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《冻结条件下非饱和土水_热_溶质耦合运移模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、冻结条件下非饱和土水_热_溶质耦合运移模拟第40卷第13期??2009年7月????文章编号:1001-4179(2009)13-0078-03??人??民??长??江??Yangtze??River??Vo.l40,No.13July,2009冻结条件下非饱和土水、热、溶质耦合运移模拟张鸿亮??陈晓飞??胡宇祥(沈阳农业大学水利学院,辽宁沈阳100161)摘要:冰土地带在我国有广泛的分布,研究冻土的物理力学性质对在冻土地带建设各种工程具有重要意义。以土壤水动力学、土壤溶质运移、冻土物理学为基础,建立了在冻结条件下非饱和土壤水、热、溶质耦合迁移
2、的数学模型,采用Crank-Nicolsen差分格式及线性化迭代法进行求解。通过模拟结果与实测结果对比,发现取得了较好的效果,表明数学模型和计算方法是可靠的,为研究含多种溶质的水、热、溶质耦合运移以———————————————————————————————————————————————及田间水、热、溶质耦合运移奠定了一定基础。关键词:土壤冻结;水、热、溶质耦合运移;有限差分法;数值模拟中图分类号:S152.9??????文献标识码:A????我国是世界上多年冻土分布面积的第3大国,多年冻土和季节冻土区分布面积分别占全国面积的21.5%和5
3、3.5%,我国自东部30??N以北,川陕地区33??N次北各地,均不同程度存在土壤冻结现象。土壤的冻结是一个十分复杂的过程,在冻结过程中,土壤中水分状况、热状况和溶质状况的变化并不是独立的,而是相互制约、相互影响的,是一个耦合变化过程。综合性的描述和研究土壤中水、热、溶质耦合运移的文献较为少见。20世纪90年代有些学者从不同侧面对土壤中水、热、盐运移问题进行了理论及试验研究,Nassar[1]利用土壤中水、热、盐运动方程和连续方程,提出了描述土壤中水、热盐运动的耦合方程[2]。本文通过对棕壤土在冻结条件下水、热、溶质耦合运移的模拟,得出水、热、
4、溶质迁移规律,为后续研究含多种溶质的水、热、溶质耦合运移以及田间水、热、溶质耦合运移奠定基础。深度/cm0135表2??土柱的初始温度分布温度/2.38625.78449.416511.807深度/cm7910温度/13.51813.95613.685———————————————————————————————————————————————1??实验室内试验在中科院寒区旱区环境与工程研究所进行,所采用的土壤是棕壤土,其主要物理指标见表1,加入5%氯化钾溶液,土样高度和直径均为10cm,从上端降温进行冻结,降温速率为-0.1/h,冻结时间为1
5、20h,底板控制温度在1,土样上、下两端密封。试验结束后分层取样测定含水率的分布状况。实验土柱初始含水率为40%,初始溶液浓度为5%,初始温度分布如表2,土壤冻结特征曲线如图1和图2。表1??棕壤土的主要物理指标容重/(g!cm-3)1.479孔隙率0.47有效粒径/mm0.01均匀系数3曲率系数0.97图1??冻结特征曲线拟合(氯化钾5%)2??数学模型2.1??土壤水、热、溶质耦合运移的数学模型假定土壤介质不可压缩、均质且各向同性;冻结过程中,水分以液态形式迁移;忽略水汽迁移和热量对流作用的影响及溶质势梯度对水分迁移的影响;————————
6、———————————————————————————————————————冻土中未冻水含量与土壤负温处于动态平衡中;水、热、溶质的运动主要发生在垂向,可近似为一维问题。一维情况下,根据Darcy定律和质量守恒原理,得非饱和土收稿日期:2008-10-09,??第13期??????张鸿亮等:冻结条件下非饱和土水、热、溶质耦合运移的数值模拟79#z1??????????????(7)2????????(Es-J1+1/2)#t=#c式中表面蒸发通量Es=0。????????J1+1/2=-Dsh??c+qc??????????????????(
7、8)下边界采取同样处理方法。图2??冻结特征曲线拟合(氯化钾7%)壤水分运动基本方程:??????I????????????K(??)=[D(??)]--IwD为土壤水分扩散系数;K为土壤导水系数。一维情况下,根据Fourier定律和质量守恒原理,得热流基———————————————————————————————————————————————本方程:cv????I????T??T=[Kh]+LI??I(2)(1)图3??水量平衡法式中??为液态水含水率;??I为含冰率;??I为冰密度;??w为水密度;式中cv为土壤的热容量;T为温度;Kh
8、为土壤热传导系数;LI为冰的溶解潜热。一维情况下,根据Fick定律和质量守恒原理,得溶质运移基本方程:??(??c)????c??(qc)=[Dsh(
