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渠道渗漏室内试验土壤水分运动数值模拟 孙美 毛晓敏 陈剑 （中国农业大学水利与土木工程学院，中国农业水问题研究中心，北京 100083） 摘 要：渠道渗漏是农田灌溉水的主要损失项，研究多因素影响下渠道渗漏规律可以为合理进行渠道防渗提供理论依据。进行了 不同入渗水头、土壤特性下的渠道渗漏室内试验，观测了不同情况下渠道渗漏量的变化以及土壤中湿润锋的推进过程。并建立了相 应的数学模型，选用饱和-非饱和土壤水、热和溶质运移模拟软件 HYDRUS-2D ，对室内试验过程进行了模拟验证及分析。结果表明， 渠床中若有砂质夹层，会使湿润锋出现不连续的现象；渠道内水位越大，渗漏量也会增加，研究成果可为渠道防渗技术提供参考。 关键词：渠道渗漏，二维土壤水分运动，数值模拟，HYDRUS-2D 中图分类号：S271 1 0 引 言 [6] 较好 。大量的研究表明，通过数值模拟所得的计算值 渠道输水过程中的渗漏损失是渠道设计流量推算 能够较好的反映渠道渗漏过程中二维土壤水分运动的 中必须考虑的因素，影响渠道渗漏损失的因素很多， 基本规律，表明数值模拟非饱和土壤水分运动具有较 主要取决于渠床和下部土层的渗透系数、渠道内水深、 高的可靠性。本文通过渠道渗漏室内试验，观测积水 渠道断面形式、地下水埋深等[1] 。为探明渠道渗漏二维 入渗过程中累积入渗量变化和渗漏水在渠道周边土壤 土壤水分运动规律，国内外许多学者进行了大量的研 中湿润峰前进过程，结合HYDRUS-2D模型对入渗过程 究，Bouwer （1965）认为渠床高程增大时，稳定状态 进行模型分析与验证，以期得到影响渠道渗漏二维土 时的渗流量线性增加，地下水位深度线性减小[2] 。 壤水分运动规律主要因素，并建立累积入渗量模型， Colman和Bodman研究认为无论细质土覆盖粗质土还 为渠道渗漏过程的研究及灌区渠道的防渗处理提供参 是粗质土覆盖细质土，土壤都可看成是均质的，并且 考。 入渗过程由细质土控制[3] 。王文焰等的研究表明黄土中 1 模型建立 砂层有阻水性，使水分在一定内停留在水土上层，而 1.1 渠道渗漏二维土壤水分运动模型 且砂层还具有减渗性，使湿润峰下移速度变慢[4] 。在数 渠道渗漏既有水平向入渗，又有垂向入渗，属于二 值模拟方面，HYDRUS-2D在模拟饱和-非饱和土壤水、 维非饱和土壤水分运动。假设土壤为均质且各向同性 热和溶质运移有丰富的功能，Phogat （2009 ）等用壤质 的多孔介质，不考虑土壤内部的空气阻力、温度以及 土槽模拟了渠床高程对渠道渗漏量和地下水升高的影 蒸发对入渗的影响，根据质量守恒定律和非饱和定律 响，结果表明渠道渗漏量和地下水壅水高度随渠床高 可写出二维土壤水分运动运动的负压水头方程： 程增加而线性增加，用HYDRUS-2D模型模拟验证，结 C(h) ∂h ∂ ⎡⎢K (h) ∂h ⎤⎥=+ ∂ ⎡⎢K (h) ∂h ⎤⎥+∂K (h) （1） t x x z z z ∂ ∂ ⎣ ∂ ∂⎦ ⎣ ∂ ⎦ ∂ 果吻合较好[5] 。王莹莹用HYDRUS-2D模型模拟了西北 式中：x 、z 为平面坐标，规定z 向下为正； 为