季节性冻土区雪被-土壤联合体水热耦合运移规律及数值模拟研究

摘要

在我国东北、西北和西南等广大地区，冬季通常会有一层相对稳定的雪被覆盖于冻结土壤表面，雪被覆盖条件下的季节性冻土水分运移和热量传输具有独特的性质，需将雪被和季节性冻融土壤视为一个联合体进行整体研究。同时，水分、热量在雪被.土壤联合体中的运移、存储和转化是自然界水循环中的一个重要环节，在农业、水资源、环境系统中占有极其重要的地位，对农业生产具有重要意义。然而，在理论基础、技术方法、实际应用等各方面，面向农业的雪被覆盖条件下季节性冻土水热运移的研究还存在许多问题亟待解决。
　　 针对雪被覆盖条件下季节性冻土水热运移研究中存在的问题，结合哈尔滨市科技创新人才研究专项资金资助项目“雪被覆盖条件下农田土壤水热耦合运动规律及其数值模拟研究（No.RC2010XK002013）”，本文以雪被-土壤联合体中的水分和热量为研究对象，通过田间试验与理论分析相结合的方法，深入研究了联合体中水热耦合运移的变化规律、数学模型及数值模拟。
　　 本文的主要研究内容、具体方法、分析结果及研究结论如下：
　　 （1）根据野外试验实测资料，运用对比分析和统计分析的方法，对季节性冻土水分运移的驱动力、土壤季节性冻融过程中地面温度的变化规律、地面温度与土壤中温度场的关系、土壤剖面温度、总含水量及液态含水量的变化规律、雪被覆盖对土壤温度、含水量的影响等问题进行了详细探讨。结果表明：季节性冻土水分沿土水势减小的方向运移，地面温度与气温相关性较高且对土壤表层温度影响较大，冻融期日平均地面温度总体上呈开口向上的抛物线型，而地面温度日变化则在不同时期表现出不同的变化规律，土壤已冻层中的总含水量、液态含水量的变化与土壤冻结、融化过程密切相关，季节性冻土区土壤冻融作用导致了土壤水分的重分布，雪被覆盖对土壤与大气之间的热交换具有阻滞作用，对土壤剖面（特别是土壤表层）热状况影响显著，而雪被覆盖仅在融化期才对土壤表层含水量有显著影响。以上分析结果与结论可为数学模型构建及数值模拟计算中合理假设条件的制定、初始及边界条件的简化、水热运移参数的确定等提供重要依据。
　　 （2）运用地统计学的理论与方法，通过季节性冻土水分半方差分析及空间分布图的绘制，分别对季节性冻土区土壤冻融过程中剖面总含水量及液态含水量的空间变异结构和空间分布规律进行了分析和研究。结果表明：季节性冻土总含水量与液态含水量具有良好的空间结构和空间相关性，土壤冻融过程影响两种含水量的空间相关性和变程，受冻融过程影响冻结状态下土壤两种含水量均表现出一定的空间分布规律，土壤融化后表层含水量的空间分布表现出较大的随机性。地统计学理论能够很好的刻画季节性冻土水分的空间变异性，可为冻土水分运移的机理研究提供新的思路。
　　 （3）从季节性冻土水热运移的机理出发，基于质量守恒原理、能量守恒定律、非饱和土壤水流动的达西定律、热传导理论及一定的假设条件构建了季节性冻土水热耦合运移数学模型，运用有限差分法对季节性冻土一维垂向水热耦合运移进行了数值模拟及结果检验。结果表明：一维季节性冻土水热耦合运移的数值模拟结果存在一定误差，但模拟值与实测值的平均相对误差较小，并且土壤剖面含水量和温度模拟值的变化规律与实测值基本一致。数值模拟效果表明本文所建立的季节性冻土水热耦合运移模型合理、参数确定及数值模拟方法比较可靠。
　　 （4）在充分分析雪被-土壤联合体水热运移机理的基础上，根据前人研究成果构建了一维雪被-土壤联合体水热耦合运移模型，制定了模型参数化方案，并进行了数值模拟分析和验证。结果表明：一维雪被-土壤联合体水热耦合运移数值模拟存在较大误差，但模拟值与实测值的绝对误差尚可接受且变化规律相近，本文所建立的一维雪被-土壤联合体水热耦合运移模型及参数化方案尚需进一步改进。
　　 综上所述，对季节性冻土区雪被-土壤联合体水热耦合运移规律、数学模型及数值模拟的研究，不仅能揭示季节性冻土区雪被覆盖条件下的土壤水热耦合运移规律、刻画冻融过程中的土壤水热状况，而且能为季节性冻土区农业土壤水热资源的有效利用，地表水、地下水资源评价，水土保持，环境保护等方面的研究提供理论支撑和科学依据。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

