江訓才，馮洪川，祝曉彬,2*，吳吉春,2，吳劍鋒,2，熊貴耀

（1.南京大學 地球科學與工程學院，表生地球化學教育部重點實驗室，南京 210023；2.自然資源部地裂縫地質(zhì)災害重點實驗室，南京 210049）

入滲補給范圍對包氣帶水氣兩相流運移過程影響的數(shù)值模擬研究

江訓才1，馮洪川1，祝曉彬1,2*，吳吉春1,2，吳劍鋒1,2，熊貴耀1

（1.南京大學 地球科學與工程學院，表生地球化學教育部重點實驗室，南京 210023；2.自然資源部地裂縫地質(zhì)災害重點實驗室，南京 210049）

【目的】基于數(shù)值模擬方法揭示入滲補給范圍對包氣帶中水氣兩相流運移過程的影響?！痉椒ā炕诙嘞嗔鲾?shù)值模擬軟件TOUGH2/EOS3構建水氣兩相流數(shù)值模型，模擬分析不同入滲補給范圍對包氣帶中水分入滲補給過程的影響。【結果】研究表明存在臨界入滲范圍L0，大于和小于此臨界入滲補給范圍時，包氣帶中水分運移規(guī)律差異明顯。在此基礎上，進一步探討了影響臨界入滲范圍的因素。數(shù)值模擬結果表明，毛管壓力的變化對臨界入滲范圍的影響較大，不考慮毛管壓力作用會使包氣帶中水分滲流在垂直方向更加集中，此時入滲范圍對水分入滲的影響較小?！窘Y論】在一定范圍內(nèi)，包氣帶厚度與臨界入滲范圍呈正相關，補給速率與臨界入滲范圍呈負相關。

包氣帶水分運移；臨界入滲范圍；TOUGH2/EOS3；水氣兩相流；數(shù)值模擬

0 引 言

【研究意義】灌溉水、降水通過包氣帶入滲補給飽和地下水的過程是水文循環(huán)和地下水污染過程中至關重要的環(huán)節(jié)之一[1]，由單相到多相的數(shù)值模擬技術是研究包氣帶中水分運移的重要手段[2]。包氣帶中的水分運移過程本質(zhì)上是水氣兩相流遷移過程[3-7]，兩相流條件下的水分遷移涉及較為復雜的理化轉(zhuǎn)變過程[8-10]?！狙芯窟M展】關于入滲補給源對包氣帶中水分運移的影響，前人主要集中研究入滲強度、入滲時長以及入滲量等因素對包氣帶水分遷移影響[11-14]，而關于入滲補給范圍對包氣帶水分運移影響的研究較少。Lai等[15]結合野外田間雙環(huán)入滲試驗并利用HYDRUS-2D模型進行包氣帶中水分運移的單相流模擬，探究雙環(huán)入滲儀內(nèi)環(huán)尺寸范圍對土壤飽和滲透系數(shù)的影響；唐澤華等[16]通過染色示蹤試驗研究試驗尺度對淺層土壤包氣帶中水分非均勻流的影響?！厩腥朦c】以往研究主要關注入滲補給范圍對淺層土壤中水分遷移的單相流問題，但實際上淺層土壤包氣帶中的水流運移過程涉及水氣兩相流問題，灌溉水入滲補給過程即是水分在淺層土壤包氣帶中的遷移過程，深入研究入滲補給范圍對包氣帶中水分運移有利于優(yōu)化灌溉入滲補給方案，提高水資源利用效率?！緮M解決的關鍵問題】鑒于此，本研究利用TOUGH2/EOS3構建水氣兩相流模型[17]，用數(shù)值模擬方法深入分析入滲補給范圍對淺層土壤包氣帶中水氣兩相流運移的影響。研究結果一定程度上可豐富淺層土壤包氣帶中水分運移特征的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 模型概況與參數(shù)

