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【理论】包气带水流之滞后现象

2015-11-12 来源:污染水文地质学 企业名称:

对于包气带水流来说,如果利用从原来饱和、后来因吸力而解吸水分的土壤样品获得的试验数据绘制土壤水分特征曲线,那得到的曲线就是疏干曲线;如果通过减少吸力将样品重新饱和,那用试验数据绘制的曲线就是吸湿曲线。图1显示出了三种不同土壤的疏干曲线和吸湿曲线。典型的疏干曲线和吸湿曲线有所不同,这种现象就是滞后现象。造成滞后现象的原因包括以下几个方面:

图1  三种不同土壤的干湿循环土壤水分特征曲线
(1)单个孔隙几何形状的影响,会增加笔胆效应。图2显示了笔胆效应。孔隙有一个孔喉半径r和最大半径R。空气一水界面在孔喉处的基质势ψr = 2σ / r,式中σ是孔隙水和矿物表面的界面张力。当孔隙的负压ψ超过ψr时,孔隙就会迅速排水;直到孔隙的负压劝低于ψr时,才能重新吸湿。由于R > r,所以ψrR,也就是说,排水比吸水需要较低的基质势(或更多的负压)。

图2 孔隙的几何形状影响毛细水高度:(a)排水;(b)吸湿
(2)水界面在向前(即与退缩方向相反)推进时,水和矿物颗粒表面之间的接触角将增大。吸水时水界面推进形成的弯月面有较大的曲率半径,所以基质势较低,排水疏干时则相反。
(3)在吸湿过程中,孔隙中滞留的空气可减少土壤中的含水量,最后滞留的空气会溶解。
土壤吸湿和疏干过程中茹土收缩和膨胀会使滞后现象进一步扩大,滞后现象也受吸湿和排水速率的影响。
如果土壤不是最大限度地被疏干(最大负压力水头),那么当它再吸湿时,土壤就会遵循中间曲线即吸湿(或疏干)扫描曲线。根据主要的吸湿或疏干曲线上的不同起点,有许多吸湿和疏干扫描曲线。
 

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