地下淡水是岛礁生态环境建设的重要因素,是影响岛礁生态化进程的关键环节。包气带是地表到潜水面之间的非饱和带,而其中的毛细水与大气水、植物水、土壤水和地下水一起构成一个完整的水文生态系统,并在其中起着联结纽带作用,是水文循环的重要环节。针对岛礁钙质砂地层中包气带的水分运移研究较少。毛细水上升、蒸发是包气带中水分向上运移的两个重要过程,一方面包气带中存在毛细水带,土壤含水率高甚至接近饱和,植物根系可以深入和穿过毛细水带与地下水产生联系,减轻甚至消除水分匮乏的压力;另一方面,地下水通过毛细带向上部土壤以水、汽形式迁移的水量,用以补充土壤水分蒸发及植物蒸腾导致的水分散失。而土体水分蒸发是土体-大气物质和能量交换的主要过程之一,也是地表热量与水分平衡的重要组成部分。为此,本项目现场架设科研级气象观测站,获取必要的气象数据,结合现场试验、室内物理模型试验获得钙质砂的土-水特征曲线、毛细水上升规律、蒸发规律,结合现场实测资料以及理论分析和数值模拟,系统开展钙质砂的非饱和水分运移特性研究,初步揭示珊瑚礁岛礁地下水非饱和水分运移的宏细观机制,为绿色生态岛礁建设提供参考。本文通过现场气象数据分析、室内压力板仪试验、毛细水上升高度和蒸发试验测试,取得如下研究成果:(1)降雨充沛但分布不均,全年降雨量高达2500mm以上,但呈明显的雨季和旱季特征。一般而言,每年的2-5月为旱季,降雨稀少雨量不足100mm。年降雨量远大于蒸发量,大量的下渗雨水为岛礁地下水淡化提供了可能。(2)随着细颗粒含量增多、干密度增大,钙质砂持水性得到增强。但干密度对SWCC曲线的影响有限,不同干密度下SSWCC曲线的形状较为一致。而不同细粒含量下SWCC曲线过渡段出现差异,其余阶段差别不大。通过用VG模型、FX模型以及钟方杰模型共三种模型对离散点进行拟合,发现Fredlund-Xing模型拟合效果最好。与石英砂相比,钙质砂脱湿过程的残余阶段并不平缓。随着细粒含量的增加其斜率越发陡峭,表明钙质砂特殊的内孔隙、高含盐量等增强了其残余阶段的持水性(3)连续级配钙质砂样细颗粒含量越多、级配越好,钙质砂毛细水上升高度越高;单一粒径钙质砂,粒径越小则毛细水上升高度越高,趋于稳定的时间也越长。当粒径超过0.25mm以后,毛细水上升高度和上升速率有明显的趋同特征。随着干密度增加,细砂级钙质砂毛细水高度增加,粉砂级钙质砂中毛细水高度却减少。随着NaCl溶液浓度的升高,在钙质细砂和中砂中毛细水上升高度均呈现先减小而后增大趋势,NaCl浓度为20g/L时毛细水高度最小,淡水条件下毛细水高度最大。在钙质细砂中的毛细水高度随海水含量增加总体呈微弱增加趋势,但彼此差异甚小,数值非常接近。(4)钙质砂的蒸发量与外部气候条件和土体本身所处状态密切相关,且气候因素起主导作用。蒸发初期的土壤蒸发量取决于外界给其提供的潜热,而与土体本身所处的密实度、级配、粒径等关系不大。