根據(jù)典型地層剖面，同時結合主要研究目標，設置概念模型。模擬區(qū)域概化為垂向二維剖面，飽和帶和包氣帶介質(zhì)巖性均為粉砂，模型尺寸為80 m×40.5 m，將頂部0.5 m厚的薄層設置為大氣邊界層，地下水埋深為25 m，飽和帶厚度為15 m，如圖1（a）所示。模擬計算網(wǎng)格剖分如圖1（b）所示，網(wǎng)格大小為1 m×1 m，頂部為固定大氣壓力邊界（P0=1.013×105Pa），底部為固定壓力邊界（P1=2.484 5×105Pa），左右為零通量邊界。

粉砂介質(zhì)關鍵參數(shù)取值參考軟件庫相關參數(shù)以及Sun等[18]對包氣帶中水氣兩相流入滲補給的研究結果，如表1所示。在模型頂部中央?yún)^(qū)域設置入滲補給源，恒定補給速率q=2×10-5m/s，考慮設置不同入滲范圍L=6、8、10、14、16、18、20、30 m等8種情況下的包氣帶水分運移過程。

圖1 二維概念模型和入滲補給范圍示意Fig.1 Two-dimensional concept model and schematic diagram of infiltration recharge range

表1 粉砂介質(zhì)主要參數(shù)[18]Table 1 Main parameters of silty sand[18]

注λ為經(jīng)驗參數(shù)；Slr為多孔介質(zhì)水相殘余飽和度；Sls為多孔介質(zhì)飽水時的水相最大飽和度；Sgr為殘余氣相飽和度；Pmax為最大吸力；1/P0為土壤進氣值的倒數(shù)。

1.2 研究方法

基于多相流數(shù)值模擬軟件TOUGH2/EOS3構建水氣兩相流數(shù)值模型，開展入滲補給范圍對包氣帶水分入滲過程的影響研究。TOUGH2是國際上常用進行多相、多組分流體流動及熱量運移的數(shù)值模擬軟件[17]，該軟件以其模塊化的程序結構，公開的程序代碼，通用的離散方法以及高效的求解方法等優(yōu)點，在碳封存、核廢料處置、污染修復、環(huán)境評價以及地熱開發(fā)等領域有著廣泛的應用。TOUGH2中包含多個不同狀態(tài)方程（EOS）模塊，不同EOS模塊用于求解不同數(shù)學模型，其中EOS3模塊可用于求解包氣帶中水氣兩相流的數(shù)學模型。

包氣帶中水氣兩相的運動均遵循質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，水氣兩相流達西定律[19]為：

式中：vb為b相的滲透流速（m/d）；k為介質(zhì)的絕對滲透率（m2）；krb為b相的相對滲透率（m2）；mb為b相的動力黏滯系數(shù)（Pa/s）；pb為b相的壓力（Pa），rb為b相的密度（kg/m3）；g為重力加速度（m/s2）。

包氣帶中水氣兩相流運動涉及水、氣兩相間的轉(zhuǎn)換，氣相和液相流動的基本方程[20]為：

式中：n為孔隙度；b為流體相（氣相或液相）；Sb為b相的飽和度；為b相中組分k的質(zhì)量分數(shù)。

2 結果與分析

2.1 臨界入滲范圍模擬結果

模型設定為25 ℃，先計算一個穩(wěn)定滲流場作為入滲模型的初始條件。穩(wěn)定狀態(tài)下氣相飽和度、水相飽和度及毛細壓力分布如圖2所示。氣相飽和度與水相飽和度之和恒為1，且水相飽和度與毛細負壓的分布趨勢基本一致。

設置不同的入滲范圍，模擬不同入滲補給范圍條件下包氣帶中水氣兩相流運移過程，模擬時長為25 d。取L=8 m和20 m為例，第6天和第14天的模擬結果對比如圖3所示。水分在包氣帶中的入滲以垂向運移為主[21]，對比分析模擬結果，L=20 m濕潤鋒垂向遷移速率更大，在入滲第14天濕潤鋒已接近潛水面，而L=8 m時，水分運移明顯滯后，由此可初步認定不同入滲范圍對包氣帶中水分運移有顯著影響。

