科尔沁沙地沙丘—草甸地冻融期土壤水热动态变化规律及其数值模拟研究

摘要

在季节性冻土区，土壤水分的冻结和融化必然伴随着水分运移、热量交换等复杂的物理过程。本文以连续动态的观点和定量的方法，主要依托国家自然基金项目“科尔沁沙地（沙丘—草甸地）冻融期土壤水-热-盐耦合运移机理及其模拟方法”(51169012)和“寒旱区冻融期土壤水—热—盐—能耦合运移的野外试验与模拟”(50769003)，分析了季节性冻融期沙丘—草甸地土壤水热动态变化规律和影响其土壤冻融过程的主要因素，应用多元线性回归模型和SHAW模型模拟其土壤水热动态变化规律。取得的主要成果如下:
　　(1)科尔沁沙地沙丘-草甸地土壤的季节性冻结、融化过程可分为不稳定冻结、稳定冻结和消融解冻三个阶段，冻融特点表现为单向冻结和双向融化。沙丘地的冻结与融解速度均明显大于草甸地，草甸地尽管冻结融解持续时间长，但冻深较浅。
　　(2)分析土壤冻融期间沙丘-草甸地土壤剖面的日变化和季节变化，结果表明具有温度日变化的土层，日变幅受外界气温影响且随着深度增大而减小，昼夜气温温差越大，日变幅越大。草甸地相同深度的土壤温度日变幅比沙丘要小，土壤垂直剖面各土层温度的变化存在滞后性，且滞后时间随深度的增加而增大。并且草甸地由于受植被覆盖、土壤类型、植被根系以及地下水位埋深的影响，土壤剖面温度随气温的变化比沙丘地缓和，在平抑气温变化和调节土壤温度等方面优于沙丘地。
　　(3)冻结期上层土壤首先冻结并聚集水分，融化期水分向冻结锋面运移，越靠近冻层水分含量越大。冻融期草甸地的含水率变化幅度比沙丘地大，土壤水分的运移速度明显比沙丘地要慢。冻融期间从地表到最大冻结深度范围内随着深度的增加土壤特征值含水率越来越不显著。冻融期前后土壤剖面各层储水量基本都有一定程度的增加，有利于春季植被返青。
　　(4)冻融期内土壤地面温度升降变化趋势与气温基本一致，总体上先减小后增大，草甸地地面温度波动性比沙丘要小;地表负积温与土壤冻融深度存在非常显著的相关关系。
　　(5)多元线性回归模型能够较好的模拟冻结融解期沙丘-草甸地土壤温度和含水率，是适合冻融期沙丘-草甸地土壤水热模拟的简便工具，而SHAW模型对科尔沁沙地沙丘土壤冻融过程的模拟更具有优势，能够比较成功地模拟自然条件下冻融期沙丘土壤水热运移过程。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究动态

1．2．1 冻融期土壤水热耦合运移研究进展

1．2．2 SHAW模型研究进展

1．2．3 存在的问题及发展趋势

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 论文内容

1．3．2 技术路线

2 冻融土壤水热运移试验

2．1 试验区概况

2．2 试验条件

2．2．1 研究区气象特征

2．2．2 试验期气象条件

2．3 试验方案及试验方法

2．3．1 试验点布设及分类

2．3．2 试验仪器及方法

3 科尔沁沙地沙丘-草甸地冻融期土壤水热运移特征分析

3．1 土壤中水分类型及冻融机理

3．1．1 土壤中水分的类型和性质

3．1．2 土壤冻融机理

3．2 沙丘-草甸地土壤冻融阶段的划分及冻深变化

3．3 冻融期沙丘-草甸地土壤温度变化规律

3．3．1 土壤剖面温度的季节性变化

3．3．2 土壤剖面温度的日变化规律

3．4 冻融过程中土壤水分运移

3．4．1 冻融土壤介质中水分运移机理

3．4．2 冻融期沙丘-草甸地土壤水的赋存状态及运移区域

3．4．3 冻融期土壤剖面含水量的变化规律

3．4．4 土壤特征含水率的变化规律

3．4．5 土壤冻融期前后储水量变化

3．5 土壤剖面水热变化的统计学特征

3．5．1 水热统计参数

3．5．2 土壤剖面水分变化韵统计学特征

3．5．3 土壤剖面温度变化的统计学特征

3．6 本章小结

4 冻融期沙丘-草甸地土壤水热的多元线性回归模型模拟

4．1 影响沙丘-草甸地土壤冻融过程的因素分析

4．2 冻融期环境因素对沙丘-草甸地土壤水热分布的影响

4．2．1 沙丘点A3土壤水热与环境因子的相关性分析

4．2．2 草甸地点C3土壤水热与环境因子的相关性分析

4．3 冻融期沙丘-草甸地土壤水热模拟

4．3．1 沙丘点A3冻融期土壤水热模拟

4．3．2 草甸地点C3冻融期土壤水热模拟

4．4 本章小结

5 冻融土壤水热耦合运移模型—SHAW模型率定与检验

5．1 SHAW模型简介

5．1．1 系统中的能量通量

5．1．2 系统的水量通量

5．1．3 系统上边界能量

5．1．4 下边界条件

5．1．5 数值求解

5．2 SHAW模型建立

5．2．1 气象驱动数据

5．2．2 模拟点基本信息

5．3 SHAW模型的率定

5．4 SHAW模型的检验

5．4．1 模型评估方法

5．4．2 土壤含水率模拟检验

5．4．3 土壤温度模拟检验

5．5 本章小结

6 冻融期沙丘-草甸地土壤水热运移规律的SHAW模型模拟研究

6．1 冻融过程中土壤温度随气温动态变化分析

6．1．1 气温与地表土壤温度的关系

6．1．2 气温对土壤剖面温度动态变化的影响

6．1．3 土壤累积负温对土壤冻结深度的影响

6．2 冻融期沙丘土壤水热的SHAW模型模拟

6．2．1 沙丘点A3冻融过程的SHAW模型模拟

6．2．2 沙丘土壤水分动态变化模拟分析

6．3 冻融期浅层潜水与土壤水运移转化规律及其生态意义

6．4 本章小结

7 结论与建议

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

作者简介