（环境科学专业论文）土壤优先流的活动流场模型理论研究.pdf

中山人学博i ：学位论文 的比较分析。( 4 ) 通过相对敏感性分析研究活动流场模型分形特征参数对优先 流发展( 入渗深度) 的影响。此外，通过土壤含水率分布模式参数研究不同入 渗条件( 土壤类型、流动非均匀性、入渗水量、土壤初始含水率和入渗时间) 对入渗后土壤含水率分布形式的影响。 本论文取得的主要成果包括： ( 1 ) 成功地运用互相关函数分析来研究土壤水流入渗变异特征的方向性、 比较入渗在剖面内和剖面间变异程度的大小、计算入渗区域上土壤优先流的最 大概率宽度。互相关函数表征入渗深度沿不同方向( x 方向和y 方向) 分布的 相关程度，其中沿x 方向计算的结果用于比较各剖面内部的入渗非均匀程度， 沿y 方向计算的结果用于比较剖面之间的入渗非均匀程度。根据沿不同方向计 算的互相关函数曲线的变化特征和大小关系可判定土壤水入渗是否存在方向性 以及入渗在剖面内和剖面问变异程度的大小。根据互相关尺度可计算出不同方 向( x 方向和y 方向) 上土壤优先流的最大概率宽度；根据不同方向上土壤优 先流的最大概率宽度是否相等也可判定土壤水入渗是否存在明显的方向性。 ( 2 ) 不同入渗条件下活动流场模型均能很好的捕捉到优先流的非均匀特 征。相同入渗条件下，土壤初始含水率越小时土壤水流运动的非均匀程度越 高，由此拟合的活动流场模型分形特征参数值也越大。入渗水量对土壤水流运 动非均匀程度的影响较为复杂。当入渗水量很小时，流动总体上相对比较均 匀；当入渗水量增大时，土壤优先流的非均匀程度随之增大；当入渗水量充分 增大时，流动整体上又变得相对比较均匀。由此，随着入渗水量的增大，土壤 水流运动的非均匀程度先增大后减小，拟合的活动流场模型分形特征参数值也 先增大后减小。活动流场模型分形特征参数值在本研究试验尺度范围内变化很 小，表明优先流的统计非均匀特征在该研究尺度范围内很可能与试验尺度无 关，这说明根据较小尺度上的试验结果计算的活动流场模型分形特征参数值可 用于解决较大尺度的问题。 ( 3 ) 在活动流场模型基本理论和质量守恒原理的基础上建立了活动流场模 型下土壤水流运动和溶质运移的控制方程，完善和发展了活动流场模型理论。 根据活动流场模型和二域模型修改基于连续性模型理论所建立的数值模拟程 序，并运用修改后的程序模拟预测土壤优先流的发展。对于所研究的染色示踪 试验，二域模型模拟预测的土壤含水率和溶质浓度分布的模型有效性系数均不 i i 中山人学博士学位论文 超过0 4 ；与之相比，活动流场模型模拟预测的模型有效性系数都在0 8 以上。 这一结果表明，活动流场模型成功的捕捉到了土壤优先流的整体非均匀特征， 活动流场模型预测优先流发展的精度要优于二域模型。 ( 4 ) 不论土壤类型、降雨入渗水量和土壤初始含水率如何，入渗深度对活 动流场模型分形特征参数的相对敏感性系数始终大于0 。这表明，任何条件 下，土壤水流运动非均匀程度( 以活动流场模型分形特征参数表征) 的增大都 将促使优先流流速增大，从而加剧地下水受污染的风险。当降雨入渗水量和土 壤初始含水率相同时，入渗深度对活动流场模型分形特征参数的相对敏感性系 数随着活动流场模型分形特征参数值的增大而增大；相同活动流场模型分形特 征参数值条件下( 即流动非均匀程度相同) ，入渗深度对活动流场模型分形特 征参数的相对敏感性系数随着降雨入渗水量和土壤初始含水率的增大而减小。 表明土壤水流运动非均匀程度越高、土壤初始含水率越低和入渗水量越小时， 模拟结果对活动流场模型分形特征参数值越敏感。 ( 5 ) 较粗质地土壤、较高的土壤水流运动非均匀程度、较大的入渗水量、 较高的土壤初始含水率和较长的入渗时间都能使得最大土壤含水率的发生位置 更靠近入渗湿润锋，由此计算的土壤含水率分布模式参数也较大。相对而言， 土壤质地对土壤含水率分布模式的影响最大。由于土壤水重分布，使得上层土 壤中的活动流场面积小于染色面积，该深度范围的染色比例和染色区内的土壤 含水率分布数据不能用来拟合活动流场模型分形特征参数值。当土壤初始含水 率沿入渗深度保持不变，并且染色区内的土壤含水率最大值发生在地表以下 时，则在土壤含水率最大值发生深度以下土层中活动流场和染色区是相重合 的，可选择该深度范围内受土壤初始含水率影响较小数据点( 染色面积比例和 染色区内的土壤含水率) 来拟合活动流场模型分形特征参数值。 关键词：优先流，染色示踪试验，互相关函数，活动性流场模型，本构方程， 控制方程，模型有效性，相对敏感性分析 i i i 中山大学博i ：学位论文 s t u d yo nt h ea c t i v er e g i o nm o d e lf o rp r e f e r e n t i a l f l o wi nt h eu n s a t u r a t e ds o i l m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：s h e n gf e n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gr e n d u o a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eh i g hs p a t i a lv a r i a b i l i t ya n dh e t e r o g e n e i t yo ft h es o i l ，p r e f e r e n t i a l f l o wi sac o m m o nf l o wp a t t e r n , w h i c hi s c h a l l e n g i n gt ob ec h a r a c t e r i z e d , i n u n s a t u r a t e ds o i l s p r e f e r e n t i a lf l o wp e r m i t sw a t e ra n dc o n t a m i n a n tm o v i n gf r o mt h e s o i ls u r f a c et h o u g hv a d o s ez o n et ot h eg r o u n d w a t e rr a p i d l y , i n c r e a s e st h es e e p a g eo f t h ei r r i g a t e dw a t e ra n df e r t i l i z e r s ，a n dr e