劉麗等[22]提出以土體特征含水率定量描述濕潤鋒，本文參考其思想，以水相飽和度S1=0.5作為濕潤鋒的特征含水率來確定濕潤鋒位置。不同入滲范圍情況下，濕潤鋒垂向最大運移距離與時間的關系如圖4所示。模擬結果顯示，入滲范圍L≥16 m時，濕潤鋒在包氣帶中的垂向最大運移距離隨時間變化基本一致，并幾乎在同一時間（第15.8天）到達潛水面；而Llt;16 m時，濕潤鋒在包氣帶中的垂向運移先后出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，入滲范圍L越小，濕潤鋒運移至潛水面所需的時間越長。

圖2 包氣帶水分入滲模型初始條件Fig.2 Initial conditions of water infiltration model for vadose zone

圖3 不同入滲范圍條件下包氣帶中水分運移水相飽和度分布Fig.3 Water phase saturation distribution of water transport in vadose zone under different infiltration range

圖4 不同入滲范圍濕潤鋒垂向最大遷移距離與時間的關系Fig.4 Relationship between maximum vertical migration dist ance and time of wet front in different infiltration areas

基于上述分析，本文提出臨界入滲范圍這一概念。以臨界入滲范圍L0為界線，在此臨界值L0上下二側(cè)，不同入滲范圍條件下包氣帶中水分運移規(guī)律有著明顯差異。Llt;L0時，入滲補給范圍越小，水分入滲補給到達潛水面所需時間越長，且延遲性越大；Lgt;L0時，不同入滲補給范圍濕潤鋒在包氣帶中遷移過程趨于一致，水分同時入滲補給到達潛水面。入滲范圍L=8 m和L=20 m條件下的水分運移速度場如圖5所示。模擬結果顯示補給速率相同時，入滲范圍越大，處于中央垂向滲流通道的水流通量越大，垂向水勢梯度越大，濕潤鋒向下遷移越快。

圖5 入滲范圍L=8 m和L=20 m時，不同時刻包氣帶水流速場分布Fig.5 Distribution of water velocity field in vadose zone at different time in the infiltration range L=8 m and L=20 m

2.2 臨界入滲范圍的影響因素分析

影響灌溉水及降水等經(jīng)淺層土壤包氣帶入滲補給地下水的因素眾多，常見有入滲補給速率、包氣帶巖性結構特征、包氣帶厚度、毛管壓力、溫度以及上覆植被情況[23-24]等。本文對影響臨界入滲范圍的毛管壓力和包氣帶介質(zhì)特征等參數(shù)進行敏感性分析；并設置不同包氣帶厚度和不同入滲補給速率模擬情景，研究這些因素對臨界入滲范圍的影響。

2.2.1 影響臨界入滲范圍的參數(shù)敏感性分析

基于構建的水氣兩相流數(shù)值模型，選取介質(zhì)孔隙度n，飽和滲透率k，與毛管壓力函數(shù)相關的擬合參數(shù)λ和進氣值P0，多孔介質(zhì)水相殘余飽和度Slr以及多孔介質(zhì)飽水時的水相最大飽和度Sls進行參數(shù)敏感性分析。本次敏感性分析采用局部分析法中的因子變換法，分析時保持其他參數(shù)不變，僅改變某一參數(shù)的值。對照組為表1中概念模型參數(shù)值，對n、k、λ、Slr、P0分別進行上下10%、20%的浮動，由于對照組Sls=1，故對Sls僅進行向下10%、20%的浮動。計算結果如表2所示。

表2 各參數(shù)不同變幅情況下的臨界入滲范圍變幅Fig.2 The critical range variation of infiltration under different parameters m

參數(shù)敏感性大小由敏感性指數(shù)S衡量：S值越大，表明該參數(shù)變化對臨界入滲范圍的影響越大。S計算公式參見文獻[25]。

各參數(shù)敏感性指數(shù)如圖6所示，臨界入滲范圍對毛管壓力函數(shù)相關的擬合參數(shù)λ最為敏感，進氣值P0次之。表明毛管壓力的變化對臨界入滲范圍的影響較大，多孔介質(zhì)飽水時的水相最大飽和度Sls對臨界入滲范圍的影響最小。

