基于滨海平原区浅层地下水对土壤水汽热耦合运移规律的影响研究

摘要

在我国滨海平原地区，地下水埋深较浅且蒸发强烈。受地下水快速补给作用的影响，包气带中发生的各种物理、化学过程尤为复杂，浅部包气带中水汽运移和热量传输具有独特性质，这对该地区植被生态具有至关重要的作用。然而，在理论基础、技术方法等方面，针对滨海地区的浅层地下水对包气带水汽热耦合运移的影响研究还存在许多问题亟待解决。
　　本文以浅层地下水埋深下的土壤水汽及热量为研究对象，通过实验监测与数值模拟相结合的方法，深入研究了不同地下水浅埋条件下土壤水汽热运动参数特征，探讨了浅层地下水对土壤水热运移的影响规律。得到主要结论如下：
　　1.根据野外取样测试及室内实验监测，对不同地下水位埋深下的土壤水汽热运移的驱动力、地表蒸发速率以及土壤含水量变化进行了详细分析。结果表明：非等温蒸发条件下，土壤温度呈周期性波动，且随地下水埋深的增大有总体升高趋势，地下水对土壤根系层温度的调控作用可有效指导植被生长；研究发现在土壤蒸发峰和毛细水上升面之间必然存在基质势恒定面，为蒸发与地下水补给共同作用产生，其对驱动土壤水汽热运移有重要影响；土壤累积蒸发量随地下水埋深的减小而增大，蒸发速率的波幅则随地下水埋深的增加而减小；三种地下水埋深将土壤层分为饱和带、饱和-非饱和过渡带以及完全非饱和带三种类型，饱和带表层汽态水与液态水转化频繁造成土壤含水量波动紊乱，饱和-非饱和过渡带的表层含水量呈显著周期性波动，非饱和带土壤含水量变化不明显。
　　2.采用HYDRUS-1D模型对实验过程进行模拟，结果表明：土壤剖面温度总体拟合较好，土壤含水量的模拟值与实测值较为一致，但浅层（10cm以浅）模拟效果不如深部（大于20cm深处）。这说明浅层地下水埋深条件下的土壤水汽热耦合运移模拟可通过PDV模型较好的实现，且含水量越大拟合效果越好。
　　3.利用RETC软件将VG模型与土壤实测含水量与基质势数据拟合，得到水力特征模型参数。基于PDV模型分析了土壤水热特征参数，结论如下：土壤非饱和导水率呈24小时周期性波动。液态导水率主要受基质势影响，汽态导水率则与温度变化关系密切，且均随地下水埋深的增大而减小。土壤热容量变化与土壤液态水运移关系显著。同一土壤深度的热导率随地下水埋深的增大而减小，分析认为由于含水量增大促使土壤颗粒表面的水膜增多，利于热传导。
　　4.在土壤液态水的运移中，基质势驱动作用最明显，土壤内部等温液态水通量一般超出热液态水通量两个数量级。但在温度梯度较大的湿土中，温度通过改变土壤特性对液态水产生的影响需加以考虑。土壤汽态水运移以温度梯度驱动为主，基质势作用相对很小。汽态水昼夜时空变化中既有聚集型零通量面，也有发散型零通量面。当下边界为浅层地下水时，由热传导及水汽运移影响的土壤热通量变化也十分明显，潜热通量对总热通量的贡献不可忽视。地下水埋深在10-60cm之间，土壤热量昼夜运移至少经历4个阶段。

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第一章引言

1.1选题依据

1.2 研究意义

1.3研究进展

1.4研究目标与研究内容

1.5技术路线

1.6论文创新之处

.第二章浅层土壤非等温蒸发实验研究

2.1实验装置与设备

2.2实验方法

2.3实验监测结果

2.4小结

第三章土壤水汽热耦合运移模拟

3.1数学模型

3.2土壤水汽热耦合理论基础

3.3土壤水汽热耦合模型

3.4数值模型建立与验证

3.5小结

第四章浅层地下水对土壤水热运动参数的影响

4.1水土特征曲线

4.2非饱和导水率

4.3热容量

4.4热导率

4.5小结

第五章浅层地下水对土壤水汽运移影响研究

5.1 温度与基质势

5.2土壤液态水通量动态变化

5.3 土壤汽态水通量动态变化

5.4小结

第六章浅层地下水对土壤热运移影响研究

6.1大气温湿度

6.2 地表热通量

6.3 土壤内部热通量

6.4 土壤热运移规律

6.5 小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

附录：符号

参考文献

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致谢