水率(cm/min);

l = 0.5. 1.2 定解条件 图1为砂质夹层土壤水分运动模拟计算简图. 试验开始时,土壤水分剖面为稳定剖面,计算域内各 点土水势相等.即2土壤第48 卷图1砂质夹层土壤计算简图 Fig.

1 Calculation diagram of the soil with sand interlayer

0 ,

0 ,

0 h z z L t ? ? ? ? ≤ ≤ (4) 式中,

0 ? 为土壤初始总水势(cm);

试验中,土柱上边界保持恒定水头入渗,下边界 入渗水量未到达.即0,0,

0 h h z t ? ? ? (5) ( ) ( ) 0, ,

0 h K h K h z L t z ? ? ? ? ? ? (6) 式中,

0 h 为压力水头(cm);

L 为土柱高度(比湿润锋 所湿润范围大)(cm). 1.3 数值求解 利用 HYDRUS-1D 软件,对层状土一维垂直入 渗的数学模型进行求解.模拟不同砂层质地、初始含 水率、砂层厚度、砂层埋深和压力水头条件下的砂质 夹层土壤入渗特性. 求解过程中, 采用Galerkin 有限 元法对土壤剖面进行空间离散, 采用隐式差分格式进 行时间离散.模拟土层深度为

100 cm,时间步长为 0.01 min,空间步长为

1 cm,模拟历时

200 min.土 壤质地通过 van Genuchten-Mualem 模型中的参数 来体现,土壤初始含水率、砂层埋深和砂层厚度通过 初始条件来设定,而压力水头通过边界条件来实现. 为保证研究土壤的广泛性和成果的普适性.模拟 中土壤的 van Genuchten-Mualem 模型水力特性参数 分别取自参考文献[6]、[13]和[15],如表

1 所示. 表1不同土质 van Genuchten-Mualem 模型水力特性参数 Table

1 Hydraulic parameters in van Genuchten-Mualem model of different soils 编号 土壤质地 土壤体积质量(g/cm3 ) r ? (cm3 /cm3 ) s ? (cm3 /cm3 ) ? (1/cm) n l s K (cm/min) A1 壤土[6] 1.40 0.050 0.372 0.012 1.680 0.5 0.034 S1 砂土[6] 1.75 0.010 0.298 0.401 1.522 0.5 2.500 S2 砂土[13] C 0.045 0.430 0.145 2.680 0.5 0.495 S3 砂土[15] 1.63 0.009 0.385 0.081 2.676 0.5 1.600

2 各因素对砂质夹层土壤入渗特性影响分析 2.1 砂层质地 为对比分析砂层质地对土壤水分入渗特性的影 响,在上层土壤初始含水率

0 ? = 0.165 cm3 /cm3 ,砂层 埋深 Z =

30 cm,砂层厚度 D =

15 cm,压力水头

0 h =

6 cm 条件下,模拟得到不同砂层质地和均质壤土的 入渗特性曲线及入渗结束时( t =

200 min)土壤剖面水 分分布曲线(图2). 由图

2 可看出: 砂质夹层土壤入渗与均质土入渗 存在较大差异.入渗初期,砂质夹层土壤的入渗规律 和趋势与均质壤土相同,入渗速度快且迅速减小,累 积入渗量和湿润锋运移距离随时间成非线性增加;

湿 润锋到达砂层上界面时(入渗约

52 min 左右),湿润锋 稍有停滞,表现为阻水作用;

湿润锋穿过砂层上界面 后(入渗约

64 min 左右),入渗率变为常数,入渗过程 变为稳渗阶段, 稳渗率小于相同时刻均质壤土的瞬时 入渗率,表现为减渗作用;

随着入渗时间的增加,稳 渗率逐渐大于均质壤土的瞬时入渗率, 表现为增渗作 用.入渗结束时,上层壤土基本饱和,夹层砂土未饱 和,下层壤土剖面水分分布的变化趋势基本相同. 为定量分析各因素对砂质夹层土壤入渗特性的 影响,将稳渗阶段的累积入渗量采用线性关系表 示[18] ,即:

1 1 ( ) f I i t t I ? ? ? (7) 式中: I 为累积入渗量(cm);

1 t 为湿润锋穿过砂层上 界面的时间(min);

f i 为稳渗率(cm/min);