為進一步驗證毛管壓力對包氣帶中水氣兩相流入滲過程的影響，保持其他條件不變，模擬不考慮毛管壓力作用下的情況。入滲范圍L=8 m和L=20 m條件下包氣帶中水氣兩相流運移6 d的模擬結果如圖7所示。對比圖7和圖3，不考慮毛管壓力作用時，濕潤鋒形態(tài)更加平緩，水分遷移速率更快。表明毛管壓力對包氣帶水分入滲有較強的阻滯作用。

2.2.2 包氣帶厚度與入滲補給速率對臨界入滲范圍的影響

研究包氣帶厚度對臨界入滲范圍的影響，保持恒定入滲補給速率為q=2×10-5m/s，分別設置包氣帶厚度為15、20、25、30、35 m的5組模型，其他條件不變。模擬計算得到不同包氣帶厚度對應的臨界入滲范圍如圖8所示。包氣帶厚度越大，臨界入滲范圍也越大，二者在給定范圍內(nèi)呈良好的線性相關關系。原因可能是包氣帶越厚，發(fā)生側(cè)向入滲的水分越多，臨界入滲范圍隨之增大。

圖6 影響臨界入滲范圍的不同參數(shù)敏感性指數(shù)對比Fig.6 Comparison of sensitivity indices of different parameters affecting the critical infiltration range

圖7 不同入滲范圍忽略毛管壓力作用下包氣帶水分運移第6天時水相飽和度分布Fig.7 Water phase saturation distribution on the 6th day of water migration in vadose zone under different infiltration ranges and capillary pressure is ignored

圖8 臨界入滲范圍與包氣帶厚度的關系曲線Fig.8 The relation curve between critical infiltration range and vadose zone thickness

研究入滲補給速率對臨界入滲范圍的影響，包氣帶厚度恒定為25 m，分別設置補給速率為4×10-6、1×10-5、2×10-5、3×10-5、4×10-5、5×10-5m/s的6組模型，其他條件不變。模擬計算得到補給速率與臨界入滲范圍的關系如圖9所示。補給速率越大，臨界入滲范圍越小，二者在給定范圍內(nèi)呈良好的線性相關關系。原因可能是補給速率越大，單位時間內(nèi)垂向滲流方向的水分越多，水勢梯度相對增大，側(cè)向滲流的強度減弱，臨界入滲范圍隨之減小。

圖9 補給速率與臨界入滲范圍的關系曲線Fig.9 The relationship between recharge rate and critical infiltration range

3 討 論

本文通過構建水氣兩相流數(shù)值模型研究不同入滲補給范圍條件下包氣帶中水分運移的差異性及其影響因素，數(shù)值模擬研究結果表明，水分在包氣帶中遷移入滲補給地下水前期，本文設定的模型條件下，大致在近地表0～5 m范圍內(nèi)，無論入滲補給范圍大小，濕潤鋒垂向遷移速率始終保持一致，水氣兩相流在包氣帶中的遷移基本沒有差異性。L小于臨界值L0時，垂向遷移速率逐漸變小，L越小，垂向遷移速率變小出現(xiàn)的時間越早，差異性越大；而L大于臨界值L0時的垂向遷移速率始終相同，并同時入滲至潛水面，水分在包氣帶中遷移特征幾乎始終保持一致。此外，為進一步弱化模型隔水邊界影響，其他條件保持相同，僅將模型零通量邊界改成自由邊界，相應數(shù)值模擬結果表明臨界入滲范圍依然存在，且在本文設定條件下，L0仍為16 m；不同的是濕潤鋒到達潛水面的時間有差異：零通量邊界模型在入滲補給范圍L=16 m條件下，濕潤峰到達潛水面所需時間為15.8 d；而對應自由邊界模型條件下所需時間為11.6 d。淺層包氣帶中水分入滲運移過程由于受到重力和毛細壓力共同作用會形成垂向流和側(cè)向流。因此，水分在包氣帶中會形成以垂向運移為主、橫向運移為輔的2個方向的遷移過程。正是由于包氣帶中水分運移存在這個特殊復雜的運動特征，導致不同入滲補給范圍會對包氣帶中水分遷移過程造成影響，從而形成臨界入滲補給范圍的存在。從水動力角度解釋，水分入滲補給范圍不同時，處于中央垂向滲流通道的水流通量不同，垂向水勢梯度不同。對于入滲補給源對包氣帶中水分遷移的影響研究，前人很少涉及入滲補給范圍，涉及入滲范圍的相關研究也未考慮到水分在包氣帶中的遷移過程。本研究考慮水分在包氣帶中遷移是水氣兩相流運移過程，并深入研究入滲補給范圍對灌溉水、降水在淺層土壤包氣帶中遷移的影響，發(fā)現(xiàn)臨界入滲補給范圍，有利于豐富包氣帶水分運移機制研究，同時對提高灌溉補給效率和節(jié)約水資源具有重要意義。但不足的是，涉及臨界入滲范圍L0影響因素眾多，所有影響因素與臨界入滲范圍的普適性量化關系尚難構建，論文目前開展了影響因素的參數(shù)敏感性分析以及包氣帶厚度和入滲速率的影響，有待繼續(xù)深入研究臨界入滲范圍L0與其他影響因素的量化表達。

