西北季节冻土区浅层土体冻融过程及水热变化对气候的响应
发布时间：2021-10-08 16:04
在我国西北干旱、半干旱地区,由于气候的特点,浅层土壤的物理力学性质受其影响较大,会因此发生很大的改变,并影响着土壤结构的稳定性,由此导致一系列的工程问题。大气与地表发生着强烈水热交换及相互作用是工程问题产生的主要原因之一,因此,分析和探讨气候变化条件下的水热运移规律,可揭示土壤内部水分与能量变化的机理,对工程中遇到的地质灾害问题具有一定的指导意义。本文以黄土高原渭河流域西部黄土丘陵沟壑区为研究区域,建立了野外观测场地,对该区域浅层非饱和土体冻融过程及水热变化规律对气候变化的响应进行了研究与分析,基于水分和能量平衡方程,结合气象数据,建立了一维数值模型,利用该模型对研究区各观测点的土壤温度和含水量进行了模拟。主要研究结论如下:（1）土壤温度与气温呈正相关,就全年而言,可分为春夏季吸热阶段和秋冬季放热阶段;气温对地温的影响随深度的增加而减弱,地温振幅随深度增加按指数规律衰减且温度波的相位随深度的增加而滞后;不同深度土壤温度的变化速率随土壤深度的增加呈递减趋势,总体上降温过程要比升温过程平缓。（2）该研究区裸露地表土壤的最大冻结深度约在2050cm之间;不同深度土壤冻结...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
土壤水分及温度传感器
（a）HOBO 测地温 （b）HOBO 气象站 （c）HOBO 水分传感器 （d）传感器布设图 2.2 试验现场布置图2.2.2 试验方法针对本课题的研究特点，采用野外试验与室内试验相结合，以野外试验为主的研究方式，同时利用 COMSOL Multiphysics 有限元软件进行数值模拟。通过对试验数据的系统分析以及与模拟数据对比，揭示气温、降水变化及冻融过程下非饱和土土壤的温度、水分动态变化特征。2.3 土壤基本物理性质的测定2.3.1 土壤天然含水量及密度在试验场地边挖边逐层依次向下取土样，样品采集深度如表 2.3 所示，取各土层代表性的土样约 40～60g，依照土工试验步骤，采用烘干法，测定各土层的天然含水量，并利用环刀法现场测定其天然密度，同时在各土层取足够质量的土样密封好，带回实验室用于测试颗粒组成及相关物理指标等。现场取样及测定如下图 2.3。经测定，各深度土层的天然含水量及密度如表 2.3。
（a）天然含水量测定 （b）天然密度测定图 2.3 现场取样及测定表 2.3 不同深度处土壤天然含水量及密度/cm 天然含水量/% 天然密度/(g/cm3) 干8.44 1.35 15.25 1.22 15.64 1.48 13.44 1.56 0 12.94 1.68 0 14.21 1.58 0 15.25 1.57 0 13.94 1.50 0 13.08 1.66 0 13.57 1.53
【参考文献】：
期刊论文
[1]青藏高原典型多年冻土区的一维水热过程模拟研究[J]. 马启民,黄滢冰,南卓铜,吴小波. 冰川冻土. 2016(02)
[2]土壤冻融过程中的多层水热耦合模拟研究[J]. 李佳,周祖昊,王浩,王康. 水文. 2016(01)
[3]土壤水热耦合模型全隐式差分格式及其数值模拟[J]. 奚茜,盛炎平,王爱文. 北京信息科技大学学报(自然科学版). 2016(01)
[4]秸秆覆盖对季节性冻融期土壤水分特征的影响[J]. 付强,李铁男,李天霄,崔嵩. 农业机械学报. 2015(06)
[5]季节性冻融土壤水热耦合运移模拟[J]. 郭志强,彭道黎,徐明,邱帅. 土壤学报. 2014(04)
[6]冻融期秸秆覆盖量对土壤剖面水热时空变化的影响[J]. 陈军锋,郑秀清,秦作栋,刘萍,臧红飞,孙明. 农业工程学报. 2013(20)
[7]沥青路面冻土路基的水分积累过程分析[J]. 张中琼,吴青柏,温智,刘永智,陆子建. 中国公路学报. 2013(02)
[8]大气作用下膨胀土地基的水分迁移与胀缩变形分析[J]. 赵艳林,曾召田,吕海波. 防灾减灾工程学报. 2011(06)
[9]开放系统下饱和正冻土热质迁移的数值分析[J]. 周家作,李东庆,房建宏,徐安花. 冰川冻土. 2011(04)
[10]低温及冻融环境下岩体热、水、力特性研究进展与思考[J]. 陈卫忠,谭贤君,于洪丹,袁克阔,李术才. 岩石力学与工程学报. 2011(07)
博士论文
[1]冻土冻融过程水热迁移特性的数值模拟及实验研究[D]. 宋文宇.哈尔滨工业大学 2016
[2]干旱地域地下水浅埋区土壤水分变化规律研究[D]. 朱红艳.西北农林科技大学 2014
[3]冻融土壤水热盐运移规律及其SHAW模型模拟研究[D]. 李瑞平.内蒙古农业大学 2007
