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)外研究備受關注的問題。多數(shù)研究僅限于非飽和帶中的水相運動，而對于氣相的研究甚少，或者直接忽略氣相的作用。實際上，水在非飽和帶中的流動是水、氣兩相流體在土壤孔隙通道中相互驅替的一個復雜過程，尤其在干旱半干旱地區(qū)大強度降雨、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水流的運移產(chǎn)生不可忽略的影響。
　　 本文在總結和分析前人成果的基礎上，以非飽

2、和帶水氣二相流為研究主線，通過室內(nèi)物理模擬實驗、數(shù)值模擬以及理論分析等手段的結合，重點對降雨入滲條件下非飽和帶水氣二相壓力變化、水氣動力場特征以及影響因素等進行機理揭示。利用實測資料對非飽和帶水、氣二相耦合模型進行識別與校正，并應用該模型進一步揭示非飽和帶水、氣二相流的運移機理。獲得了以下成果和認識：
　　 (1)根據(jù)已有的實測資料對非飽和帶水氣耦合模型進行識別與驗證，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移規(guī)律。
　　 (2)通過水、氣飽和度以及氣相壓力的變化，進一步驗證了氣相與水相之間的關系：氣壓與含水率或水相飽和度呈負相關性，與負壓或氣相飽和度呈正相關性。
　　 (3)通過模型參數(shù)的敏感度分析可知，絕對滲透率、相對滲透率和毛細壓力對模擬計算氣壓值的敏感度較強；介質(zhì)的密度和孔隙度對計算結果幾乎沒有影響，敏感度較低。
　　 (4)降雨條件下，水流基本以垂向運動為主，其垂向入滲速率遠大于橫向入

4、滲速率；氣體由于入滲水流的壓縮作用將會沖破上覆水層由地表逃逸，主要以垂向運動為主。但氣體隨著濕潤峰的推移逐漸運移至潛水面處，由于受到潛水面的阻滯作用，氣體存在著明顯的水平運移，此外，不同的側邊界條件對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度有關。不同的降雨強度對氣壓值的影響不同，降雨強度越大，水流的入滲速率越快，氣壓值的變化越為明顯。降雨強度的變化導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)剖面氣壓的模擬結果與物理實驗結果對比分析，將降雨條件下剖面氣壓的變化特征主要劃分為三個區(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狀態(tài)，該區(qū)是水氣兩相發(fā)生相互驅替的主要區(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非飽和帶剖面水相壓力的計算結果可得

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