西北季节冻土区浅层土体冻融过程及水热变化对气候的响应

论文摘要

在我国西北干旱、半干旱地区,由于气候的特点,浅层土壤的物理力学性质受其影响较大,会因此发生很大的改变,并影响着土壤结构的稳定性,由此导致一系列的工程问题。大气与地表发生着强烈水热交换及相互作用是工程问题产生的主要原因之一,因此,分析和探讨气候变化条件下的水热运移规律,可揭示土壤内部水分与能量变化的机理,对工程中遇到的地质灾害问题具有一定的指导意义。本文以黄土高原渭河流域西部黄土丘陵沟壑区为研究区域,建立了野外观测场地,对该区域浅层非饱和土体冻融过程及水热变化规律对气候变化的响应进行了研究与分析,基于水分和能量平衡方程,结合气象数据,建立了一维数值模型,利用该模型对研究区各观测点的土壤温度和含水量进行了模拟。主要研究结论如下:(1)土壤温度与气温呈正相关,就全年而言,可分为春夏季吸热阶段和秋冬季放热阶段;气温对地温的影响随深度的增加而减弱,地温振幅随深度增加按指数规律衰减且温度波的相位随深度的增加而滞后;不同深度土壤温度的变化速率随土壤深度的增加呈递减趋势,总体上降温过程要比升温过程平缓。(2)该研究区裸露地表土壤的最大冻结深度约在20~50cm之间;不同深度土壤冻结系数随土壤深度的增加而减小,融化系数则相反;土壤冻结过程中,深层土壤未冻水逐渐向冻结层运移,导致深层含水量逐渐减少;融化时,各土层含水量相对冻结过程有所增加;冻融期,其地表下5cm处的日最低温度出现在早上8:00~9:00之间,日最高温度出现在下午16:00附近;降水的产生会引起浅层土壤含水量显著增加,地表下50cm深度以内的含水量受降水波动明显,350cm处的含水量几乎不受降水影响。(3)土壤含水量与温度呈相似变化,其含水量与温度相互影响及制约,控制着整个土壤的水热稳定性。随着土壤深度的增加,不同季节土壤水热的极差和变异系数均呈减小趋势,且浅层土壤的水热变异程度较为剧烈。(4)基于水分和能量平衡方程,建立了一维土壤水热运移模型,结合近地表大气动力学理论,以降水、蒸发等气象数据驱动为水分上边界条件,采用有限元软件建立数值模型,对上述模型进行了求解。结合其野外监测数据,利用相对均方差根和平均相对误差定量评价了模型的精度,结果表明,其土壤温度、含水量实测值与模拟值变化趋势一致,但对于浅层的土壤来说存在一定误差,深层土壤模拟效果较好,其模型还是具有一定的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 土壤水热耦合运移的研究
•     1.2.2 大气—非饱和土相互作用的研究
•     1.2.3 冻土水热耦合运移的研究
•   1.3 论文主要的研究内容与技术路线
•     1.3.1 论文的主要研究内容
•     1.3.2 研究技术路线
• 第2章 研究区概况及试验方案
•   2.1 研究区概况
•     2.1.1 地理位置及气候
•     2.1.2 地形地貌
•   2.2 试验方案及设计
•     2.2.1 野外试验场地布置
•     2.2.2 试验方法
•   2.3 土壤基本物理性质的测定
•     2.3.1 土壤天然含水量及密度
•     2.3.2 土壤颗粒组成及液塑限
•   2.4 本章小结
• 第3章 研究区水热动态时空变化特征
•   3.1 研究区气象因子分析
•   3.2 土壤温度变化特征
•     3.2.1 土壤温度随气温的变化特征
•     3.2.2 冻融过程土壤剖面温度变化特征
•     3.2.3 冻融期浅层土壤温度的日变化特征
•     3.2.4 年际土壤剖面温度变化特征
•   3.3 土壤水分变化特征
•     3.3.1 土壤水分随降水的变化特征
•     3.3.2 降水前后土壤剖面水分变化特征
•     3.3.3 冻融过程土壤剖面水分变化特征
•     3.3.4 年际土壤剖面水分变化特征
•   3.4 土壤随季节变化的水热耦合特征
•   3.5 不同季节下土壤内部水热时空统计学分析
•     3.5.1 统计学特征参数
•     3.5.2 不同季节下土壤内部温度时空变化的统计特征
•     3.5.3 不同季节下土壤内部水分时空变化的统计特征
•   3.6 本章小结
• 第4章 渭河地区一维竖向土壤水热运动的数值模拟
•   4.1 土壤水的形态和能态
•     4.1.1 土壤水的形态
•     4.1.2 土壤水的能态
•   4.2 土壤水流动的达西定律
•     4.2.1 饱和土壤水流动的达西定律
•     4.2.2 非饱和土壤水流动的达西定律
•   4.3 土壤水热运动的基本方程
•     4.3.1 土壤水分运动基本方程
•     4.3.2 土壤传热基本方程
•   4.4 本文模拟所需理论模型
•     4.4.1 模型假设
•     4.4.2 水分平衡方程
•     4.4.3 能量平衡方程
•   4.5 模型参数化、边界条件及初始条件
•     4.5.1 模型参数化
•     4.5.2 边界条件的分类及确定
•     4.5.3 初始条件
•   4.6 土壤水热参数的确定
•   4.7 模型的求解
•     4.7.1 COMSOL Multiphysics简介
•     4.7.2 PDE方程接口介绍
•     4.7.3 几何模型的网格划分
•     4.7.4 气象驱动数据
•     4.7.5 模型的计算
•   4.8 求解结果对比及精度验证
•     4.8.1 土壤温度的模拟对比及验证
•     4.8.2 土壤含水量的模拟对比及验证
•   4.9 本章小结
• 结论与展望
•   结论
•   展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李永娥

导师: 丑亚玲,张明礼

关键词: 季节冻土,浅层土体,冻融过程,水热变化,数值模拟

来源: 兰州理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,建筑科学与工程

单位: 兰州理工大学

基金: 国家自然科学基金项目:“渭河流域西部局地因素和气候变化对浅层土体冻融过程及水热能运移的影响及其差异机制”(NO. 51769013)

分类号: P642.14

总页数: 67

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