基于sol软件模拟分析土体中建构砂柱后的水盐运动 8页

　　基于SOL软件模拟分析土体中建构砂柱后的水盐运动　　引言　　我国渤海湾、黄河三角洲以及江苏东部的沿海地区分布着广阔的滨海盐渍土，据统计其面积为2万多km2，如何对这些后备的土地资源进行科学使用与管理，一直是土壤工关注的问题。由于滨海盐土具有含盐量高、养分低、地下水位埋藏浅、矿化度高、土质粘重等特点，需要经过改良后才能利用。改良工程中，如何使质地黏重、渗透性差的盐土快速脱盐是生产实践中最重要的关键问题。打孔注入砂性土柱(简称砂柱)工艺技术是目前工程改良实践中一种很有效的技术，可以解决黏质低渗性盐土的难渗透问题，达到暗管排水达不到的渗透效果。砂柱对土壤的改良应用早在1981年便有相关实验研究，该技术目前已经在中新天津生态城、江苏启东工业园等地进行了实践应用。但目前的工程技术都是采用内设竖砂柱的方式，对于其他砂柱设置方式的效果比较和内在机理，尚缺乏相关的深入研究和定量分析。　　20世纪80年代后，许多学者基于室内土柱实验，应用数值模拟的方法研究了土壤中水分和盐分一维运动的规律，为本研究提供了参考。但对于2-D\n土壤水盐土柱物理模拟和数值模拟的研究，由于其问题的复杂性，研究报道较少，左强曾对2-D均质土壤排水条件下饱和非饱和水盐运动规律进行过初步数值模拟研究，采用了有限单元法迭代求解。对于江苏一带的砂质滨海盐土，张亚年曾用HYRDUS软件进行过暗管排水条件下水盐运移的数值模拟。　　SOLMultiphysics软件(原FiniteElementModelingLaboratory)是一个基于偏微分方程的多物理场有限元分析软件，可以用来求解线性、非线性问题，和时间有关的稳态、瞬态问题，以及和几何形状有关的一维、二维和三维问题。与专门针对土壤水盐模拟的软件相比，SOL在处理实际问题和数值计算上适用性更广，可模拟一些更复杂的工程设置方式。目前运用SOL软件于土壤中的计算和模拟，主要局限于地下水和土壤水入渗的研究，ultiphysics的X格剖分功能可以创建自由X格、边界层X格等。利用其X格剖分工具和方法，可以生成三角形和四边形(2D)X格，自动建立一致性的X格。当模拟的对象是由不同材料组成时，边界的一致性X格对得到精确解是非常重要的，SOL的X格剖分可以使通过界面的解分量及其通量连续。4种设置方式的X格模式详见1.2节中图1，在粗和细两种质地土壤边界处的X格密度均加密到0.005m，因此保证了整个模拟的可靠性，4种设置方式的X格局部放大图见图2。\n　　4种设置情况下的X格剖分具体参数详见表3。　　2、结果及分析　　图3、图4和图5比较了4种设置情况下，经淋洗12h、24h和36h后，土柱中的Cl－离子浓度分布状况。表4列出了4种配置条件下不同时间的盐分淋出量及百分比。　　　从图3可以看出:经过12h淋洗后，不设砂柱、内设中竖砂柱、内设单斜对角砂柱、内设双斜X型砂柱的土柱盐分淋出量分别为各自盐土含盐总量的22%、29%、29%、33%，内设中竖砂柱、内设单斜对角砂柱、内设双斜X型砂柱的土柱淋洗效率分别为不设砂柱的1.32、1.32和1.50倍。从图4可以看出:经过24h淋洗后，各土柱盐分淋出量分别为各自盐土含盐总量的42%、52%、54%和61%，内设中竖砂柱、内设单斜对角砂柱、内设双斜X型砂柱的土柱盐分淋洗效率分别为不设砂柱的1.24、1.29和1.45倍。从图5可以看出:经过36h淋洗后，各土柱的盐分淋出量分别为各自盐土含盐总量的61%、73%、77%和84%\n，内设中竖砂柱、内设单斜对角砂柱、内设双斜X型砂柱的土柱的淋洗效率分别为不设砂柱的1.20、1.26和1.38倍。　　因此，综合以上数据，在内设中竖砂柱、内设单斜对角砂柱、内设双斜X型砂柱3种砂柱设置方式中，双斜X型长砂柱的构型设置最有利于盐分的淋洗。　　图6为各土柱随淋洗时间的变化，底层截面的盐分累计通量与各自盐土初始盐分总量的比值变化图，可以定量地判断各设置中盐分淋出量随时间的变化。图1所示各土柱剖面中，各自盐土的初始总量分别为8.389、7.27、7.27和6.152kg/m2，由图6可以看出:同时间下内设双斜X型砂柱的土柱盐分淋洗效率是最高的，内设单斜对角砂柱的土柱次之，内设中竖砂柱的土柱第三，三者盐分淋洗效率均高于不设砂柱的土柱。　　图7为各个土柱随淋洗时间的变化，二维剖面盐分淋出比与水通量的比率变化图。盐土中水的流速为2.36210－6m/s，纯砂土中水的流速为5.37610－6m/s，各个土柱的二维剖面中水的通量分别为6.9610－7、8.1410－7、8.1410－7、9.3210－7m2/s。