非饱和带是连接大气与饱和带之间水量和能量循环的关键环节,除了固体骨架外,非饱和带内的孔隙被水流和气体完全充满,是一个典型的水-气二相流系统。众多研究表明气相的存在对非饱和带内水流运动与物质交换具有不可忽略的影响,而且降雨入渗过程是激发非饱和带水-气二相运动的主要因素,水流的下渗会压缩非饱和带内的气体,而被压缩的气体进而又会阻碍水流的下渗,所以研究降雨条件下非饱和带水-气二相流驱替规律对了解水资源在大气-非饱和带-地下水系统内的运动过程具有十分重要的意义。由于其理论的复杂性以及实验条件的限制,对降雨条件下非饱和带水-气二相流驱替规律的研究一直是热点问题。因此,本文以非饱和带水-气二相流理论为基础,依托长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,分别设计实验室尺度和原位尺度下的一维实验,并使用国外先进传感器观测相关变量,通过分析实测数据,探究岩性和地下水位的变化对降雨条件下非饱和带水-气二相流运动的影响以及不同气象因素与气相压力的相关性,并对降雨条件下非饱和带水-气二相流耦合模型进行数值模拟,分析模拟软件的仿真性。主要得出了以下结论:(1)在地下水位保持不变时,剖面含水率随着降雨强度的增大而增大,其中非饱和带上部含水率随着雨强变化产生的差异较大,毛细上升带内含水率的差异较小;当雨强不变而地下水位变深时,非饱和带内水流下渗的越快;对比不同地下水位条件下气相压力发现,在降雨强度相同时,不论地下水位埋深是多少,气相压力的最大值总是出现在非饱和带的深部,且地下水位越浅,非饱和带内气体所受的压缩作用越大,气压的峰值越大。(2)分析不同条件下降雨累计入渗量发现,在降雨开始的短时间内入渗补给量快速增大,之后缓慢上升直至不再增加;不同地下水位条件下入渗总时间之间存在倍数关系,以地下水位z=0.5m为基础,z=0.7m条件下的降雨入渗总时间大约是其的2.2倍;z=1.0m条件下的降雨入渗总时间大约是其的3.2倍。(3)气相压力和气象要素之间存在相关性。风速与气相压力呈正相关,大气压波动和相对湿度与气相压力呈负相关,气相压力和上述气象要素的相关性不随岩性的变化而改变,在非饱和带水-气二相流问题中建议将大气边界作为上边界。(4)对比降雨条件下不同岩性气相压力的差异发现,气相压力的变化不仅与气象因素有关,也与入渗的水流对气体的压缩作用有关;根据不同岩性条件下非饱和带气相压力的变化特征将非饱和带分为风速影响带、过渡带和压缩影响带。风速影响带位于距地表0~50cm范围内,三种岩性气相压力的大小关系为细砂>中砂>粗砂,主要受风速的影响;压缩影响带在距地表100cm以下的范围内,三种岩性气相压力的大小关系为粗砂最大,中砂和细砂相对较小,主要受压缩作用影响;过渡带在50cm~100cm范围内,三种岩性气相压力的大小关系不明显,受风速和压缩作用的共同影响。(5)对比降雨条件下岩性对剖面含水率的影响发现,非饱和带内越深位置处的含水率响应降雨的滞后时间越长;土表的含水率、气压等状态变量受多种因素影响,变化过程复杂;岩性因素不仅对含水率的量值有影响,而且从距地表100cm开始对含水率响应降雨的时间也有影响,粗砂内的水流最先到达非饱和带底部。(6)分析不同岩性对降雨入渗量的影响发现,无论当天有没有发生降雨,各种岩性的日降雨入渗量都大于0,说明降雨的入渗具有滞后效应,其在非饱和带内存留一段时间之后才会补给至地下水;日降雨入渗量大约在降雨过后的3-5天达到最大,之后再逐渐减小。(7)将实测数据与降雨条件下不同地下水位非饱和带水-气二相流数值模拟结果进行对比:发现气相压力和含水率的模拟结果可以很好地验证实测数据所呈现的规律,但TOUGH2会高估气相压力的大小,且地下水位越浅,气相压力的模拟值与实测值的误差越大。TOUGH2对含水率的仿真模拟比较准确,其中对于非饱和带较深范围模拟的误差较小,对表层含水率模拟的误差较大。