[4]大气作用下膨胀土边坡的响应试验与灾变机理研究[D]. 陈建斌.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2006
硕士论文
[1]大气作用下非饱和黄土路基湿度变化及影响因素研究[D]. 孙金龙.兰州交通大学 2016
[2]季节性冻融作用诱发黄土滑坡机理[D]. 史斯文.长安大学 2015
[3]大气作用下土体强度衰减及裂隙开展研究[D]. 陈承佑.广西大学 2012
[4]科尔沁沙地坨甸相间地区土壤水热耦合运移试验模拟[D]. 王海玲.内蒙古农业大学 2005
本文编号：3424498
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
土壤水分及温度传感器
（a）HOBO 测地温 （b）HOBO 气象站 （c）HOBO 水分传感器 （d）传感器布设图 2.2 试验现场布置图2.2.2 试验方法针对本课题的研究特点，采用野外试验与室内试验相结合，以野外试验为主的研究方式，同时利用 COMSOL Multiphysics 有限元软件进行数值模拟。通过对试验数据的系统分析以及与模拟数据对比，揭示气温、降水变化及冻融过程下非饱和土土壤的温度、水分动态变化特征。2.3 土壤基本物理性质的测定2.3.1 土壤天然含水量及密度在试验场地边挖边逐层依次向下取土样，样品采集深度如表 2.3 所示，取各土层代表性的土样约 40～60g，依照土工试验步骤，采用烘干法，测定各土层的天然含水量，并利用环刀法现场测定其天然密度，同时在各土层取足够质量的土样密封好，带回实验室用于测试颗粒组成及相关物理指标等。现场取样及测定如下图 2.3。经测定，各深度土层的天然含水量及密度如表 2.3。
（a）天然含水量测定 （b）天然密度测定图 2.3 现场取样及测定表 2.3 不同深度处土壤天然含水量及密度/cm 天然含水量/% 天然密度/(g/cm3) 干8.44 1.35 15.25 1.22 15.64 1.48 13.44 1.56 0 12.94 1.68 0 14.21 1.58 0 15.25 1.57 0 13.94 1.50 0 13.08 1.66 0 13.57 1.53
【参考文献】：
期刊论文
[1]青藏高原典型多年冻土区的一维水热过程模拟研究[J]. 马启民,黄滢冰,南卓铜,吴小波. 冰川冻土. 2016(02)
[2]土壤冻融过程中的多层水热耦合模拟研究[J]. 李佳,周祖昊,王浩,王康. 水文. 2016(01)
[3]土壤水热耦合模型全隐式差分格式及其数值模拟[J]. 奚茜,盛炎平,王爱文. 北京信息科技大学学报(自然科学版). 2016(01)
[4]秸秆覆盖对季节性冻融期土壤水分特征的影响[J]. 付强,李铁男,李天霄,崔嵩. 农业机械学报. 2015(06)
[5]季节性冻融土壤水热耦合运移模拟[J]. 郭志强,彭道黎,徐明,邱帅. 土壤学报. 2014(04)
[6]冻融期秸秆覆盖量对土壤剖面水热时空变化的影响[J]. 陈军锋,郑秀清,秦作栋,刘萍,臧红飞,孙明. 农业工程学报. 2013(20)
[7]沥青路面冻土路基的水分积累过程分析[J]. 张中琼,吴青柏,温智,刘永智,陆子建. 中国公路学报. 2013(02)
[8]大气作用下膨胀土地基的水分迁移与胀缩变形分析[J]. 赵艳林,曾召田,吕海波. 防灾减灾工程学报. 2011(06)
[9]开放系统下饱和正冻土热质迁移的数值分析[J]. 周家作,李东庆,房建宏,徐安花. 冰川冻土. 2011(04)
[10]低温及冻融环境下岩体热、水、力特性研究进展与思考[J]. 陈卫忠,谭贤君,于洪丹,袁克阔,李术才. 岩石力学与工程学报. 2011(07)
博士论文
[1]冻土冻融过程水热迁移特性的数值模拟及实验研究[D]. 宋文宇.哈尔滨工业大学 2016
[2]干旱地域地下水浅埋区土壤水分变化规律研究[D]. 朱红艳.西北农林科技大学 2014
[3]冻融土壤水热盐运移规律及其SHAW模型模拟研究[D]. 李瑞平.内蒙古农业大学 2007
[4]大气作用下膨胀土边坡的响应试验与灾变机理研究[D]. 陈建斌.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2006
硕士论文
[1]大气作用下非饱和黄土路基湿度变化及影响因素研究[D]. 孙金龙.兰州交通大学 2016
[2]季节性冻融作用诱发黄土滑坡机理[D]. 史斯文.长安大学 2015
[3]大气作用下土体强度衰减及裂隙开展研究[D]. 陈承佑.广西大学 2012
[4]科尔沁沙地坨甸相间地区土壤水热耦合运移试验模拟[D]. 王海玲.内蒙古农业大学 2005
本文编号：3424498
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