由图7可衡量出，60h之前，内设双斜X型砂柱的方式的水资源利用效率是最佳的。　　表4为每种情形下，当淋出的盐分分别达到0.50、0.75、0.95时所用时间。各土柱的50%盐分淋出时长分别为31、23、22、19\nh，内设中竖砂柱、内设单斜对角砂柱、内设双斜X型砂柱比不设砂柱分别节省时间8、9、12h，淋出比与水通量的比率分别为6.652、7.418、7.756、7.843m－2;各土柱的75%盐分的淋出时长分别为45、37、35、31h;内设中竖砂柱、内设单斜对角砂柱、内设双斜X型砂柱比不设砂柱分别节省时间8、10、14h，淋出比与水通量的比率分别为6.437、6.917、7.313、7.211m－2;各土柱的95%盐分的淋出时长分别为59、52、49、46h，内设中竖砂柱、内设单斜对角砂柱、内设双斜X型砂柱比不设砂柱分别节省7、10、13h，淋出比与水通量的比率分别为6.426、6.234、6.616、6.155m－2。　　　　综合以上数据结果，表明:双斜X型长砂柱和单斜砂柱对盐分的淋洗效果提高较明显，水资源利用效率也更佳。原因如下:根据土壤溶质运移规律，氯离子的运动是对流和水动力弥散(包括扩散和机械弥散)物理过程综合作用的结果。对流的主要影响因素是水流的流速，从表2可以看出，砂柱的纵向导水率45.54cm/d(5.2710－6m/s)明显高于盐土的导水率20.01cm/d(2.3210－6m/s)，从SOL\n模拟结果可以看出，纯盐土中水的流速低于纯砂土中水的流速，所以砂柱中氯离子的对流明显高于盐土中氯离子的对流。　　通过对水势场和相应流速场的分析，在中竖砂柱设置中，同一水平线上的砂柱和盐土中的水压相同，因此斜向压力分量为零，土柱水流和砂柱水流均为纵向，砂柱和土柱之间水分交换近似为零。在单斜对角砂柱和双斜X型长砂柱中，砂柱中水分流动较快，同水平线上砂柱水压低于盐土的水压，因此在边界处水不断从盐土流向砂柱。　　影响氯离子运移的另外一个因素是盐分浓度差和水动力弥散，水动力弥散是土壤水微观流速变化而引起的溶质的弥散，从溶质运移控制方程(2)可以看出，溶质的弥散强度与曲折因子τL、纵向弥散度αT、横向弥散度αL呈正相关关系，表2中砂土的τL值、αT值、αL值均高于盐土的值，所以砂柱中氯离子的水动力弥散强度明显高于盐土中氯离子的水动力弥散强度。从模拟过程中的速度场和盐分浓度场动态变化分析可知，单斜对角砂柱和双斜X型长砂柱的设置与中竖砂柱设置相比，会有更多的盐分从盐土中向砂柱中运动。　　综合盐分的对流和水动力弥散作用，再加上砂柱的形态设置和大小的不同，就会导致图6所示的结果:　　(1)经过12h淋洗后，不设砂柱、内设中竖砂柱、单斜对角砂柱和双斜X型长砂柱的盐分淋出量分别为各自盐土含盐总量的22%、29%、29%、33%，后3\n种砂柱设置方式的12h盐分淋洗效率分别为不设砂柱的1.32、1.32和1.50倍;经过24h淋洗后，4种设置的盐分淋出量分别为各自盐土含盐总量的42%、52%、54%和61%，后3种砂柱设置方式的24h淋洗效率分别为不设砂柱的1.24、1.29和1.45倍;经过36h淋洗后，4种设置的盐分淋出量分别为各自盐土含盐总量的61%、73%、77%和84%，后3种砂柱设置方式的36h淋洗效率分别为不设砂柱的1.20、1.26和1.38倍。　　(2)不设砂柱、内设中竖砂柱、单斜对角砂柱和双斜X型长砂柱4种设置的50%盐分淋出时长分别为31、23、22和19h，后3种砂柱设置比不设砂柱分别节省时间8、9、12h;4种设置的75%盐分的淋出时长分别为45、37、35、31h，后3种砂柱设置比不设砂柱分别节省淋洗时间8、10、14h;4种设置的95%盐分的淋出时长分别为59、52、49、46h，后3种砂柱设置比不设砂柱分别节省淋洗时间7、10、13h。　　3、结论　　(1)盐土内设砂柱可促进盐土的水盐运移，有利于提高盐分的淋洗效率，其效果受砂柱的角度和位置影响，目前中竖砂柱、单斜对角砂柱和X型长砂柱3\n种砂柱设置方式中，双斜X型长砂柱的构型最有利于盐分的淋洗，单斜对角砂柱次之，中竖砂柱的效率比不设砂柱稍好，但不及单斜对角砂柱和双斜X型长砂柱。　　(2)本模拟条件下，经过24h淋洗后，不设砂柱、内设中竖砂柱、单斜对角砂柱和双斜X型长砂柱4种设置的盐分淋出量分别为各自盐土含盐总量的42%、52%、54%和61%;4种处理下75%盐分的淋出时长分别为45、37、35、31h。　　(3)结合盐分淋洗效率、相同盐分淋出比下的水资源利用效率两种因素来综合考虑，双斜X型砂柱的设置方式是最佳的设置。