蒸发条件下包气带水热运移模拟研究

摘要

水是国家经济和社会可持续发展的战略性资源。对水资源缺少地区而言，提高水资源评价精度，对水资源合理开发利用起着至关重要的作用。我国西北内陆的干旱半干旱地区，地表水系极不发育，降雨稀少，蒸发强烈，昼夜温差大，生态环境极其脆弱，水资源成为制约当地社会经济发展的重要因素。已有研究表明，该区的水循环以垂向交换为主，蒸发为地下水排泄的主要途径，也是地下水与大气边界水量交换的主要表现形式。在以往的研究中，学者们从水文地质角度，深入研究“降水(蒸发)-地表水-包气带水-地下水”的相互转化机理，取得了丰硕的成果。然而，地温随季节以及昼夜的变化是否对蒸发有影响，影响程度有多大，在数值模拟过程中应该如何处理等这些问题，均有待深入研究。因此，进一步探讨潜水蒸发规律和包气带水热运移机理具有十分重要的理论意义和实际应用价值。 在综合分析已有成果的基础上，本文以包气带水热运移为主线，以多孔介质流体动力学、土壤水分热力学理论为指导，利用自行研制的包气带水热运移模拟装置对温差作用下潜水蒸发过程进行物理模拟，同时结合数值模拟和理论分析等手段，开展潜水蒸发规律和包气带水热运移机理研究，获得了以下成果和认识： 1.为获取水分特征参数和热参数而研制了测试仪器，其测试精度高，数据可信；设计了“稳态法测定土壤介质的热传导率”的实验方法，得到了介质热传导率随含水率的变化关系，打破了以往只能依靠经验公式的局限性。 2.对表示介质热传导率的传统模型进行了改进，建立了表示二者关系的新模型 KT(θ)-KTs-KTr，α+(1-α)exp(βθ)式中首次对模型中的参数赋予了物理含义。 3.对于同种均匀介质而言，潜水稳定蒸发强度E随潜在蒸发量Eo呈良好的线性关系。当大气蒸发能力较弱时，包气带中温度分布对水分运动的影响比强烈蒸发条件下更为显著。 4.当研究剖面温度分布为上高下低时，潜水蒸发受到抑制；反之，上低下高的温度分布有利于潜水蒸发。温度梯度越大，对蒸发的抑制或促进作用越强。当顶底界面的温差大于10℃时，在包气带水分分析计算中必须考虑温度这一影响因素。 5.耦合模型和等温模型结果对比表明，以50cm为界，当地下水位埋深小于该值时，潜水稳定蒸发强度随水位埋深的增加缓慢减小并且等温模型与水热耦合模型的计算结果近乎相等；大于50cm时，潜水稳定蒸发强度随水位埋深的增加急剧减小，并且耦合模型计算的潜水蒸发为零的极限埋深为60cm，与室内试验结果一致，而等温模型计算结果为90cm。因此当水位埋深大于50cm时，温度对水分运动的影响显著，应用耦合模型进行水量计算更为准确。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状及存在问题

1.2.1水热耦合模型的研究进展

1.2.2有关潜水蒸发的研究进展

1.2.3存在问题和展望

1.3研究内容、方法及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

1.3.3技术路线

第二章包气带水热耦合模型理论

2.1包气带水热耦合模型

2.1.1包气带水分运移基本模型

2.1.2土壤中热流基本模型

2.1.3包气带水热耦合模型

2.2边界条件的研究

2.3模型参数的研究

2.3.1水分特征参数

2.3.2热特性参数

2.4模型的解法

第三章试验方案设计及试验介质特性的测定

3.1试验设计及试验装置

3.1.1试验设计

3.1.2试验装置及测试仪器

3.2试验方案及注意事项

3.2.1试验前准备

3.2.2实验步骤

3.2.3注意事项

3.3试验介质特性的测定

3.3.1试验介质的物理特性

3.3.2试验介质的水分运动参数的测定

3.3.3试验介质的热特性参数的测定

第四章试验结果分析及蒸发规律探讨

4.1试验结果分析

4.1.1不同水位埋深条件下温度变化特征

4.1.2不同水位埋深条件下含水率变化特征

4.1.3不同水位埋深条件下温度与蒸发量关系

4.2蒸发规律探讨

4.2.1极限蒸发深度

4.2.2蒸发响应时间与水位埋深的关系

4.2.3潜水蒸发强度与水位埋深的关系

第五章蒸发条件下包气带水热耦合运移数值仿真模拟

5.1水文地质概念模型

5.2边界条件的概化

5.3数学模型

5.4模型的求解、识别与验证

5.4.1模型的识别

5.4.2模型的验证

5.5耦合模型和等温模型的比较

5.5.1两种模型拟合的误差

5.5.2两种模型数值模拟结果的比较

5.6潜水蒸发的影响因素分析

5.6.1潜在蒸发量的影响

5.6.2温度的影响

5.6.3地下水位埋深的影响

结论与建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致 谢