基于滨海平原区浅层地下水对土壤水汽热耦合运移规律的影响研究

发布时间：2017-03-20 10:06

  本文关键词：基于滨海平原区浅层地下水对土壤水汽热耦合运移规律的影响研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在我国滨海平原地区,地下水埋深较浅且蒸发强烈。受地下水快速补给作用的影响,包气带中发生的各种物理、化学过程尤为复杂,浅部包气带中水汽运移和热量传输具有独特性质,这对该地区植被生态具有至关重要的作用。然而,在理论基础、技术方法等方面,针对滨海地区的浅层地下水对包气带水汽热耦合运移的影响研究还存在许多问题亟待解决。本文以浅层地下水埋深下的土壤水汽及热量为研究对象,通过实验监测与数值模拟相结合的方法,深入研究了不同地下水浅埋条件下土壤水汽热运动参数特征,探讨了浅层地下水对土壤水热运移的影响规律。得到主要结论如下:1.根据野外取样测试及室内实验监测,对不同地下水位埋深下的土壤水汽热运移的驱动力、地表蒸发速率以及土壤含水量变化进行了详细分析。结果表明:非等温蒸发条件下,土壤温度呈周期性波动,且随地下水埋深的增大有总体升高趋势,地下水对土壤根系层温度的调控作用可有效指导植被生长;研究发现在土壤蒸发峰和毛细水上升面之间必然存在基质势恒定面,为蒸发与地下水补给共同作用产生,其对驱动土壤水汽热运移有重要影响;土壤累积蒸发量随地下水埋深的减小而增大,蒸发速率的波幅则随地下水埋深的增加而减小;三种地下水埋深将土壤层分为饱和带、饱和-非饱和过渡带以及完全非饱和带三种类型,饱和带表层汽态水与液态水转化频繁造成土壤含水量波动紊乱,饱和-非饱和过渡带的表层含水量呈显著周期性波动,非饱和带土壤含水量变化不明显。2.采用HYDRUS-1D模型对实验过程进行模拟,结果表明:土壤剖面温度总体拟合较好,土壤含水量的模拟值与实测值较为一致,但浅层(10cm以浅)模拟效果不如深部(大于20cm深处)。这说明浅层地下水埋深条件下的土壤水汽热耦合运移模拟可通过PDV模型较好的实现,且含水量越大拟合效果越好。3.利用RETC软件将VG模型与土壤实测含水量与基质势数据拟合,得到水力特征模型参数。基于PDV模型分析了土壤水热特征参数,结论如下:土壤非饱和导水率呈24小时周期性波动。液态导水率主要受基质势影响,汽态导水率则与温度变化关系密切,且均随地下水埋深的增大而减小。土壤热容量变化与土壤液态水运移关系显著。同一土壤深度的热导率随地下水埋深的增大而减小,分析认为由于含水量增大促使土壤颗粒表面的水膜增多,利于热传导。4.在土壤液态水的运移中,基质势驱动作用最明显,土壤内部等温液态水通量一般超出热液态水通量两个数量级。但在温度梯度较大的湿土中,温度通过改变土壤特性对液态水产生的影响需加以考虑。土壤汽态水运移以温度梯度驱动为主,基质势作用相对很小。汽态水昼夜时空变化中既有聚集型零通量面,也有发散型零通量面。当下边界为浅层地下水时,由热传导及水汽运移影响的土壤热通量变化也十分明显,潜热通量对总热通量的贡献不可忽视。地下水埋深在10-60cm之间,土壤热量昼夜运移至少经历4个阶段。
【关键词】：滨海地区 浅层地下水 水汽热耦合运移 数值模拟 土壤水热特征 零通量面
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S152
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 引言10-28
• 1.1 选题依据10-11
• 1.2 研究意义11-14
• 1.2.1 土壤水运移11
• 1.2.2 土壤汽运移11-12
• 1.2.3 土壤热运移12
• 1.2.4 浅层地下水对土壤水汽热运移的影响12-14
• 1.3 研究进展14-24
• 1.3.1 土壤水热特性参数研究进展14-17
• 1.3.2 土壤水汽热耦合运移研究进展17-20
• 1.3.3 常用水汽热耦合模型简介20-23
• 1.3.4 地下水对土壤水汽热运移影响的研究进展23-24
• 1.4 研究目标与研究内容24-25
• 1.5 技术路线25-26
• 1.6 论文创新之处26-28
• 第二章 浅层土壤非等温蒸发实验研究28-46
• 2.1 实验装置与设备28-30
• 2.1.1 实验装置28-29
• 2.1.2 土壤水汽热在线监测系统29-30
• 2.2 实验方法30-33
• 2.2.1 土样采集预处理30-32
• 2.2.2 实验参数测定方法32-33
• 2.3 实验监测结果33-44
• 2.3.1 土壤物理性质33-34
• 2.3.2 微气象要素34-35
• 2.3.3 土壤含水量35-37
• 2.3.4 土壤温度37-40
• 2.3.5 土壤基质势监测40-42
• 2.3.6 土壤蒸发量监测42-44
• 2.4 小结44-46
• 第三章 土壤水汽热耦合运移模拟46-66
• 3.1 数学模型46
• 3.2 土壤水汽热耦合理论基础46-48
• 3.2.1 质量守恒原理与能量守恒定律47
• 3.2.2 非饱和土壤水流运动的达西定律47-48
• 3.2.3 Fourier定律48
• 3.3 土壤水汽热耦合模型48-60
• 3.3.1 土壤水汽运动方程49-53
• 3.3.2 热传输方程53-56
• 3.3.3 表面能量平衡56-57
• 3.3.4 初始及边界条件57-59
• 3.3.5 数值求解59-60
• 3.4 数值模型建立与验证60-65
• 3.4.1 模型的建立60-62
• 3.4.2 模型的验证62-65
• 3.5 小结65-66
• 第四章 浅层地下水对土壤水热运动参数的影响66-74
• 4.1 水土特征曲线66-67
• 4.2 非饱和导水率67-70
• 4.3 热容量70-71
• 4.4 热导率71-73
• 4.5 小结73-74
• 第五章 浅层地下水对土壤水汽运移影响研究74-92
• 5.1 温度与基质势74-79
• 5.1.1 温度及其梯度时空场74-77
• 5.1.2 基质势及其梯度时空场77-79
• 5.2 土壤液态水通量动态变化79-85
• 5.3 土壤汽态水通量动态变化85-91
• 5.4 小结91-92
• 第六章 浅层地下水对土壤热运移影响研究92-104
• 6.1 大气温湿度92-93
• 6.2 地表热通量93-95
• 6.3 土壤内部热通量95-99
• 6.4 土壤热运移规律99-102
• 6.5 小结102-104
• 第七章 结论与展望104-108
• 7.1 结论104-106
• 7.2 展望106-108
• 附录：符号108-112
• 参考文献112-130
• 发表论文和参加科研情况说明130-132
• 致谢132-133

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