季節(jié)性凍土區(qū)雪被-土壤聯(lián)合體水熱耦合運(yùn)移規(guī)律及數(shù)值模擬研究.pdf

1、在我國(guó)東北、西北和西南等廣大地區(qū)，冬季通常會(huì)有一層相對(duì)穩(wěn)定的雪被覆蓋于凍結(jié)土壤表面，雪被覆蓋條件下的季節(jié)性凍土水分運(yùn)移和熱量傳輸具有獨(dú)特的性質(zhì)，需將雪被和季節(jié)性凍融土壤視為一個(gè)聯(lián)合體進(jìn)行整體研究。同時(shí)，水分、熱量在雪被.土壤聯(lián)合體中的運(yùn)移、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化是自然界水循環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在農(nóng)業(yè)、水資源、環(huán)境系統(tǒng)中占有極其重要的地位，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。然而，在理論基礎(chǔ)、技術(shù)方法、實(shí)際應(yīng)用等各方面，面向農(nóng)業(yè)的雪被覆蓋條件下季節(jié)性凍土水熱運(yùn)移

2、的研究還存在許多問題亟待解決。
　　 針對(duì)雪被覆蓋條件下季節(jié)性凍土水熱運(yùn)移研究中存在的問題，結(jié)合哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“雪被覆蓋條件下農(nóng)田土壤水熱耦合運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其數(shù)值模擬研究（No.RC2010XK002013）”，本文以雪被-土壤聯(lián)合體中的水分和熱量為研究對(duì)象，通過田間試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，深入研究了聯(lián)合體中水熱耦合運(yùn)移的變化規(guī)律、數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬。
　　 本文的主要研究?jī)?nèi)容、具體方法、分析結(jié)

3、果及研究結(jié)論如下：
　　 （1）根據(jù)野外試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用對(duì)比分析和統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)季節(jié)性凍土水分運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力、土壤季節(jié)性凍融過程中地面溫度的變化規(guī)律、地面溫度與土壤中溫度場(chǎng)的關(guān)系、土壤剖面溫度、總含水量及液態(tài)含水量的變化規(guī)律、雪被覆蓋對(duì)土壤溫度、含水量的影響等問題進(jìn)行了詳細(xì)探討。結(jié)果表明：季節(jié)性凍土水分沿土水勢(shì)減小的方向運(yùn)移，地面溫度與氣溫相關(guān)性較高且對(duì)土壤表層溫度影響較大，凍融期日平均地面溫度總體上呈開口向上的拋物線型，而

4、地面溫度日變化則在不同時(shí)期表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，土壤已凍層中的總含水量、液態(tài)含水量的變化與土壤凍結(jié)、融化過程密切相關(guān)，季節(jié)性凍土區(qū)土壤凍融作用導(dǎo)致了土壤水分的重分布，雪被覆蓋對(duì)土壤與大氣之間的熱交換具有阻滯作用，對(duì)土壤剖面（特別是土壤表層）熱狀況影響顯著，而雪被覆蓋僅在融化期才對(duì)土壤表層含水量有顯著影響。以上分析結(jié)果與結(jié)論可為數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及數(shù)值模擬計(jì)算中合理假設(shè)條件的制定、初始及邊界條件的簡(jiǎn)化、水熱運(yùn)移參數(shù)的確定等提供重要依據(jù)。

5、　　 （2）運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論與方法，通過季節(jié)性凍土水分半方差分析及空間分布圖的繪制，分別對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)土壤凍融過程中剖面總含水量及液態(tài)含水量的空間變異結(jié)構(gòu)和空間分布規(guī)律進(jìn)行了分析和研究。結(jié)果表明：季節(jié)性凍土總含水量與液態(tài)含水量具有良好的空間結(jié)構(gòu)和空間相關(guān)性，土壤凍融過程影響兩種含水量的空間相關(guān)性和變程，受凍融過程影響凍結(jié)狀態(tài)下土壤兩種含水量均表現(xiàn)出一定的空間分布規(guī)律，土壤融化后表層含水量的空間分布表現(xiàn)出較大的隨機(jī)性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論能夠

6、很好的刻畫季節(jié)性凍土水分的空間變異性，可為凍土水分運(yùn)移的機(jī)理研究提供新的思路。
　　 （3）從季節(jié)性凍土水熱運(yùn)移的機(jī)理出發(fā)，基于質(zhì)量守恒原理、能量守恒定律、非飽和土壤水流動(dòng)的達(dá)西定律、熱傳導(dǎo)理論及一定的假設(shè)條件構(gòu)建了季節(jié)性凍土水熱耦合運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用有限差分法對(duì)季節(jié)性凍土一維垂向水熱耦合運(yùn)移進(jìn)行了數(shù)值模擬及結(jié)果檢驗(yàn)。結(jié)果表明：一維季節(jié)性凍土水熱耦合運(yùn)移的數(shù)值模擬結(jié)果存在一定誤差，但模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差較小，并且土壤剖面

7、含水量和溫度模擬值的變化規(guī)律與實(shí)測(cè)值基本一致。數(shù)值模擬效果表明本文所建立的季節(jié)性凍土水熱耦合運(yùn)移模型合理、參數(shù)確定及數(shù)值模擬方法比較可靠。
　　 （4）在充分分析雪被-土壤聯(lián)合體水熱運(yùn)移機(jī)理的基礎(chǔ)上，根據(jù)前人研究成果構(gòu)建了一維雪被-土壤聯(lián)合體水熱耦合運(yùn)移模型，制定了模型參數(shù)化方案，并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明：一維雪被-土壤聯(lián)合體水熱耦合運(yùn)移數(shù)值模擬存在較大誤差，但模擬值與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差尚可接受且變化規(guī)律相近，本文所建