4 結 論

1）入滲補給范圍L對包氣帶中水分運移具有明顯影響，且存在一個臨界值L0。Llt;L0時，L越小水分入滲補給到潛水面所需時間越長；Lgt;L0時，水分入滲補給同時到達潛水面。

2）參數(shù)敏感性分析結果表明毛管壓力對臨界入滲范圍的影響較大。臨界入滲范圍對多孔介質(zhì)水相的殘余飽和度Slr，介質(zhì)孔隙度n和飽和滲透率k較為敏感，而對多孔介質(zhì)的水相最大飽和度Sls不太敏感。

3）在一定范圍內(nèi)，包氣帶厚度與臨界入滲范圍正相關；入滲補給速率與臨界入滲范圍負相關。

[1] 王大純. 水文地質(zhì)學基礎[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1986: 27.WANG Dachun. Principles of hydrogeology[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1986: 27.

[2] 薛禹群. 中國地下水數(shù)值模擬的現(xiàn)狀與展望[J]. 高校質(zhì)學報, 2010,16(1): 1-6.

XUE Yuqun. Present situaand prospect of groundwater numerical simulation in China[J]. Geological Journal of China Universities, 2010,16(1): 1-6.

[3] 劉明明. 伊犁河谷區(qū)灌溉條件下包氣帶水分運移規(guī)地下水補給研究[D]. 西安: 長安大學, 2019.

LIU Mingming. Moisture movement law and groundwater rechain aeration zone under irrigation conditions in Yili Rivelley[D]. Xi’an:Chang’an University, 2019.

[4] SIMUNEK Jirijirka, BRADFORD Scotta. Vadose zone modeling:introion and importance[J]. Vadose Zone Journal, 2008, 7(2): 581-586.

[5] 高靖勛, 馮洪川, 祝曉彬, 等. 層狀非均質(zhì)結構包氣帶入滲過程單相流與兩相流數(shù)值模擬對比研究[J]. 水文地質(zhì)程地質(zhì), 2022, 49(2):24-32.

GAO Jingxun, FENG Hongchuan, ZHU Xiaobin, et al. A comparative numerical simun study of single-phase flow and water-gas two-phasw infiltration process in the vadose zone with the layerheterogeneous structure [J]. Hydrogeology and Engiing Geology, 2022, 49(2): 24-32.

[6] WEI Yunbo, CHEN Kouping, WU Jichun. Estimation of the critical infiltration rate for air compression during infiltration[J].Water Resources Research, 2020,56(4):1-13.

[7] 韋志龍, 蔣勤. 基于WENO-THINC/WLIC模型的水氣相流數(shù)值模擬[J]. 力學學報, 2021, 53(4): 973-985.

WEI Zhilong, JIANG Qin. Numerical study on water-air two-phasow based on WENO-THINC/WLIC model[J]. Theoal and Applied Mechanics, 2021, 53(4): 973-985.

