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

1、在我國東北、西北和西南等廣大地區(qū)，冬季通常會有一層相對穩(wěn)定的雪被覆蓋于凍結土壤表面，雪被覆蓋條件下的季節(jié)性凍土水分運移和熱量傳輸具有獨特的性質，需將雪被和季節(jié)性凍融土壤視為一個聯(lián)合體進行整體研究。同時，水分、熱量在雪被.土壤聯(lián)合體中的運移、存儲和轉化是自然界水循環(huán)中的一個重要環(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，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。然而，在理論基礎、技術方法、實際應用等各方面，面向農(nóng)業(yè)的雪被覆蓋條件下季節(jié)性凍土水熱運移

2、的研究還存在許多問題亟待解決。
　　 針對雪被覆蓋條件下季節(jié)性凍土水熱運移研究中存在的問題，結合哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金資助項目“雪被覆蓋條件下農(nóng)田土壤水熱耦合運動規(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象，通過田間試驗與理論分析相結合的方法，深入研究了聯(lián)合體中水熱耦合運移的變化規(guī)律、數(shù)學模型及數(shù)值模擬。
　　 本文的主要研究內容、具體方法、分析結

3、果及研究結論如下：
　　 （1）根據(jù)野外試驗實測資料，運用對比分析和統(tǒng)計分析的方法，對季節(jié)性凍土水分運移的驅動力、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的關系、土壤剖面溫度、總含水量及液態(tài)含水量的變化規(guī)律、雪被覆蓋對土壤溫度、含水量的影響等問題進行了詳細探討。結果表明：季節(jié)性凍土水分沿土水勢減小的方向運移，地面溫度與氣溫相關性較高且對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、融化過程密切相關，季節(jié)性凍土區(qū)土壤凍融作用導致了土壤水分的重分布，雪被覆蓋對土壤與大氣之間的熱交換具有阻滯作用，對土壤剖面（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土壤表層含水量有顯著影響。以上分析結果與結論可為數(shù)學模型構建及數(shù)值模擬計算中合理假設條件的制定、初始及邊界條件的簡化、水熱運移參數(shù)的確定等提供重要依據(jù)。

5、　　 （2）運用地統(tǒng)計學的理論與方法，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構和空間分布規(guī)律進行了分析和研究。結果表明：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構和空間相關性，土壤凍融過程影響兩種含水量的空間相關性和變程，受凍融過程影響凍結狀態(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)出較大的隨機性。地統(tǒng)計學理論能夠

6、很好的刻畫季節(jié)性凍土水分的空間變異性，可為凍土水分運移的機理研究提供新的思路。
　　 （3）從季節(jié)性凍土水熱運移的機理出發(fā)，基于質量守恒原理、能量守恒定律、非飽和土壤水流動的達西定律、熱傳導理論及一定的假設條件構建了季節(jié)性凍土水熱耦合運移數(shù)學模型，運用有限差分法對季節(jié)性凍土一維垂向水熱耦合運移進行了數(shù)值模擬及結果檢驗。結果表明：一維季節(jié)性凍土水熱耦合運移的數(shù)值模擬結果存在一定誤差，但模擬值與實測值的平均相對誤差較小，并且土壤剖面

7、含水量和溫度模擬值的變化規(guī)律與實測值基本一致。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)合體水熱運移機理的基礎上，根據(jù)前人研究成果構建了一維雪被-土壤聯(lián)合體水熱耦合運移模型，制定了模型參數(shù)化方案，并進行了數(shù)值模擬分析和驗證。結果表明：一維雪被-土壤聯(lián)合體水熱耦合運移數(shù)值模擬存在較大誤差，但模擬值與實測值的絕對誤差尚可接受且變化規(guī)律相近，本文所建