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钙质砂地层包气带水分运移研究

2020-12-08阅读(440)

钙质砂地层包气带水分运移研究

论文摘要

地下淡水是岛礁生态环境建设的重要因素,是影响岛礁生态化进程的关键环节。包气带是地表到潜水面之间的非饱和带,而其中的毛细水与大气水、植物水、土壤水和地下水一起构成一个完整的水文生态系统,并在其中起着联结纽带作用,是水文循环的重要环节。针对岛礁钙质砂地层中包气带的水分运移研究较少。毛细水上升、蒸发是包气带中水分向上运移的两个重要过程,一方面包气带中存在毛细水带,土壤含水率高甚至接近饱和,植物根系可以深入和穿过毛细水带与地下水产生联系,减轻甚至消除水分匮乏的压力;另一方面,地下水通过毛细带向上部土壤以水、汽形式迁移的水量,用以补充土壤水分蒸发及植物蒸腾导致的水分散失。而土体水分蒸发是土体-大气物质和能量交换的主要过程之一,也是地表热量与水分平衡的重要组成部分。为此,本项目现场架设科研级气象观测站,获取必要的气象数据,结合现场试验、室内物理模型试验获得钙质砂的土-水特征曲线、毛细水上升规律、蒸发规律,结合现场实测资料以及理论分析和数值模拟,系统开展钙质砂的非饱和水分运移特性研究,初步揭示珊瑚礁岛礁地下水非饱和水分运移的宏细观机制,为绿色生态岛礁建设提供参考。本文通过现场气象数据分析、室内压力板仪试验、毛细水上升高度和蒸发试验测试,取得如下研究成果:（1）降雨充沛但分布不均,全年降雨量高达2500mm以上,但呈明显的雨季和旱季特征。一般而言,每年的2-5月为旱季,降雨稀少雨量不足100mm。年降雨量远大于蒸发量,大量的下渗雨水为岛礁地下水淡化提供了可能。（2）随着细颗粒含量增多、干密度增大,钙质砂持水性得到增强。但干密度对SWCC曲线的影响有限,不同干密度下SSWCC曲线的形状较为一致。而不同细粒含量下SWCC曲线过渡段出现差异,其余阶段差别不大。通过用VG模型、FX模型以及钟方杰模型共三种模型对离散点进行拟合,发现Fredlund-Xing模型拟合效果最好。与石英砂相比,钙质砂脱湿过程的残余阶段并不平缓。随着细粒含量的增加其斜率越发陡峭,表明钙质砂特殊的内孔隙、高含盐量等增强了其残余阶段的持水性（3）连续级配钙质砂样细颗粒含量越多、级配越好,钙质砂毛细水上升高度越高;单一粒径钙质砂,粒径越小则毛细水上升高度越高,趋于稳定的时间也越长。当粒径超过0.25mm以后,毛细水上升高度和上升速率有明显的趋同特征。随着干密度增加,细砂级钙质砂毛细水高度增加,粉砂级钙质砂中毛细水高度却减少。随着NaCl溶液浓度的升高,在钙质细砂和中砂中毛细水上升高度均呈现先减小而后增大趋势,NaCl浓度为20g/L时毛细水高度最小,淡水条件下毛细水高度最大。在钙质细砂中的毛细水高度随海水含量增加总体呈微弱增加趋势,但彼此差异甚小,数值非常接近。（4）钙质砂的蒸发量与外部气候条件和土体本身所处状态密切相关,且气候因素起主导作用。蒸发初期的土壤蒸发量取决于外界给其提供的潜热,而与土体本身所处的密实度、级配、粒径等关系不大。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景、目的和意义
  •   1.2 选题的国内外研究现状
  •     1.2.1 钙质砂的基本特性
  •     1.2.2 SWCC研究进展
  •     1.2.3 毛细水研究进展
  •     1.2.4 土壤蒸发研究进展
  •   1.3 研究内容和研究方法
  •     1.3.1 研究内容
  •     1.3.2 拟采取的研究方法
  •   1.4 本论文的创新之处
  • 第二章 现场气象观测
  •   2.1 气象系统概述
  •   2.2 主要传感器介绍
  •     2.2.1 05103风速风向
  •     2.2.2 HMP 155A空气温湿度
  •     2.2.3 LI200X总辐射
  •     2.2.4 TE525MM雨量筒
  •     2.2.5 CS655土壤三参数传感器
  •     2.2.6 255-100蒸发传感器
  •   2.3 系统安装
  •   2.4 气象资料分析
  •     2.4.1 降雨资料
  •     2.4.2 蒸发资料
  •     2.4.3 总辐射数据
  •     2.4.4 相对湿度数据
  •     2.4.5 空气温度
  •     2.4.6 风速数据
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 钙质砂持水特性分析
  •   3.1 引言
  •   3.2 试验方案
  •     3.2.1 试验土样
  •     3.2.2 试验过程
  •   3.3 试验结果分析
  •     3.3.1 细粒含量和干密度对SWCC曲线的影响
  •     3.3.2 SWCC曲线的拟合分析
  •     3.3.3 考虑细粒含量和干密度的参数拟合分析
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 钙质砂毛细水上升高度分析
  •   4.1 毛细作用上升原理
  •     4.1.1 土壤水的能量状态
  •     4.1.2 表面张力和毛细管现象
  •   4.2 试验原理与方案
  •     4.2.1 试验设备与方法
  •     4.2.2 土样与溶液配置
  •   4.3 试验结果分析
  •     4.3.1 级配钙质砂毛细水上升高度
  •     4.3.2 单粒径钙质砂毛细水上升高度
  •     4.3.3 不同干密度钙质砂毛细水上升高度
  •     4.3.4 不同溶液下钙质砂毛细水高度
  •     4.3.5 毛细水上升高度拟合分析
  •   4.4 本章小结
  • 第五章 钙质砂蒸发特性
  •   5.1 影响土壤水分蒸发的因素
  •     5.1.1 土体自身性质
  •     5.1.2 外部气候因素
  •   5.2 土壤水分蒸发的试验方法
  •   5.3 土壤水分蒸发现场试验
  •     5.3.1 试验地点
  •     5.3.2 试验仪器
  •     5.3.3 试验方法
  •     5.3.4 试验数据分析
  •   5.4 土壤水分蒸发室内试验
  •     5.4.1 试验设备
  •     5.4.2 试验方案
  •     5.4.3 试验结果
  •   5.5 基于VADOSE/W的数值模拟
  •     5.5.1 控制方程
  •     5.5.2 土柱蒸发数值模拟
  •   5.6 本章小结
  • 第六章 结论与展望
  •   6.1 结论
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 硕士在读期间科研成果及参加科研项目情况
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 张晨阳

    导师: 汪稔,胡明鉴

    关键词: 钙质砂,包气带,水分运移,土水特征曲线,毛细水,蒸发

    来源: 广西大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 地质学

    单位: 广西大学

    分类号: P641.2

    总页数: 74

    文件大小: 5671K

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