d u c e st h ea b s o r p t i o na n dd e g r a d a t i o no ft h e p o l l u t a n ti nt h es o i l a sar e s u l t ，p r e f e r e n t i a lf l o we n h a n c e st h ep o s s i b i l i t i e so f g r o u n d w a t e rc o n t a m i n a t i o n t os o l v et h ep r o b l e m ，av a r i e t yo ft h e o r i e sa n dm o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e d a m o n gt h e s e ，t h ea c t i v er e g i o nm o d e l ( a 砌讧) ，w h i c hi n c o r p o r a t e dt h ef i a c t a lt h e o r y w i t ht h et r a d i t i o n a lc o n t i n u u m a p p r o a c h e s ， c o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so fb o t l l c o n t i n u u ma n dd i s c r e t ea p p r o a c h e s w h i l es o m ep r e v i o u sf i e l ds m d i e ss u p p o r tt h i s r e c e n t l yd e v e l o p e dt h e o r y , a l li n d e e pa n ds y s t e m a t i c a le v a l u a t i o no nu s i n gt h ea r m f o rc h a r a c t e r i z i n gt h eh e t e r o g e n e o u sf l o wp a t t e r n s ，a n dt h es t u d yo nt h er d a t i o n s h i p b e t w e e nt h ea r mp a r a m e t e ra n df l o wc o n d i t i o n s ，h a sn o ty e tb e e nc o n d u c t e d f u r t h e r m o r e ，t h eg o v e r n i n ge q u a t i o nf o rs o l u t et r a n s p o r tu s i n gt h ea r m h a sn o tb e e n d e v e l o p e d ，a n dt h ee v a l u a t i o no nt h ea r m f o rp r e d i c t i n gs o i lw a t e rf l o wa n ds o l u t e t r a n s p o r ti ss t i l lm i s s i n g t h er e s e a r c ho b j e c t i v e so ft h i sd i s s e r t a t i o na l ea sf o l l o w s ( 1 ) f o u r t e e nd y e , - s t a i n e di n f i l t r a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e di nt h ef i l e d ，i n c l u d i n gs a n d ，l o a ma n d s i l t yc l a ys o i l s b r i l l i a n tb l u ea n di o d i n e s t a r c hw e r eu s e da st h ed y et r a c e rf o rt h e d i f f e r e n ts o i l s ( 2 ) t h ei o d i n e s t a r c hs t a i n i n ge x p e r i m e n t s ，c o n d u c t e di nt h el o a ma n d s i l t yc l a y s o i l sw i t hv a r i o u si n i t i a l ( i n i t i a ls o i lw a t e rc o n t e n t ) a n db o u n d a r y i v 中山人学博十学位论文 ( i n f i l t r a t i o na m o u n t ) c o n d i t i o n s ，a sw e l la sm e a s u r e m e n ts i z e s ，w e r eu s e dt oe v a l u a t e t h ea r m ，a n dt od e t e r m i n et h er e l a t i o n s h i pb e 附e e nt h ea r m p a r a m e t e ra n d i n f i l t r a t i o nc o n d i t i o n s ( 3 ) b a s e do nt h em a s sc o n s e r v a t i o np r i n c i p l ea n dt h et h e o r yo f a r m ，t h eg o v e r n i n ge q u a t i o n sf o rs o i lw a t e rf l o wa n ds o l u t et r a n s p o r tw e r ed e r i v e d ab r i l l i a n tb l u ed y ei n f i l t r a t i o ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e da n dd i s t r i b u t i o n so fs o i l w a t e rc o n t e n ta n dc 1 。