包气带作为岩土颗粒、水、空气三者同时存在的一个复杂系统,是大气降雨、地表水体同地下水发生联系并进行水分交换的枢纽带;同时,包气带不仅具有吸收水分、保持水分和传递水分的能力,而且为各种污染性溶质在包气带土体与地下水中的累积、迁移及转化提供了场所。因此,包气带的阻水减渗能力的强弱是地下水环境平衡能否被打破的关键因素,研究层状包气带中不同质地与厚度夹层条件下的水分入渗和溶质迁移规律,探明包气带不同结构土体的对水分与溶质的截留能力,对包气带土体的防污控制与地下水资源的保护都有着积极的意义。在国内外研究成果和相关理论的基础上,本文针对含弱透水性夹层土层结构的包气带特征,制备1#、2#和3#三种供试土样,测试其相关理化性质、土-水特征曲线和渗透特征曲线等,并通过不同形式配比,控制土柱弱透水性夹层的结构,研究在降雨条件下的水分入渗与溶质迁移规律。首先,结合所得供试土样土-水特性参数,理论上保证水分入渗的下渗速率大于降雨强度,确保土柱表层不产生积水,标定降雨量在25mm/12h范围连续入渗补给。试验土柱结构设计为A、B、C三类类型,其中A型土柱均质土柱,B、C型土柱含10cm夹层。在A、B、C三种不同的土体结构中,试验分为3×2组展开试验,先进行3组是研究水分入渗规律,在此基础上,在同样结构条件下进行3组的溶质迁移试验研究。此外,为了进一步研究包气带水分入渗和Br-溶质迁移的影响因素,进行了5组小尺度土柱条件下的降雨入渗试验。然后,针对不同质地和厚度的弱透水性夹层条件下的土柱结构,分别进行4组土柱试验研究水分入渗和溶质迁移,控制降雨量在50mm/12h范围连续入渗补给,命名为B1、C1、B2、C2型土柱,其中B1、C1型两组夹层厚度为2cm,B2、C2型两组夹层厚度为5cm。最后,在物理试验的基础上,利用包气带数值模拟软件Hydrus-1D进行数值模拟,进一步模拟在含弱透水性夹层的土柱结构条件下的水分入渗运动和溶质迁移过程。经一系列试验和模拟研究,得出以下几点结论:(1)借助水-土特征曲线模拟RETC软件,运用B-C模型和V-G模型对三种供试土样进行土-水特征曲线拟合,得出V-G模型拟合度更佳;运用间接推算法,即V-G模型公式的变形公式,得出各含水率条件下的渗透系数,并利用Exp型函数进行拟合,得出非饱和导水率的变化曲线。(2)在对比均质A型土柱和含10cm弱透水性夹层B型和C型层状结构土柱试验中,A型均质土湿润锋迁移最快,最先到达土柱底层,而C型中水分入渗最慢,可见土体的弱透水性夹层对水分影响较大,夹层质地黏性愈大,对水分的阻碍和持有能力就愈强;关于Br-溶质迁移试验,在三种土柱浅层Br-溶质浓度均表现为先增后减的趋势,而中层和底层则持续增加,同时夹层对溶质的减渗作用明显,尤其C型土柱中,夹层中Br-浓度值最高,而其底层浓度最低,证明土柱夹层的存在对Br-溶质迁移的影响不可忽视。(3)在包气带水分运动和溶质迁移的影响因素中,本文着重研究了基质吸力、土柱气和土中温度等因素。当基质吸力在较小范围内(5~20kpa),Br-浓度随基质吸力的增加而聚降,这是因为土体含水率不断增加,而基质吸力减小,而此时Br-溶质不断积累并下渗,尤其在黏性土中表现最为显著;土柱气相的存在对水分入渗影响较大,表现为土中的气与水分是相互驱逐、代替的竞争过程。(4)在研究土柱夹层对水分入渗的阻水作用过程中,运用Log-DoseResp函数拟合土柱剖面水分含量与埋深的关系曲线,其拟合效果较好;土体夹层的阻水率(r)表现为rB1<rB2<rB<rC1<rC2<rC,这证明夹层厚度愈厚,质地土黏性愈大,则对水分入渗的阻水作用愈强,尤其是夹层质地条件,对水分的阻水作用较为显著。(5)在不同夹层影响下的溶质迁移试验中,对不同埋深处的Br-浓度的历时曲线进行非线性Poly-Parabola函数拟合,得出不同埋深处Br-浓度的历时变化曲线,拟合方差平均值高达0.95以上。试验得出,土体夹层的质地和厚度均对Br-溶质的迁移影响显著,表现为在试验末期C2型土柱中夹层中Br-浓度最高,达548.96mg/L,而其底部的浓度最小;另外,土体夹层对Br-溶质迁移的减渗率(r)表现为rC1<rB1<rB2<rC2<rB<rC。由此可见,土体质地的黏性越大,对Br-溶质的迁移减渗控制越强;土柱夹层的厚度愈厚,土体夹层的质地影响愈为显著,对Br-溶质的减渗作用愈强,且土柱的厚度影响更加突出。(6)在Hydrus-1D数值模拟中,分析B2和C2两种结构模型的模拟结果,无论是水分运动还是Br-溶质迁移规律,模拟结果总体可以反映出一定的规律,其中水分入渗的规律与物理试验较为贴近,模拟结果较好,而Br-溶质迁移的模拟结果与物理试验的结果存在一定误差,仅可作为一个参考,在今后的研究中还需进一步细化该部分的工作。