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不同直径毛管中水密度变化特性及其对土壤水密度变化的启示

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地学前缘 2024年

作者：李超程东会马成龙乔晓英黄梦楠王一式杨银科长安大学水利与环境学院长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室

土壤水的密度存在较大的变化范围，但目前还没有一个完整的理论来全面描述这种变化规律。本文利用微米直径的石英管模拟多孔介质的孔隙系统，采用质量-体积法测量了直径在50 μm–530 μm之间的8个不同直径石英管中水的密度。结果表明... 详细信息

土壤水的密度存在较大的变化范围，但目前还没有一个完整的理论来全面描述这种变化规律。本文利用微米直径的石英管模拟多孔介质的孔隙系统，采用质量-体积法测量了直径在50 μm–530 μm之间的8个不同直径石英管中水的密度。结果表明，当石英管直径小于75 μm时，水的密度大于体相水的密度，最高密度为1.19 g/cm3，而直径100 μm – 250 μm时，水的密度略小于体相水，最低为0.98 g/cm3。水密度随石英管径而变化的规律可以用类似于类似纳兰-琼斯势的经验公式来表达。研究表明，能使水密度增大减小的水化作用、水-固界面作用、毛细作用或空化机制均不能解释石英管中出现的水密度变化。分析认为，毛管中的复杂的水动力学和流变学，特别是管嘴的剪切增稠及其逆过程可能是不同直径石英管中水密度变化的物理机制。该机制不同于解释土壤水密度变化的传统理论，为土壤水密度变化研究提供了一个崭新的视角。如果把石英管中水密度变化规律与基于多孔介质毛管束概念的土壤含水率模型结合，可以预测不同含水率土壤中水的密度。进一步的研究应该从流变学基本理论出发，建立剪切速率与粘度以及粘度与密度之间的定量关系，从理论上构建毛管水及土壤水密度变化模型。

关键词：微米直径石英管高密度水低密度水剪切增稠土壤水密度变化

考虑薄膜水的利用介质粒度分布获取水土特征曲线的方法

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水科学进展 2017年第4期28卷 534-542页

作者：程东会常琛朝钱康杨红斌长安大学环境科学与工程学院陕西西安710054 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室陕西西安710054

利用介质粒度分布间接获取水土特征曲线(SWCC)是一种快速、经济的方法。由于该方法的传统模型(HP模型和MV模型)忽略了薄膜水,获得的SWCC在低含水率段存在显著误差。提出了一种考虑介质表面薄膜水的含水率估算方法,与HP模型和MV模型的吸... 详细信息

利用介质粒度分布间接获取水土特征曲线(SWCC)是一种快速、经济的方法。由于该方法的传统模型(HP模型和MV模型)忽略了薄膜水,获得的SWCC在低含水率段存在显著误差。提出了一种考虑介质表面薄膜水的含水率估算方法,与HP模型和MV模型的吸力计算方法结合预测SWCC,选用土壤水力性质数据库UNSODA的17种土壤样品对两种修正模型的预测效果进行了验证。结果表明,采用薄膜水修正后的HP模型和MV模型可以显著改善传统模型中SWCC低含水率段含水率的低估,并能有效地预测砂土等粗粒介质的SWCC。另外,含水率估算中引入参数β后,修正的MV模型也可用于壤土和黏土等细粒介质的SWCC的预测。

关键词：水土特征曲线粒度分布薄膜水毛细水

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渭河咸阳段非饱和层状沉积物中水分分布特征

中国水土保持科学 2017年第4期15卷 104-110页

作者：常琛朝程东会钱康长安大学环境科学与工程学院西安710054 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室西安710054

层状结构是河流相松散沉积物中最常见的沉积结构,通常表现出一些特有的水力学性质,对水分运动过程及沉积物的持水性能产生影响。本文通过对渭河陕西咸阳段河漫滩一个层状沉积物剖面的含水率分布特征进行原位观测,讨论层状沉积物中含水... 详细信息

层状结构是河流相松散沉积物中最常见的沉积结构,通常表现出一些特有的水力学性质,对水分运动过程及沉积物的持水性能产生影响。本文通过对渭河陕西咸阳段河漫滩一个层状沉积物剖面的含水率分布特征进行原位观测,讨论层状沉积物中含水率的分布特征,及其与粒度和毛细壁垒效应的关系。结果表明:在以水平层理和交错层理为主的粗细相间的层状河流沉积物中,天然含水率也呈干润相间的层状分布特征,各层含水率的大小主要与粒度成负相关;沉积物粗细相间的层状分布为毛细壁垒的形成提供条件,在降雨入渗和土壤水蒸发过程中,毛细壁垒效应对水分运动的控制会导致细粒层中含水率高于粗粒层。层状松散沉积物中水分的这种分布规律,为理解土壤持水性能提供了新的思路,对研究土壤含水率与降雨入渗、蒸发等水文过程的关系具有重要意义。

