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不同土石混合介质水分运动的试验研究

作　者: 温明霞
导　师: 邵明安
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 土壤学
关键词: 土石混合介质入渗和蒸发水分特征曲线砾石料姜石煤矸石
分类号: S152.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

水资源匮乏已成为制约生态环境建设的重要影响因素,地处西北干旱半干旱地区的黄土高原更为严重。在黄土高原,由于成土过程、土壤侵蚀和人为活动的影响,土壤中常会含有一些碎石,碎石的存在必然会导致含碎石土壤的水分运动有别于均质土壤。国内外对含碎石土壤的水分运动已做了大量的研究,但由于土石混合介质的水分运动是一个相当复杂的过程,涉及的影响因素很多,仍存在一些问题需进一步深入研究。本文通过大量的土柱模拟实验,系统研究不同土石混合介质的水分运动,主要取得以下结论:1.土石混合隔层的累积入渗量均小于均质土壤的累积入渗量,碎石隔层的存在会阻碍土壤水分的入渗,Kostiakov模型和Philip模型均可较好的描述碎石隔层的累积入渗量随时间的变化过程,幂函数可以较好的拟合碎石隔层的湿润锋深度随时间的变化关系。土石混合隔层的存在位置对累积入渗量和湿润锋的影响因碎石种类和碎石粒径的不同而不同,料姜石在0.2-1cm、砾石在1-3cm时,累积入渗量随隔层位置的下移而逐渐增大。粒径为0.2-1cm时,砾石和料姜石的湿润锋深度最小值出现在隔层位置为0-10cm处,而煤矸石的湿润锋深度最小值出现在隔层位置为40-50cm处。累积入渗量随着煤矸石隔层厚度的增大先减小后增大,最小值出现在隔层厚度为0-40cm处。碎石粒径对累积入渗量的影响因碎石种类不同而有所不同,碎石种类为砾石时,同一入渗时刻,累积入渗量的大小顺序为1-3cm>0.2-1cm>3-5cm;碎石类型为料姜石时,同一入渗时刻,累积入渗量随碎石粒径的减小而减小;碎石类型为煤矸石时,累积入渗量的最大值出现在碎石粒径为0.2-1cm,最小值出现在粒径为1-3cm。累积入渗量随隔层碎石含量的增加而减小,且存在一拐点,拐点因碎石种类不同而不同,砾石和煤矸石的拐点出现在碎石含量Rm=45%处;而料姜石的拐点出现在碎石含量Rm=60%处。碎石类型对累积入渗量和湿润锋的影响因碎石粒径的不同而有所不同。碎石粒径为0.2-1cm时,同一入渗时间,累积入渗量的大小顺序为煤矸石>砾石>料姜石;碎石粒径为1-3cm时,料姜石的累积入渗量最大,煤矸石的最小;碎石粒径为3-5cm时,砾石的累积入渗量最小,料姜石的最大。不同土壤质地的累积入渗量随时间的变化过程也都可用Kostiakov模型及Philip模型描述,且Kostiakov模型的K和α、Philip模型的A和S值均是娄土的最小,风沙土的最大。同一入渗时间,风沙土的湿润锋深度和入渗速率最大,黄绵土次之,娄土最小。而同一土层下,娄土土石混合介质中细土的含水量最高,黄绵土次之,风沙土最小。2.裸土和碎石覆盖的累积蒸发量均随蒸发时间呈二次幂函数增加,碎石覆盖的累积蒸发量小于裸土的累积蒸发量,即碎石覆盖可以较好的抑制蒸发。累积蒸发量随碎石覆盖厚度呈线性函数减小,即碎石覆盖越厚,对蒸发的抑制效果越明显。同一碎石类型时,累积蒸发量随覆盖厚度的递减速率因碎石粒径的增大而减小,递减速率在0.2-1cm时最大,3-5cm最小;同一碎石粒径时,累积蒸发量随覆盖厚度的递减速率砾石的最大,煤矸石次之,料姜石最小。砾石和料姜石的累积蒸发量与碎石粒径呈线性函数增加,而煤矸石的累积蒸发量随粒径变化不明显。同一粒径同一覆盖厚度下,不同碎石类型的累积蒸发量大小顺序为,料姜石>煤矸石>砾石,即砾石对蒸发的抑制作用最强,煤矸石次之,料姜石最小。3. Van Genuchten模型、修正后的Van Genuchten模型和Brooks-Corey模型均可模拟不同混合介质的水分特征曲线。无论是脱湿过程还是吸湿过程,同吸力下,土石混合介质的含水量均小于均质细土的含水量。无论何种碎石,同吸力下,大粒径碎石的土石混合介质含水量要大于小碎石土石混合介质的含水量。对于砾石和料姜石,不同粒径的土石混合介质含水量差异在吸湿过程比脱湿过程明显;而煤矸石,吸湿过程在较低吸力(<15KPa),脱湿过程在较高吸力时(>60KPa)时,不同粒径的土石混合介质含水量差异很小。同吸力下,土石混合介质的含水量随碎石含量的增加而减小。同吸力下,无论是脱湿过程还是吸湿过程,含砾石的土石混合介质的含水量最低,而料姜石和煤矸石的含水量与碎石的含量有关。4.运用正交法分析影响土石混合介质水分入渗的主要因素和次要因素。首先分析碎石种类、碎石含量、碎石粒径和土壤质地四因素对入渗的影响,对初始入渗率和吸渗率影响的大小顺序是:土壤质地>碎石种类>碎石含量>碎石粒径;对累积入渗量影响的大小顺序是:土壤质地>碎石含量>碎石种类>碎石粒径。其次分析碎石种类、隔层位置、碎石粒径和土壤质地四因素的影响,对初始入渗率、吸渗率和累积入渗量影响的大小顺序是:土壤质地>隔层位置>碎石粒径>碎石种类。最后分析碎石种类、隔层厚度、碎石粒径和土壤质地四因素的影响,对初始入渗率和吸渗率影响的大小顺序是:土壤质地>碎石粒径>碎石种类>隔层厚度,而对累积入渗量影响的大小顺序是土壤质地>隔层厚度>碎石粒径>碎石种类。5.运用正交法分析影响碎石粒径、碎石种类和覆盖厚度对土石混合介质水分蒸发影响的主次。结果表明,对蒸发影响的大小顺序依次是:碎石种类>覆盖厚度>碎石粒径。对于碎石种类,砾石的抑制蒸发作用最强,煤矸石次之,料姜石最弱;对于覆盖厚度,对蒸发的抑制作用随覆盖厚度的增大而增大,厚度5cm时最大;对于碎石粒径,对蒸发的抑制作用随粒径的增加而减小,粒径为0.2-1cm时最大。总的来说,粒径为0.2-1cm,厚度为5cm的砾石覆盖对蒸发的抑制效果最好。

不同土石混合介质水分运动的试验研究

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