本文从实验上和理论上对上部有无细砂层的垂向砂柱的排水过程进行了研究,以研究空气对多孔介质排水过程的影响。进行了粗砂上部没有细砂层的均质砂柱的饱和-非饱和流排水实验以及粗砂上部存在细砂层的水气二相流排水实验。砂柱下部饱和并处于静水平衡状态,在底部为定水头的条件下进行排水。结果表明当粗砂上部存在细砂层时,排水在砂柱包气带中产生了显著的真空。真空在排水开始以后迅速增大,达到最大值,然后缓慢减小到零。在初始水头差为30 cm的条件下,产生的最大真空为2.58 kPa。产生的真空对水形成一种吸持作用,使水不能顺利排出,因而砂柱中的累计排水量在排水过程的绝大部分时间里都显著低于没有细砂层时的累计排水量。基于混合形式的Richards方程以及一种质量守恒的有限差分格式,编写了一个VBA程序以对饱和-非饱和流排水实验进行数值模拟。计算结果与实验数据吻合得很好。基于VBA程序的理论分析表明,在排水早期,砂柱包气带中存在大量的水。随着时间的增加,砂柱中的饱和度剖面逐渐接近于稳定时的饱和度剖面,对应于粗砂的土壤水分特征曲线。砂柱上部的总水头在排水结束时仍然高于底部定水头边界处的水头。推导了描述水气二相流排水过程中饱和非饱和带分界面位置与真空的常微分方程组(ODE),对方程组的求解只需要多孔介质的饱和水力特性。与实验数据的比较发现,ODE的解与实验数据吻合得很好并且优于TOUGH2的模拟结果。基于ODE的解的理论分析表明,由于真空的作用,在砂柱排水的绝大部分时间里,饱和非饱和带分界面的位置都显著高于潜水面。理论分析还表明,砂柱包气带中的真空与饱和非饱和带分界面的下降速率密切相关。基于TOUGH2的理论分析表明,砂柱排水过程中的饱和度剖面与没有细砂层时的饱和度剖面明显不同。