关键词：河流沉积物层状结构含水率毛细壁垒

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准饱和多孔介质中圈闭气体对渗透系数的影响

水科学进展 2019年第5期30卷 691-698页

作者：程东会李爽于丹王倩杨银科长安大学环境科学与工程学院陕西西安710054 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室陕西西安710054

含圈闭气体的地下水流称为准饱和流,准饱和流中的圈闭气体对含水层渗透系数有重大影响。通过柱试验开展了粉砂、细砂、中砂和粗砂4种介质圈闭气体饱和度与准饱和渗透系数关系的研究。结果表明:圈闭气体饱和度明显受介质的粒径影响,在细... 详细信息

含圈闭气体的地下水流称为准饱和流,准饱和流中的圈闭气体对含水层渗透系数有重大影响。通过柱试验开展了粉砂、细砂、中砂和粗砂4种介质圈闭气体饱和度与准饱和渗透系数关系的研究。结果表明:圈闭气体饱和度明显受介质的粒径影响,在细粒介质中圈闭气体饱和度明显较大;4种介质圈闭气体饱和度在0~15%范围内,准饱和渗透系数与完全饱和相比减少了32.82%~56.38%,且准饱和渗透系数与圈闭气体饱和度之间可表达为一个负线性相关的经验公式;该公式与Faybishenko公式等效,但形式简单,参数较少,使用方便;准饱和渗透系数的变化规律可概化为圈闭气体占据了原有的有效孔隙,造成原有效孔隙度减少,从而使渗透系数减小。利用该理论,Kozeny-Carman方程能较准确地描述准饱和渗透系数的变化规律,而基于哈根-泊肃叶方程的渗透系数公式则存在较大误差,不适用于描述准饱和渗透系数;试验结果证明了室内测定饱和渗透系数时排除圈闭气体的必要性。

关键词：准饱和渗透系数圈闭气体有效孔隙度 Kozeny-Carman方程 Faybishenko公式

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消除气压效应估算黄土潜水的蒸发蒸腾强度

水文地质工程地质 2021年第2期48卷 8-14页

作者：程东会袁靖齐丽军长安大学水利与环境学院陕西西安710054 长安大学干旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室陕西西安710054 中国科学院地球环境研究所陕西西安710054

潜水蒸发蒸腾(ETg)是干旱半干旱地区浅埋深地下水最主要的排泄方式,也是地下水系统中重要的均衡项。如果存在气压效应,用于估算地下水蒸发蒸腾强度的传统水位波动法则不适用。以黄土潜水为例,提出了一种基于水位变化和大气压变化规律的... 详细信息

潜水蒸发蒸腾(ETg)是干旱半干旱地区浅埋深地下水最主要的排泄方式,也是地下水系统中重要的均衡项。如果存在气压效应,用于估算地下水蒸发蒸腾强度的传统水位波动法则不适用。以黄土潜水为例,提出了一种基于水位变化和大气压变化规律的水位图方法,用于消除气压效应以获取潜水蒸发蒸腾强度。研究表明,大气压变化通常在午夜前,一般为22:00—24:00,会出现一个峰值,该时间段气压效应可以忽略,而且潜水蒸发蒸腾强度最小,此时潜水位的变化速率相当于净补给速率;在获取潜水净补给强度后,选择第二个时间段,0:00—4:00,此时潜水蒸发蒸腾强度最小,且气压一般处于连续下降阶段,可以用来估算气压效应系数。在此基础上,可利用水位均衡和水位波动法方便地估算潜水蒸发蒸腾强度。该方法数据获取容易,估算结果也较为准确。

关键词：潜水蒸发蒸腾气压效应水位波动法黄土潜水

李坝(杜沟)金矿原生矿细菌氧化提金试验研究

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矿产综合利用 1997年第6期 5-8页

作者：王金祥程东会地矿部陕西地勘局堆浸技术中心

本文采用细菌氧化法对李坝（杜沟）金矿低品位原生矿石进行预处理，矿石金浸出率由41％提高到62．77％．为西秦岭微细浸染型难浸金矿生物堆浸开发提供了依据。

关键词：金矿原生矿细菌氧化提金选矿

水分入渗条件下层状非饱和松散沉积物中的毛细壁垒效应研究

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水文地质工程地质 2016年第4期43卷 20-25页

作者：程东会钱康常琛朝长安大学环境科学与工程学院陕西西安710054

层状结构是松散沉积物常见的沉积结构,这种结构的沉积物会表现出一些特有的水力学性质,从而对非饱和水分运动产生重大影响。本文采用砂槽二维流入渗试验,研究了层状河流相松散沉积物中水分运动规律和毛细壁垒的形成过程及其特征。研究... 详细信息