1 引言

1.1 立题依据

1.2 研究的目的和意义

1.3 国内外研究动态

1.3.1 冻融期土壤水热运移

1.3.2 雪被中的水热运移

1.3.3 存在的问题及发展趋势

1.4 主要研究内容及技术路线

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

2 试验方案与方法

2.1 试验区简介

2.1.1 地理位置

2.1.2 气候特征

2.1.3 土壤

2.2 试验方案

2.2.1 土壤水分观测试验

2.2.2 土壤温度与水势观测试验

2.2.3 雪被观测试验

2.3 试验方法

2.3.1 试验观测方法

2.3.2 主要试验仪器

3 季节性冻土区土壤水热运移规律分析

3.1 季节性冻土水分运移的驱动力分析

3.1.1 季节性冻土中水的赋存状态

3.1.2 季节性冻土中水分的迁移区域

3.1.3 季节性冻土水分迁移的驱动力

3.2 季节性冻土区土壤温度的变化规律

3.2.1 地面温度变化规律

3.2.2 地面温度与土壤中温度场的关系

3.2.3 土壤剖面温度变化规律

3.3 季节性冻土区土壤总含水量的变化规律

3.3.1 冻融交替阶段

3.3.2 冻结发展阶段

3.3.3 融化阶段

3.4 季节性冻土区土壤液态含水量的运移规律

3.5 雪被覆盖对土壤水热运移的影响

3.5.1 雪被对土壤温度的影响

3.5.2 雪被对土壤含水量的影响

3.6 小结

4 季节性冻土剖面水分的空间变异性分析

4.1 地统计学

4.1.1 地统计学的概念

4.1.2 地统计学的发展历史及现状

4.1.3 地统计学的基本理论

4.2 土壤剖面总含水量的空间变异性分析

4.2.1 半方差分析

4.2.2 空间变异特征分析

4.3 土壤剖面液态含水量的空间变异性分析

4.3.1 半方差分析

4.3.2 空间变异特征分析

4.4 小 结

5 季节性冻土水热耦合运移模型的构建

5.1 数学模型

5.2 季节性冻土水热耦合运移模型简介

5.2.1 理论基础

5.2.2 季节性冻土水热迁移的主要物理过程

5.3 季节性冻土水热耦合运移模型的构建

5.3.1 基本假设

5.3.2 季节性冻土水分运动基本方程

5.3.3 季节性冻土热流基本方程

5.3.4 季节性冻土水热耦合方程

5.3.5 一维季节性冻土水热耦合运移模型

5.4 季节性冻土水热耦合运移模型的参数

5.4.1 冻土水分运动参数

5.4.2 冻土热特性参数

5.5 小 结

6 季节性冻土水热耦合运移的数值模拟

6.1 季节性冻土水热耦合运移的数值模拟方法

6.2 一维季节性冻土水热耦合运移的差分方程

6.2.1 季节性冻土水分运移的差分方程

6.2.2 季节性冻土水热耦合的差分方程

6.2.3 线性化方法及半结点参数取值

6.2.4 季节性冻土水热耦合运移模型求解步骤

6.3 初始、边界条件及参数确定

6.3.1 初始条件

6.3.2 边界条件

6.3.3 季节性冻土水分特性参数的确定

6.3.4 季节性冻土热特性参数的确定

6.4 差分方程的修正

6.5 数值模拟的结果及检验

6.6 小结

7 雪被-土壤联合体水热耦合运移的数值模拟

7.1 雪被能量平衡方程

7.2 雪被水量平衡方程

7.2.1 雪层中液态水的出流量

7.2.2 雪层密度变化

7.3 大气边界条件

7.3.1 太阳辐射

7.3.2 长波辐射

7.4 雪被能量平衡差分方程

7.5 定解条件

7.5.1 边界条件

7.5.2 初始条件

7.6 数值模拟的结果及检验

7.7 小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文