c o n c e n t r a t i o nw e r em e a s u r e d t h em e a s u r e dd a t aw e r e c o m p a r e dw i t ht h ep r e d i c t e dr e s u l t su s i n gt h ea r ma n dt h em o b i l e - i m m o b i l er e g i o n m o d e l ( m i m ) t h em o d e le v a l u a t i o nw a sb a s e do nm o d e l i n ge f f i c i e n c yu 四 q u a n t i t a t i v e l y ( 4 ) t h er e l a t i v es e n s i t i v i t ya n a l y s i sw a sc o n d u c t e dt os h o wh o wt h e a r m p a r a m e t e ra f f e c tt h ep r e f e r e n t i a lf l o w ( i e i n f i l t r a t i o nd e p t h ) ，a n dad i s t r i b u t i o n c o e f f i c i e n tw a sd e f i n e da n du s e dt os h o wh o wt h ei n f i l t r a t i o nc o n d i t i o n s ( i e s o i l t e x t u r e ，f l o wh e t e r o g e n e i t y , i n f i l t r a t i o na m o u n t ，i n i t i a l s o i lw a t e rc o n t e n t ，a n d i n f i l t r a t i o nd u r a t i o n ) a f f e c tt h ed i s t r i b u t i o n so ft h es o i lw a t e rc o n t e n ta f t e ri n f i l t r a t i o n t h em a i nr e s u l t so b t a i n e df r o mt h i ss t u d ya r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec r o s s - c o r r e l a t i o na n a l y s i sw a ss u c c e s s f u l l yu s e dt oc h a r a c t e r i z et h e d i r e c t i o n - d e p e n d e n tb e h a v i o r so fi n f i l t r a t i o n ，t oc o m p a r et h ei n f i l t r a t i o nh e t e r o g e n e i t y w i t h i na n da m o n gt h ep r o f i l e s ，a n dt oc a l c u l a t et h em o s tp r o b a b l es i z e so f p r e f e r e n t i a l f l o wp a t h s t h ec r o s s - c o r r e l a t i o nf u n c t i o n si n d i c a t et h er e l a t i o n s h i po fi n f i l t r a t i o n d e p t ha l o n gd i f f e r e n td i r e c t i o n s ( i e t h ex a n dy - d i r e c t i o n ) t h ec r o s s c o r r e l a t i o n f u n c t i o nc a l c u l a t e d a l o n g t h ex - d i r e c t i o ni su s e dt oc o m p a r et h ei n f i l t r a t i o n h e t e r o g e n e i t yw i t h i nv e r t i c a lp r o f i l e s ；t h ec r o s s - c o r r e l a t i o nf u n c t i o nc a l c u l a t e da l o n g t h ey - d i r e c t i o ni su s e dt oc o m p a r et h ei n f i l t r a t i o nh e t e r o g e n e i t ya m o n gv e r t i c a l p r o f i l e s t h ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec r o s s c o r r e l a t i o n f u n c t i o n sc a l c u l a t e da l o n gt h ex a n dy d i r e c t i o n si n d i c a t ew h e t h e rt h ei n f i l t r a t i o ni s a n i s o t r o p ya n dd i s p l a yt h er e l a t i o no fh e t e r o g e n e o u sd e g r e eb e t w e e nw i t h i na n d a m o n gv e r t i c a lp r o f i l e s t h em o s tp r o b a b l es i z e so fp r e f e r e n t i a lf l o wp a t h sa tt h e d i f f e r e n td i r e c t i o n sw e r ec a l c u l a t e df r o mt h