层状结构是松散沉积物常见的沉积结构,这种结构的沉积物会表现出一些特有的水力学性质,从而对非饱和水分运动产生重大影响。本文采用砂槽二维流入渗试验,研究了层状河流相松散沉积物中水分运动规律和毛细壁垒的形成过程及其特征。研究结果表明,在上细下粗的层状结构沉积物中进行二维流入渗时,由于介质的突变导致了水分在细粒层中优先流动和贮存,下部的粗粒层起到了一定的阻水作用,从而构成了毛细壁垒。含水率是表征毛细壁垒现象的灵敏指标,而负压指标不灵敏。除了岩性差异外,粗粒层的含水率也是控制毛细壁垒形成的重要因素。在本次研究中,粗粒层含水率到达0.04 cm^3/cm^3左右时,形成了明显的毛细壁垒效应。数值模拟结果表明,在实验尺度下出现的毛细壁垒现象可以用负压水头和位置水头为主要驱动力的传统势能理论进行合理解释。

关键词：层状沉积物非饱和入渗毛细壁垒砂槽试验

van Genuchten模型参数的物理意义

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水文地质工程地质 2017年第6期44卷 147-153页

作者：陈卫金程东会陶伟长安大学环境科学与工程学院陕西西安710054 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室陕西西安710054

van Genuchten模型是目前拟合水土特征曲线应用最广泛的数学模型,但该模型参数多,且物理意义复杂,特别是参数α的物理意义至今尚未有统一的认识。文章通过理论推导,结合4种样品(粗砂、中砂、细砂和粉砂)实测的水土特征曲线,对van Genuch... 详细信息

van Genuchten模型是目前拟合水土特征曲线应用最广泛的数学模型,但该模型参数多,且物理意义复杂,特别是参数α的物理意义至今尚未有统一的认识。文章通过理论推导,结合4种样品(粗砂、中砂、细砂和粉砂)实测的水土特征曲线,对van Genuchten模型的参数α、m和n的物理意义进行了探讨,重点研究了α与进气值和拐点处负压(hi)的关系。推导出的van Genuchten模型的1/α与hi的关系和实测数据均证明了1/α不仅与hi有关,还受参数m和n的影响。粗砂和中砂的1/α与hi大致相等,细砂和粉砂的1/α则大于hi。粗砂的进气值与1/α近似相等,其它介质中1/α与进气值之间存在更复杂的关系。另外,m和n作为独立变量在拟合水土特征曲线时精度更高,但在计算非饱和渗透系数时给定m=1-1/n的约束条件是必要的。

关键词：水土特征曲线 van Genuchten模型进气值拐点非饱和渗透系数

不同干密度重塑黄土的毛细上升速率和最大高度

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公路交通科技 2018年第1期35卷 8-13,21页

作者：于丹程东会杨红斌长安大学环境科学与工程学院陕西西安710054 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室陕西西安710054

黄土的毛细上升现象会导致路基土干湿状态发生变化,使路基的强度降低或失稳,因此深入研究不同干密度重塑黄土的毛细上升速率与最大高度,得到改进的预测毛细上升速率的经验公式及不同干密度的重塑黄土毛细水的上升高度规律及区间,对减轻... 详细信息

黄土的毛细上升现象会导致路基土干湿状态发生变化,使路基的强度降低或失稳,因此深入研究不同干密度重塑黄土的毛细上升速率与最大高度,得到改进的预测毛细上升速率的经验公式及不同干密度的重塑黄土毛细水的上升高度规律及区间,对减轻路基地质的灾害具有重要意义。试验使用竖管法测得了3组不同干密度的重塑黄土最大毛细上升高度。基于Green-Ampt非饱和入渗原理,改进了预测毛细上升速率的Terzaghi公式,使其预测效果明显改善。在此基础上,利用实测黄土毛细上升数据论证了Terzaghi公式和Lu公式对不同干密度重塑黄土毛细上升速率估算的适用性。结果表明,黄土干密度在1.59~1.77 g/cm^3区间时,改进的Terzaghi公式预测值更为准确,而当干密度继续增加,达到1.83 g/cm3时,Lu公式更为适用。另外,用15组数据对毛细最大上升高度与干密度之间的关系进行了分析,结果表明,毛细最大上升高度与干密度之间非线性关系,而是呈现近似抛物线的函数关系,基于这种关系将重塑黄土划分出优势干密度区间和劣势干密度区间,以更好地表征黄土毛细上升性能。

关键词：道路工程毛细上升速率竖管法毛细上升高度重塑黄土黄土路基