降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响

摘要

高温季节土壤表层温度非常高,土壤内部含水率较低,突发性降雨对于土壤温度动态变化和水热交换运移影响极大.为了揭示降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响,该研究建立了反映降雨入渗过程的土壤热量运移数学模型,编制了有限元数值计算程序,针对南京雨花台区典型土壤,开展了降雨非饱和入渗对土壤热量运移影响的数值计算与分析研究.结果表明:不考虑降雨入渗情况下,土壤温度变化与热量运移主要是表层土壤与环境之间的热交换作用引起,热量运移影响深度约0.2 m;降雨强度45 mm/h作用下,随降雨历时增加,雨水全部自由入渗到土壤内部,土壤内部基质吸力呈线性递减趋势,湿润锋面逐渐下移,土壤体积含水率快速增加;湿润锋过后的土壤体积含水率逐渐接近于饱和体积含水率,土壤入渗能力逐渐下降,直至趋于饱和入渗率;在降雨非饱和入渗影响下,入渗到土壤孔隙中的低温雨水与土壤颗粒发生热量交换,进而改变了原有土壤温度场分布,并随着降雨入渗深度的持续增加,降雨入渗过程对土壤热量运移的影响呈现逐渐减弱趋势.经过现场实测数据与模拟计算结果验证,随着降雨历时增加,土壤体积含水率实测值和数值计算值相对误差保持在±3.99％以内,均方根误差RMSE为0.01 cm3/cm3;土壤温度实测值和数值计算值的相关误差保持在±2.72％以内,均方根误差RMSE为0.55℃,模拟计算结果和现场实测数据均吻合较好,表明该模型对描述降雨非饱和入渗过程土壤热量运移规律的适应性较强,数值计算程序合理.研究成果可为农业水利工程与水土保持、土壤水文水资源的分布与利用、城市水资源控制与生态环境保护等领域提供重要参考.