[8] 高業(yè)新, 張冰, 崔浩浩. 包氣帶水入滲過程中水化學分運移規(guī)律研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2014, 41: 1-6.

GAO Yexin, ZHANG Bing, CUI Haohao. A studythe migration of chemical compositions in vadose watenfiltration[J]. Hydrogeology and Engineering Geol, 2014, 41: 1-6.

[9] 徐遠志, 趙貴章, 母霓莎, 等. 包氣帶水分運移過程的因素綜述[J].華北水利水電大學學報(自然科學版), 2019, 40(2): 37-41.

XU Yuanzhi, ZHAO Guizhang, MU Nisha, et al. Review on factors affecting the process of watevement in vadose zone[J]. Journal of North China University of Water Resources and Electric Power (Natural Science Edition), 2019, 40(2): 37-41.

[10] WEI Yunbo, CHEN Kouping, WU Jichun, et al. Experimental study of the moisture distribution on the wetting front during drainage and imbibition in a 2D sand chamber[J]. Journal of Hydrology, 2018, 561:112-122.

[11] LI Yi, SHAO Mingan. Effects of rainfall intensity on rainfnfiltration and redistribution in soil on Loess slope land[J]. The Journal of Applied Ecology, 2006, 17(12): 2 271-2 276

[12] 臧永歌. 非飽和土降雨入滲規(guī)律及其應用的數(shù)值研究[D]. 天津:天津大學, 2014.

ZANG Yongge. Numal simulation research on rainfall infiltration and its applion in the unsaturated[D]. Tianjin: Tianjin University, 2014

[13] MORBIDELLI Renato, CORRADINI Corrado, SALTALIPPI Carla, et al. Raininfiltration modeling: A review[J]. Water, 2018, 10: 1 873.

[14] 劉杰, 曾鈴, 付宏淵, 等. 土質(zhì)邊坡降雨入滲深度及飽變化規(guī)律[J].中南大學學報(自然科學版), 2019, 50(2): 452-459.

LIU Jie, ZENG Ling, FU Hongyuan, et al. Variation law of rainfall infiltration depth and sation zone of soil slope[J]. Journal of Central South University (Natural Science Edition), 2019, 50(2): 452-459.

[15] LAI Jianbin, REN Li. Assessing the size dependency of meas hydraulic conductivity using double-ring infilteters and numerical simulation [J].Soil Science Socief America Journal, 2007, 71(6): 1 667-1 675.

[16] 唐澤華, 盛豐, 高云鵬. 入滲水量和試驗尺度對土壤水勻流動的影響[J]. 水土保持通報, 2015, 35(2): 173-178.

TANG Zehua, SHENG Feng, GAO Yunpeng. Effects of tration amount and experimental scale on heterneous soil water flow[J]. Bulletin of Soil and Water Constion, 2015, 35(2): 173-178.

[17] 施小清, 張可霓, 吳吉春. TOUGH2軟件的發(fā)展及應[J]. 工程勘察,2009, 37(10): 29-34, 39.

SHI Xiaoqing, ZHANG Keni, WU Jichun. The history and applion of TOUGH2 code[J]. Geotechnical Investigation amp; Suying, 2009, 37(10):29-34, 39.

[18] SUN Dongmei, ZANG Yongge, PING Feng, et al. Quasturated zones induced by rainfall infiltration[J]. Tranorous Media, 2016, 112(1):77-104.

[19] 吳吉春. 地下水動力學[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2009:163-168.

WU Jichun. Groundwater hydraulics[M]. Beijing: China Water amp;Power Press, 2009: 163-168.

[20] PRUESS Karsten, OLDENBURG Curtism, MORIDIS Georgej.TOUGH2 User'uide Version 2[J]. Office of Scientific amp; Technical Inforion Technical Reports, 1999.

[21] GLASS Rj, STEENHUIS Tammos, PARLANGE Jeanyves. Wetting front tability as a rapid and far-reaching hydrologic procein the vadose zone[J]. Journal of Contaminant Hydry, 1988, 3(2/4): 207-226.

