压砂地土壤热量的数值模拟研究

发布时间：2020-11-22 05:59

　　 在农业生产中,土壤的热环境对作物生长具有极其重要的作用。土壤耕作层的温度对作物的生长状况有显著的影响,合理调控土壤温度对于农业生产是极其必要的。鉴于此,本文以西北旱区压砂地为研究对象,基于VADOSE/W有限元软件,分析了压砂地土壤的热性质,提出了一种利用土壤温度计算土壤热通量的研究方法,最后揭示了春小麦全生育期不同时段内土壤温度、温差和温度梯度随时间的分布规律。主要内容如下:(1)基于VADOSE/W软件,建立了土壤大气传热模型,对西北黄土高原皋兰县、新疆某地以及西藏自治区日喀则地区的土壤温度进行了数值模拟验证,结果表明:模拟值与实测值的相关系数介于0.9496~0.9980之间,拟合效果良好,吻合度高,可以用数值模拟结果代替试验结果进行分析。(2)利用VADOSE/W有限元软件,研究了恒定热源以及外界大气温度对土壤热性质的影响,得出了土壤温度时空分布序列,并利用有限差分法以及传统的正弦数学模型分析了裸地和压砂地的土壤热扩散率与土壤热通量。结果表明:覆砂和裸地土壤温度的日变化在不同深度与时间呈正弦函数,在深层土壤温度振幅较小;在恒定热源下,覆砂和裸地的土壤在不同深度的土壤热扩散率呈现一定差异,土壤热扩散率均随土壤深度增加而增大,且随着时间变化逐渐趋向稳定;在日气温变化条件下,浅层土壤热通量较深层变化幅度更大。压砂地的土壤热通量变化幅度小于裸地,覆砂可减弱外界环境对土壤内部热性质的影响。(3)采用数值模拟的研究方法,对压砂地春小麦生育期的土壤温度的时空分布规律进行了模拟。结果表明:在7:00及14:00,不论是否覆砂,土壤温度与土壤深度的关系可用线性关系或二次函数关系表述。(4)采用数值模拟的研究方法,对压砂地春小麦全生育期覆砂与裸土土壤温差及温度梯度进行了研究。结果表明:在0:00至7:00期间,春小麦各生育期内各层土壤温差、温度梯度为正,表明土壤表面覆砂在夜间具有保温作用;随着太阳高度逐渐升高,各层土壤温差、温度梯度均为负值;在夜晚22:00,各层土壤温差、温度梯度有变为正值的趋势。温差波动范围在±3℃以内,温度梯度直接反映出热量的垂直传输情况,表明土壤表面覆砂在春小麦全生育期内早晨和夜间可有效保持土壤温度,在午间对热量有阻抗作用,研究结果可为压砂地春小麦土壤温度的有效调控提供理论指导。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：S152
【部分图文】：

压砂地土壤热量的数值模拟研究12一种传统的正弦分析方法，是研究土壤传热重要的数学模型。土壤温度在任何时间和深度可由下式计算[30,31]：,00expsinωztavezzTTAttDD(2.7)式中：Tave代表一个周期内土壤表面平均温度(℃)；A(0)代表土壤温度振幅(℃)；t0代表滞后时间(s)；ω代表一个周期24小时的角频率(sec-1)；D代表阻尼深度(m)，且02;DD2式中：代表温度波动周期(h)；D0代表热扩散率(m2·s-1)。土壤热通量可由式(2.6)、式(2.7)得出式(2.8)[30]：02,0/4zGztAkexpzDsinttDD(2.8)2.4.3利用有限差分法分析土壤热扩散率土壤温度是空间和时间的连续函数，可以采用有限差分法[6]离散时间和空间，为此我们建立正交的空间x轴和时间t的直角坐标系，如图2.4所示，沿x方向等分n个单元，节点编号为i,i=0,1,2,…,n，步长为x。沿y方向等分时间步长为t的时段，编号为j,j=0,1,2,…图2.4有限差分网格对于式（2.5），可以使用显示差分格式，求得热扩散率为：

压砂地土壤热量的数值模拟研究14第3章土壤温度的数值模拟与验证土壤温度是土壤内部热量状态的重要研究对象，也是研究土壤热量的重要参数。土壤的温度直接影响作物生长，也可因对植物光合作用、水分含量等影响而间接使作物受到影响，其中耕作层土壤温度的影响尤为重要。本章利用数值模拟的方法，对不同学者的实验结果进行了模拟，验证了VADOSE/W软件的可靠性。3.1实例1本实例验证的砂石粒径大小0.3~1cm，对覆砂厚度为7cm的土壤在5cm和10cm深处的温度进行了模拟验证[70]。3.1.1模拟条件所需要的土壤数据来自文献[70]，土壤采自西北黄土高原(皋兰县)，土壤类型为壤土(12%砂粒、67%粉粒、21%粘粒)，上层1.6m土壤的平均容重为1.33g/cm3。模型设计长宽均为0.5m，深0.5m，但由于模拟验证经常受到实测资料的限制，覆盖材料和土壤选用软件内置的材料。土壤初始温度根据每一次的模拟结果确定，直到模拟值和测试值有较高的相关性为止，本模型土壤和砂石的初始温度设定在18℃~24.62℃之间，设定时应尽量符合实际，并且根据外界气温条件合理确定模型所用材料的温度初始值。本模型输入大气温度作为模拟设定的热边界条件，持续24h。大气温度数据参考于气象网站，不考虑降雨。3.1.2模型建立及网格划分图3.1几何模型首先设定全局单元尺寸0.1m，然后指定模型区域，土壤剖面深0.5m，宽0.5m，覆砂厚度为7cm，如图3.1所示，网格划分选择四边形网格，则在区域内形成四边形网格；模型共生成2958个节点，2850个网格，在砂石材料表层加载热边界条件。砂石土壤

压砂地土壤热量的数值模拟研究183.2.2模型建立及网格划分图3.4几何模型设定全局单元尺寸0.01m，然后选定指定模型区域，土壤剖面深0.25m，宽0.5m，如图3.4所示，选择四边形结构化网格；模型共生成1635个节点，1586个网格，在土壤表层加载热边界条件。3.2.3模型参数0.010.111010010000.100.150.200.250.300.350.40体积含水量（m3/m3）基质吸力(kPa)0.010.111010010001E-111E-101E-91E-81E-71E-6X-传导率(m/sec)基质吸力(kPa)a)土壤体积含水量函数b)土壤渗透系数函数0.00.20.40.60.81.01.11.21.31.41.51.61.71.8导热系数(J/(sec·m·))℃体积含水量（m3/m3）c)土壤热传导函数图3.5土壤体积含水量函数、渗透系数函数和热传导函数由于模拟验证经常受到实测资料的限制，土壤材料选择软件内置材料中的粘土材料，参考相关学者的研究[80]设定合理的参数，土壤饱和含水量为0.3636m3/m3，土壤渗透系数为2.8×10-3cm/min。估计热传导函数需要使用导热系数，并结合对土壤热导率已有的相关研究[81]，本模型粘土导热系数输入0.8J/(sec·m·℃)，此模型只有裸土模型，用到了体积含水量函数、渗透系数函数和热传导函数等，如图3.5所示。1.24℃土壤3.33℃土壤5.17℃土壤6.88℃土壤8.55℃土壤
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本文编号：2894240