砂壤土水汽熱耦合運(yùn)移研究.pdf

1、非飽和帶中土壤水汽熱運(yùn)移規(guī)律的研究是目前國內(nèi)外備受關(guān)注的問題。在大多數(shù)的土壤水分運(yùn)移的研究中多集中在土壤中水分和溫度的研究，而對于土壤中水汽以及空氣的研究很少，甚至很多研究直接忽略了二者在土壤水運(yùn)移過程中的作用。實際上，水分在土壤中的運(yùn)動是液相和氣相在土壤孔隙中相互驅(qū)替的復(fù)雜過程。隨著對土壤溫度的深入研究考慮溫度效應(yīng)的土壤水分特征曲線在水汽熱的數(shù)值模擬中應(yīng)用不容忽視。
　　本文在當(dāng)前的研究基礎(chǔ)上，以室內(nèi)物理模擬試驗為手段，采用當(dāng)前

2、最為方便、快捷的離心機(jī)法測定不同溫度情況下的土壤水分特征曲線，通過研究溫度對土壤水分特征曲線的影響規(guī)律，結(jié)合前人的研究成果，構(gòu)建考慮溫度效應(yīng)的土壤水分特征曲線預(yù)測模型，并檢驗所建預(yù)測模型的適用性；另外，建立室內(nèi)土柱試驗，觀測蒸發(fā)和降雨入滲條件下土壤水、汽、空氣、溫度在土壤中的運(yùn)移過程，探討降雨入滲和蒸發(fā)條件下非飽和帶土壤水、汽、空氣、熱運(yùn)移機(jī)理及影響因素。同時，將考慮溫度效應(yīng)的土壤水分特征曲線預(yù)測模型應(yīng)用于水汽熱耦合運(yùn)移模型中，建立了降

3、雨入滲和蒸發(fā)條件下土壤水—汽—空氣—熱耦合運(yùn)移模型對物理試驗進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，結(jié)合試驗結(jié)果驗證其可靠性，并對土壤水運(yùn)移規(guī)律進(jìn)一步探討分析。研究主要得到的結(jié)論如下：
　?。?）選取宜昌地區(qū)擾動砂壤土進(jìn)過預(yù)處理之后作為試驗樣品，并測定其基本參數(shù)；采用高速冷凍離心機(jī)測定不同溫度下土壤樣品水分特征曲線。研究不同溫度下的土壤水分特征曲線可知，溫度對土壤水分特征曲線的影響不可忽略，隨著溫度的升高土壤水分特征曲線的位置向左平移，表明相同基質(zhì)吸力

4、情況下，土壤含水量隨溫度的升高而減小，另外結(jié)合土壤水分特征曲線各參數(shù)以及土壤持水能力方面對該現(xiàn)象進(jìn)行了證明。同時對比石英砂試驗，研究土壤顆粒分布導(dǎo)致溫度對土壤水分特征曲線影響存在的差異性。
　?。?）在前人的研究基礎(chǔ)上，根據(jù)溫度和毛管水上升高度之間的關(guān)系，結(jié)合Van Genuchten模型建立溫度和模型各參數(shù)（進(jìn)氣吸力、飽和含水率、殘余含水率）之間的關(guān)系，通過溫度與模型各個參數(shù)之間的關(guān)系建立考慮溫度效應(yīng)的土壤水分特征曲線的預(yù)測模型

5、，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗證。
　　（3）通過室內(nèi)試驗測定降雨和蒸發(fā)兩個階段土壤內(nèi)部水分、溫度、氣壓和土壤蒸發(fā)量的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在蒸發(fā)試驗階段，溫度是變化最劇烈的量。試驗過程中，空氣溫度上升帶動不同土壤深度溫度的變化，越靠近地表溫度變化越劇烈。另外，由于土壤導(dǎo)熱性的影響，土層溫度變化趨勢隨著深度的增大有時間上的向后推移。蒸發(fā)階段溫度的影響深度范圍約在30cm以內(nèi)。蒸發(fā)過程中土壤氣壓的變化主要是由于溫度變化影響空氣壓強(qiáng)的

6、變化導(dǎo)致，溫度升高空氣壓強(qiáng)減小導(dǎo)致土壤各層空氣壓強(qiáng)減小，空氣壓強(qiáng)變化對土壤內(nèi)部壓強(qiáng)的影響大于土壤孔隙溫度變化對氣壓的影響。在降雨階段，土壤含水率是變化最劇烈的量。試驗過程中，土壤表面降雨含水率增大，由于重力勢作用水分不斷向下運(yùn)動下層土壤含水率依次增大。剖面水分變化較為活躍的為0cm到30cm深度范圍。氣壓在降雨階段，不同土層深度土壤氣體壓強(qiáng)均有不同大小的變動，表層土壤由于上表面是大氣界面，氣壓變化較為微??；下層7cm處含水率較大，水分受

7、重力作用以向下運(yùn)動為主，土壤孔隙體積不變，水分減少，空氣壓強(qiáng)變??；更深層土壤由于含水率較上層小，由于重力作用上層水分下下運(yùn)移，使空氣不斷壓縮，氣壓增大；同時結(jié)合土壤剖面氣壓分布曲線，氣壓曲線的分布均呈‘S’型分布，降雨過程中氣壓的變化并不像含水率和溫度，氣體的運(yùn)動方向并不是單一的，這與氣體的性質(zhì)有關(guān)，而剖面氣壓曲線拐點(diǎn)處正是氣壓的壓縮或者消散區(qū)域，氣體在土壤內(nèi)部與水分的不停驅(qū)替過程對水分的運(yùn)移也存在一定的影響。
　　（4）運(yùn)用考慮