[22] 劉麗, 吳羊, 陳立宏. 基于數(shù)值模擬的濕潤鋒前進法測量精度分析[J]. 巖土力學, 2019, 40(S1): 341-349.

LIU Li, WU Yang, CHEN Lihong. Accuracy analysis of wetting front advancing method based on numerical simulation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(S1): 341-349.

[23] 趙文智, 周宏, 劉鵠. 干旱區(qū)包氣帶土壤水分運移及地下水補給研究進展[J]. 地球科學進展, 2017, 32(9): 908-918.

ZHAO Wenzhi, ZHOU Hong, LIU Hu. Advances in moisture migration in vadose zone of drylaand recharge effects on groundwater dynamics[J]. Advas in Earth Science, 2017, 32(9): 908-918.

[24] DU Chaoyang, YU Jingjie, WANG Ping, et al. Analysing the mechms of soil water and vapour transport in the desert vadose zone of the extremely arid region of Northern China[J]. Journal of Hydrology, 2018,558: 592-606.

[25] 李木子, 翟遠征, 左銳. 地下水溶質(zhì)遷移數(shù)值模型中的參數(shù)敏感性分析[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2014, 12(3): 133-137.

LI Muzi, ZHAI Yuanzheng, ZUO Rui. Sensitivity analysis of parameters in numerical simulation of solute transport in groundwater[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science amp;Technology, 2014, 12(3): 133-137.

Numerical Simulation of the Influence of Infiltration Range on Gas and Water Flow in Vadose Zone

JIANG Xuncai1, FENG Hongchuan1, ZHU Xiaobin1,2*, WU Jichun1,2, WU Jianfeng1,2, XIONG Guiyao1
(1.Key Laboratory of Surficial Geochemistry, Ministry of Education/School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China;2. Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of Natural Resources, Nanjing 210049, China)

【Objective】To reveal the influence of infiltration recharge range on the water-gas two-phase flow transport process in the package-gas zone based on numerical simulation method.【Method】 Based on the multiphase flow simulation software TOUGH2/EOS3, a numerical model of water-gas two-phase flow was constructed to simulate and analyze the effect of different infiltration recharge ranges on the water infiltration recharge process in the packaged gas zone.【Result】Show that there is a critical infiltration rangeL0, and the water transport pattern in the package-gas zone differs significantly when the infiltration recharge range is larger and smaller than this critical infiltration range. On this basis, the factors affecting the critical infiltration range are further explored. The numerical simulation results show that the change of capillary pressure has a greater influence on the critical infiltration range, and disregarding the effect of capillary pressure will make the water infiltration flow in the package gas zone more concentrated in the vertical direction, at which time the infiltration range has less influence on the water infiltration.【Conclusion】In a certain range, the thickness of the air envelope is positively correlated with the critical infiltration range, and the recharge rate is negatively correlated with the critical infiltration range.

water transport in vadose zone; critical infiltration range; TOUGH2/EOS3; water-gas two-phase flow;numerical simulation

江訓才, 馮洪川, 祝曉彬, 等. 入滲補給范圍對包氣帶水氣兩相流運移過程影響的數(shù)值模擬研究[J]. 灌溉排水學報,2022, 41(11): 78-84.

JIANG Xuncai, FENG Hongchuan, ZHU Xiaobin, et al. Numerical Simulation of the Influence of Infiltration Range on Gas and Water Flow in Vadose Zone[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(11): 78-84.

P641.2

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022273

1672 - 3317（2022）11 - 0078 - 07

2022-05-17

國家重點研發(fā)計劃場地土壤污染成因與治理技術專項（2019YFC1804300）；國家自然科學基金項目（42072274，41730856，U2167212）

江訓才（1997-），男。碩士研究生，研究方向為地下水多相流數(shù)值模擬。E-mail: xuncai_jiang@163.com

祝曉彬（1980-），男。副教授，主要從事復雜條件下地下水中污染物遷移數(shù)值模擬研究。E-mail: zxb@nju.edu.cn

責任編輯：韓 洋