ec o r r e l a t i o ns c a l es h o w ni nt h ec r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o n s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em o s tp r o b a b l ep r e f e r e n t i a ls i z e sa t t h ed i f f e r e n t d i r e c t i o na l s os h o ww h e t h e rt h ei n f i l t r a t i o ni sa n i s o t r o p y ( 2 ) t h ea r m i sa b l et oc a p t u r et h em a j o rf e a t u r e so ft h eo b s e r v e dp r e f e r e n t i a l f l o wp a t t e r n su n d e rd i f f e r e n ti n f i l t r a t i o nc o n d i t i o n s l o wi n i t i a ls o i lw a t e rc o n t e n t s r e s u l t e di nm o r eh e t e r o g e n e o u sf l o wd i s t r i b u t i o n 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fi n f i l t r a t i o nd e p t h 、) l r i mr e s p e c tt ot h e a r mp a r a m e t e rw a so b s e r v e dg r e a t e rt h a n0u n d e ra n yc o n s i d e r e ds o i l t y p e ， i n f i l t r a t i o na m o u n ta n di n i t i a ls o i lw a t e rc o n t e n t , i n d i c a t i n gt h a tt h ei n c r e a s eo ft h e f l o wh e t e r o g e n e i t yu n d e ra n yi n f i l t r a t i o nc o n d i t i o nr e s u l t e di nt h ed e v e l o p m e n to ft h e p r e f e r e n t i a l f l o wp a t t e r n s ，t h e r e f o r e ，e n h a n c e dt h ec o n t a m i n a t i o nr i s ko ft h e g r o u n d w a t e r t h er e l a t i v es e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n to fi n f i l t r a t i o nd e p t hw i t hr e s p e c tt o t h ea r mp a r a m e t e ri n c r e a s e d 嬲t h ea r mp a r a m e t e ri n c r e a s e du n d e rt h es a m e i n f i l t r a t i o na m o u n ta n di n i t i a ls o i lw a t e rc o n t e n t ；t h er e l a t i v es e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n to f i n f i l 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i o nf r o n t ， c o r r e s p o n d i n gt o al a r g e rs o i lw a t e rc o n t e n td i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n t r e l a t i v e l y s p e a k i n g , t h es o i l t e x t u r et e n d e dt o g i v et h em o s ts i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h e d i s t r i b u t i o n so fs o i lw a t e rc o n t e n t a sar e s u l to fs o i lw a t e rr e d i s t r i b u t i o n , t h ea c t i v e r e g i o nw a ss m a l l e rt h a nt h ed y e s t a i n e dr e g i o ni nt h eu p p e rs o i ll a y e r , m a k i n gt h e a r m p a r a m e t e rc a l ln o tb ef i t t e du s i n gt h ed a t a ( d y ec o v e r a g ea n ds o i lw a t e rc o n t e n t w i t h i nt h ed y e - s t a i n e dr e g i o n ) w i t h i nt h eu p p e rl a y e r i ft h ei m f i a ls o i lw a t e rc o n t e n t k e p ta l m o s tu n c h a n g e dw i t h i nt h ew h o l ei n f i l t r a t e ds o i ll a y e r , a n dt h em a x i m u ms o i l w a t e rc o n t e n