降雨條件下非飽和帶水-氣二相流模擬研究.pdf

1、降雨條件下非飽和帶水氣二相流問題是目前國內(nèi)外研究備受關(guān)注的問題。多數(shù)研究僅限于非飽和帶中的水相運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于氣相的研究甚少，或者直接忽略氣相的作用。實(shí)際上，水在非飽和帶中的流動(dòng)是水、氣兩相流體在土壤孔隙通道中相互驅(qū)替的一個(gè)復(fù)雜過程，尤其在干旱半干旱地區(qū)大強(qiáng)度降雨、有壓入滲等問題上，土壤中氣相壓力在入滲水流作用下，由于瞬間不可能完全消散，氣壓的急劇增加將對(duì)水流的運(yùn)移產(chǎn)生不可忽略的影響。
　　 本文在總結(jié)和分析前人成果的基礎(chǔ)上，以非飽

2、和帶水氣二相流為研究主線，通過室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬以及理論分析等手段的結(jié)合，重點(diǎn)對(duì)降雨入滲條件下非飽和帶水氣二相壓力變化、水氣動(dòng)力場特征以及影響因素等進(jìn)行機(jī)理揭示。利用實(shí)測資料對(duì)非飽和帶水、氣二相耦合模型進(jìn)行識(shí)別與校正，并應(yīng)用該模型進(jìn)一步揭示非飽和帶水、氣二相流的運(yùn)移機(jī)理。獲得了以下成果和認(rèn)識(shí)：
　　 (1)根據(jù)已有的實(shí)測資料對(duì)非飽和帶水氣耦合模型進(jìn)行識(shí)別與驗(yàn)證，無論是梯度場還是降速場的擬合，其整體形態(tài)的宏觀效果較好，基本

3、上反映了水氣二相流的運(yùn)移規(guī)律。
　　 (2)通過水、氣飽和度以及氣相壓力的變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了氣相與水相之間的關(guān)系：氣壓與含水率或水相飽和度呈負(fù)相關(guān)性，與負(fù)壓或氣相飽和度呈正相關(guān)性。
　　 (3)通過模型參數(shù)的敏感度分析可知，絕對(duì)滲透率、相對(duì)滲透率和毛細(xì)壓力對(duì)模擬計(jì)算氣壓值的敏感度較強(qiáng)；介質(zhì)的密度和孔隙度對(duì)計(jì)算結(jié)果幾乎沒有影響，敏感度較低。
　　 (4)降雨條件下，水流基本以垂向運(yùn)動(dòng)為主，其垂向入滲速率遠(yuǎn)大于橫向入

4、滲速率；氣體由于入滲水流的壓縮作用將會(huì)沖破上覆水層由地表逃逸，主要以垂向運(yùn)動(dòng)為主。但氣體隨著濕潤峰的推移逐漸運(yùn)移至潛水面處，由于受到潛水面的阻滯作用，氣體存在著明顯的水平運(yùn)移，此外，不同的側(cè)邊界條件對(duì)氣體的排泄方式有重要的影響。
　　 (5)非飽和帶氣壓值的主要與降雨強(qiáng)度有關(guān)。不同的降雨強(qiáng)度對(duì)氣壓值的影響不同，降雨強(qiáng)度越大，水流的入滲速率越快，氣壓值的變化越為明顯。降雨強(qiáng)度的變化導(dǎo)致水流入滲速率的改變，其是影響非飽和帶氣壓值大小

5、的最直接因素。
　　 (6)根據(jù)剖面氣壓的模擬結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，將降雨條件下剖面氣壓的變化特征主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)區(qū)：氣壓穩(wěn)定區(qū)，分布在近地表處，氣壓值基本不變；氣壓變動(dòng)區(qū)，分布在埋深約20cm-60cm處，氣壓在該區(qū)發(fā)生壓縮和劇增且氣壓呈波動(dòng)狀態(tài)，該區(qū)是水氣兩相發(fā)生相互驅(qū)替的主要區(qū)域；氣壓緩增區(qū)，該區(qū)分布在潛水面以上，氣壓值增加比較緩慢。
　　 (7)通過水氣耦合模型與單相流模型對(duì)非飽和帶剖面水相壓力的計(jì)算結(jié)果可得

6、，耦合模型的計(jì)算值更接近實(shí)測值，擬合誤差小于5％，而單相流模擬結(jié)果則偏大；通過兩者對(duì)潛水面補(bǔ)給通量的計(jì)算可得，當(dāng)降雨強(qiáng)度為120cm/h時(shí)，兩種模型計(jì)算結(jié)果相差約240cm3/min；當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.24cm/h時(shí)，其結(jié)果相差僅為20cm3/min。降雨強(qiáng)度越大，兩者的計(jì)算結(jié)果偏差越大，由此表明大強(qiáng)度降雨條件下氣相的影響作用不容忽視。當(dāng)降雨強(qiáng)度小于0.24cm/h時(shí)，耦合模型對(duì)潛水面補(bǔ)給通量的計(jì)算結(jié)果基本相等且耦合模型與單相流模型計(jì)算結(jié)