土壤水冻融机理的室内实验及数值模拟研究

发布时间：2020-09-03 17:55

　　 土壤在冻融过程中存在复杂的水-热运移规律和机理,为研究冻融过程中土壤含水率、温度、导热系数的变化规律,本文进行冻融过程中水-热变化规律的砂柱实验研究,并且用SHAW模型(土壤水热模型)对实验结果进行模拟预测。土壤水-热变化研究实验选用石英砂为介质,将砂样按配重填满有机玻璃柱,将土柱放入冻融循环箱中,通过控制箱体温度进行单向冻结;运用5TM传感器实时监测砂柱垂向上温度,含水率在冻融过程中的变化。实验表明土壤冻结过程是一个放热冷却的过程,砂样中的热量传输方向是从深部导向浅部,冻结锋面会从浅层土壤逐渐向下迁移,在冻结锋面处会发生液态水转化成冰的相变现象,此时会有一部分热量释出(固液相变发热),由于浅部砂样的温度远低于土柱深处,砂样中会有一部分液态水聚集在冻结锋面处,会使得热量传送较快一些,因此土柱冻结过程持续时间要短一些。各层土壤的体积含水率都经历了一个急剧降低,保持稳定,缓慢上升的过程;经历一个冻融循环之后,土柱内部的水分有一个向上迁移的趋势,10cm、15cm处的含水率有一个明显的水分聚集的现象,而深部20cm处土样的含水率有一定降低。从实验数据分析得出,土壤发生完全冻结后,仍会有一定的液态水存在,这些可能是贮藏在孔隙中的结合水以及附着在冰里面的极难冻结的液态水。利用KD2 Pro导热仪监测导热系数在多次冻融过程中的变化,实验研究发现:砂样的导热系数会随着土壤含水率的增大而增大;当三种砂样的体积含水率相同时,土壤的导热系数会随着土壤干密度的增大而增大;同一种砂样在同一含水率的条件下,冻结状态的导热系数会远大于融化状态下的导热系数,并且含水率越高这种现象越是明显。利用SHAW模型结合已有实验数据对土壤温度、含水率进行更为广泛的模拟,对饱和状态下砂柱水热迁移规律进行初步的探究。结果表明模型能够对土壤含水率和温度进行良好的拟合,并且能预测各时间段土壤的冻结深度,可用来进行更深层土壤水热模拟。本文为土壤冻融过程室内实验提供了基本实验流程、案例并结合初步实验结果阐述冻融过程中水热迁移的现象以及物理过程。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S152
【部分图文】：

顶板冻结温度越低，冻结锋面处水分积聚就越多。原国红（2发生冻结时浅层土壤率先降温，此时土壤中存在的能量平衡在未冻动层温度场会发生重新分布的现象，因此导致土壤水分的迁移。土实验的开展2014）等人通过对青藏高原地区监测站提供的相关资料，对高海拔热运移现象分析：土壤水分迁移是由于温度变化引起，冬季土壤温壤升高温度都会引起水分迁移。冬季活动层发生冻结时段，活动层面都会有水分积聚现象，活动层中部土壤水分则会减小；夏季气温逐渐融化，使得其底部水分积聚，部分水分会向融化锋面处迁移。古拉多年冻土区进行一年间活动层土壤温度与水分数据的监测，探水分场分布特点及活动层冻融过程对于水分运移现象的影响。

站点表层土壤含水率、温度、导热系数、比热容变化利用在阿拉斯加北部监测站记录季节冻土区表层以及比热容的变化，通过图形分析可以发现在冻导热系数突变的现象，甚至可以达到融化期间导期间潜热的影响而产生的热流变化，导致土壤导路线自然科学基金项目“多年冻土热力稳定性对气候理”。在水力学实验室开展模拟季节性冻土冻融特不同种类砂样在冻融过程中土壤含水率、土壤温

使用自制冻融箱来进行室内温度调控，利用 5TM 传感器和 K。方法与材料料格 20~40 目、80~120 目），工地砂样，采购于北京博德建材有器：本实验中用来监测土壤温度、含水量的传感器由美国 Deca司）于 2006 年研发的 5TM 传感器，图 2-1 所示。5TM 传感器振荡波，通过测量周围土壤的介电常数的数值，体积含水量与参数之间对应的 Top 方程反算出体积含水量。5TM 传感器前端阻用来测定土壤温度。

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本文编号：2811760