to ft h ed y e - s t a i n e dr e g i o no c c u r r e db e l o wt h es o i ls u r f a c e ，t h ea c t i v e r e g i o nc o i n c i d e dw i t ht h ed y e s t a i n e dr e g i o ni nt h es o i ll a y e rb e l o wt h ed e p t hw h e r e t h em a x i m u ms o i lw a t e rc o n t e n to ft h ed y e - s t a i n e dr e g i o no c c u n e d t h e r e f o r e ，t h e a r mp a r a m e t e rc a nb ef i t t e du s i n gt h ed a t a ( d y ec o v e r a g ea n ds o i lw a t e rc o n t e n t w i t h i nt h ed y e s t a i n e dr e g i o n ) l e s sa f f e c t e db yt h ei n i t i a ls o i lw a t e rc o n t e n tf r o mt h a t l a y e r k e yw o r d s ：p r e f e r e n t i a lf l o w , d y e - s t a i n e di n f i l t r a t i o n , c r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o n , a c t i v er e g i o nm o d e l ，c o n s t i t u t i v er e l a t i o n , g o v e r n i n ge q u a t i o n , m o d e l i n ge f f i c i e n c y , r e l a t i v es e n s i t i v i t ya n a l y s i s i 中山大学博上j 学位论义 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：。1 圹年雎月3 日 茁 l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内 容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存 学位论文。 学位论文作者签名：童氐丰 时间：哆铀月8 日 易7 彩日磊彤移堋年 ： ， 名 一 龋 加妒怍卜 导 甘 中山人学博士学位论文 第一章绪论 1 1 优先流的定义、表现类型及研究意义 优先流又称非均匀流，是指“水和溶质沿某些特定的路径运动而绕过部分 多孔介质的现象一( h e n d r i c k xa n df l u r y , 2 0 0 1 ) ，是土壤中常见的水流运动和 溶质运移形式( l i ue ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 优先流表现形式多样，最主要的和目前研究的比较多的主要有大孔隙流 ( m a c r o p o r ef l o w ) ( b e v e na n dg e r m a n n ，19 81 ；b o u m ae ta 1 ，19 8 2 ；h o m b e r g e re t a 1 ，1 9 9 1 ；c h r i s t i a n s e ne ta 1 ，2 0 0 4 ) 、不稳定指流( f i n g e rf l o w ) ( m i l l e ra n d g a r d n e r , 19 6 2 ；h i l la n dp a r l a n g e ，19 7 2 ；d e k k e ra n dr i t s e m a , 19 9 4 b ；r i t s e m ae ta 1 ， 1 9 9 8 ；h e n d r i c k xe ta 1 ，2 0 0 1 ) 、漏斗流( f u n n e lf l o w ) ( k u n g , 1 9 9 0 a b ) 、环 绕流( b y p a s sf l o w ) ( e l s e n b e e ra n dl a c k , 1 9 9 6 ；e l s e n b e e re ta 1 ，1 9 9 5 ) 和管流 ( p i p ef l o w ) ( j o n e s ，1 9 7 1 ；w a l s ha n dh o w e l l s ，1 9 8 8 ；w o oa n dd ic e n z o ，1 9 8 8 ) 等优先流形态。此外，其它一些优先流形态，如沟槽流( c h a n n e lf l o w ) 、短 路流( s h o r tc i r c u i t i n gf l o w ) 、部分置换流( p a r t i a ld i s p l a c e m e n t ) 、地下强径 流( s u b s u r f a c es t o r mf l o w ) 、非饱和重力流( g r a v i t y - d r i v e nu n s t a b l e f l o w ) 、异质流( h e t e r o g e n e i t y - d r i v e nf l o w ) 、摆动流( o s c i l l a t o r yf l o w ) 及 低洼再蓄满流( d e p r e s s i o n - f o c u s e dr e c h a r g ef l o w ) 等，也因其所引起的各种水 文和环境问题而被人们关注和研究( 如b a u t e r se ta 1 。1 9 9 8 ；d er o o i ja n dd e v r i e s ，19 9 6 ；d er d o i j ，19 9 5 ；d e k k e ra n dr i t s e r n a , 19 9 4 如19 9 6 a ，b ，c ；h e n d r i c h xe t a 1 ，19 9 3 ；r i t s e m ae ta 1 ，19 9 8 ；r o t h ,