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《冻结条件下土壤水热耦合迁移的数值模拟》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、冻结条件下土壤水热耦合迁移的数值模拟第28卷第5期文章编号:1000-7709(2010)05-0094-04水??电??能??源??科??学刘??畅??陈晓飞??苑??杰??李晓燕(沈阳农业大学水利学院,辽宁沈阳110161)摘要:以沈阳市季节性冻土为例,基于冻结条件下水热耦合迁移的数学模型,采用中心差分格式并用线性化迭代法求解,对现场土壤冻结过程进行了模拟。与实测结果对比表明,采用的参数及数学模型可成功模拟现场土壤冻结过程,并讨论了土壤冻结时水分与温度的迁移规律,可为后续研究奠定基础。关键词:冻土;冻结条件;冻结过程;水
2、热耦合迁移;数值模拟中图分类号:TP391.9;S152.9文献标志码:A233????季节性冻土是一种含冰晶的特殊土水体系。土壤冻结过程非常复杂,伴随物理、化学、力学现象和过程,包括水分、热量迁移、水分的相变和盐分的积聚。国内对冻土水热耦合迁移的数值模拟问题研究较晚,起步于20世纪80年代末期,但发展较快。雷志栋等[2][1]及生态环境监测系统探头,可收集气象数据及地表至地下1.5m处土壤各剖面的温度数据;1.5m深的冻土器可测量冻深;在固定位置安放中子仪测管和TDR测管测量总含水率和未冻水含水率;测区土壤为潮棕壤土,0~
3、20cm的土样干容重为1.39g/cm,饱和含水率0.48cm/cm;20~150cm的土样干容重为1.47g/cm3,饱和含水率0.45cm3/cm3。1.2??非冻结区水分运动参数土壤非饱和扩散率D(??)(单位:cm/min)通过室内水平土柱吸渗法确定。当土层深度为0~20cm时:D(??)=0.0984eD(??)=0.0005e7.482??2333采用Harlan模型模拟了水平、垂直土柱的冻结过程,并定性分析了土壤初始含水率对土壤冻胀量的影响;尚松浩等[3]模拟了室内土柱冻结试验和田间的水热状况,改进了求解方法使
4、计算速度加快;郑秀清对山西省汾河灌区土壤冻融过程水热动态进行仿真分析;李扬基于非饱和土多孔介质理论的水热迁移耦合模型,采用有限元法求解,模拟了长春市季节性冻土水分迁移,经试验验证,效果较好。鉴此,本文采用Matlab7.1软件编制计算程序,应用中心差分格式并用线性化迭代法求解冻土一维垂直水热耦合迁移数学模型,对沈阳农业大学水利学院综合试验基地土壤在冻结过程中的水、热动态进行了模拟,为揭示季节性冻土水热耦合迁移状况提供依据。[5][4]????????0.38????>0.3818.422??22.144??(1)当土层
5、深度为20~150cm时:D(??)=0.0006e(2)土壤非饱和导水率K(??)(单位:cm/min)与D(??)土壤水吸力s(??)的关系为:K(??)=-D(??)ds度为0~20cm时:s(??)=5??108e-41.379????>0.3362166374??-17403??+4554????0.336(3)1??数据采集与参数测定1.1??试验区设计2007年11月26日~12月8日在沈阳农业大学水利学院综合试验基地采集野外数据。测区为一个由不透水保温板围成的3m??3m??26m(长??宽??高)试验
6、区。测区埋设TRM-ZS1气象收稿日期:2010-01-24,修回日期:2010-03-08s(??)(单位:cm)由压力仪法测定。当土层深(4)当土层深度为20~150cm时:s(??)=2??107e-35.119????>0.304219721??-5749.3??+2102.9????0.304(5)作者简介:刘畅(1984-),男,硕士研究生,研究方向为水土环境与生态工程,E-mail:liuchang629@163.com:(-),女,-chenxcom??95??1.3??冻结区水分运动参数冻结区的扩散率
7、和导水率很难测定,本文采用阻抗系数法。分别用未冻结区的扩散率和导水率除以阻抗系数I表示,I值取决于土壤中的含冰率[2]:I=10IDI(??)=D(??)/IKI(??)=K(??)/I式中,??1为含水率,cm/cm。1.4??冻结区未冻水含水率冻土中含有未冻水是由土壤自身性质决定。未冻水在冻土中可自由移动。影响其含量的因素很多,其中影响最大、起决定性作用的是土壤的负温。未冻水含量随土壤负温的增大而减小,每种土壤均有较固定的未冻水含量与负温的关系曲线。表1为根据现场试验结果拟合的未冻水含量与负温关系,拟合方程为[1]331
8、0??土壤体积比热容具有可加性,是土壤中各组成物热容量之和[1]:cv=cvsxs+cvwxw+cvlxvl+cvaxva(11)式中,xs、xw、xvI、xva分别为单位体积土壤矿物、水、冰、空气所占体积;cvs、cvw、cvI、cva分别为相应组成物的体积比热容,J/(cm3??K),
