地下水浅埋条件下单向冻结土壤水热变化试验

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1、2014年12月农业机械学报第45卷第12期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．12．022*地下水浅埋条件下单向冻结土壤水热变化试验111211陈军锋杨军耀郑秀清秦作栋刘萍臧红飞(1．太原理工大学水利科学与工程学院，太原030024;2．山西大学黄土高原研究所，太原030006)摘要:采用室内土壤单向冻结试验装置，进行了地下水位埋深为87.5cm的小幅降温、中幅降温和大幅降温3种冻结气温作用下砂壤土和粉质粘壤土的温度和土壤含水率的监测。结果表明:小幅降温、中幅降温和大幅降温冻结条件下砂壤土地表温度较粉质粘壤土分别

2、低0.88、2.06和2.81℃，土壤剖面温度分别在第31、33和37天达到稳定降温阶段;砂壤土水分主要聚集在10～30cm，而粉质粘壤土水分主要聚集在10～40cm;小幅降温冻结下，砂壤土0～10cm土壤含水率较中幅降温和大幅降温冻结下高1.5%和7.3%，粉质粘壤土0～10cm土壤含水率较中幅降温和大幅降温冻结下高2.3%和2.7%。关键词:土壤温度土壤含水率冻结气温土壤质地地下水水分迁移中图分类号:S152.7;S152.8文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)12-0146-06了季节性冻融期不同地下水位埋深下土壤剖面温度

3、引言的变化特征，但均未考虑气温变化幅度对土壤温度［24］由于冻融土壤水热迁移过程的复杂性及边界条的影响。李瑞平等研究了冻融期气温与土壤剖件的多变性，国内外学者采用数值模拟方法对冻土面的水分迁移特征，但未考虑气温降幅对土壤水分［1－7］水热迁移转化规律进行了大量的研究，尚松浩迁移的影响。已有研究表明，土壤质地影响土壤水［8］［25－26］等建立了地下水浅埋条件下土壤冻融期水热耦肥运动，土壤颗粒大小影响土壤的水热参［27］合迁移模型，并对冻融过程中的土壤饱和—非饱和数，而土壤质地对冻结土壤温度和水分迁移的影水分流动问题进行了初步研究。近年来，中国一些

4、响还有待研究。研究者通过田间试验研究了冻融期不同地表处理条为了揭示气温降幅和土壤质地对地下水浅埋区［9－12］件、不同冻融阶段土壤剖面水热的变化特征。土壤温度的变化和水分迁移的影响，采用室内土壤在地下水浅埋区，土壤的冻结与融化作用加剧了潜单向冻结试验，研究了地下水位埋深为87.5cm水与土壤水的转化，而土壤的冻融状况及冻融过程3种不同气温降幅下砂壤土和粉质粘壤土土壤温度［13］主要取决于土壤温度，因此，研究地下水浅埋条的变化与水分迁移特征。件下土壤温度的变化及土壤剖面水分迁移特征对于1试验方法揭示冻融期潜水与土壤水的转化规律具有重要意义。1.1试

5、验装置季节性冻融期土壤温度的变化决定了冻土的物室内土壤单向冻结试验装置主要由模拟池、空理、力学、水力性质以及土壤冻结和融化特征，影响气制冷系统、定水头供水系统和土壤温度场自动监冬春季节作物的播种、生长发育、土壤养分分测系统组成，试验装置结构示意如图1所示。［14－15］［16－18］［19］布。气温和降水、冬春灌水、地表覆模拟池池内规格(长×宽×高)为123cm×［20－22］［23］盖、地下水位埋深等均影响土壤温度，关于44cm×97.5cm，是由厚度为1cm的PVC塑料板制季节性冻融期土壤温度方面的研究取得了一些重要成的双层保温池。空气制冷设

6、备由HaierBC/BD-［22］的研究成果，郑秀清等研究表明冻融期气温与土388A型冰柜(冷冻能力为31kg/d)改造为数控制冷［23］壤温度的变化具有较好的相关性，苗春燕等研究装置，模拟冬季气温的降低过程，温控精度为0.01℃，收稿日期:2014-08-11修回日期:2014-09-13*国家自然科学基金资助项目(40472132)、国家国际科技合作专项资助项目(2012DFA20770)、高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20131402110008)、山西省自然科学基金资助项目(2012011033-2)和太原理工大学2012年校青

7、年基金资助项目(2012L016)作者简介:陈军锋，讲师，博士，主要从事水资源与水环境研究，E-mail:ambitionchjf@163．com通讯作者:郑秀清，教授，博士生导师，主要从事孔隙介质流动力学、水资源与水环境研究，E-mail:zxq6818@sina．com第12期陈军锋等:地下水浅埋条件下单向冻结土壤水热变化试验147最低制冷温度为－36℃。定水头供水系统由模拟池之外的容量瓶控制，模拟池底部铺设厚度约2cm的石英砂，考虑土壤冻结后冻胀不超出模拟池顶，设定的地下水位埋深为87.5cm。土壤温度场自动监测系统由计算机、智能温度传感器

8、及LTM-8303型温度测量智能模块组成，土壤温度采用智能温度传感器实时监测，数据由计算机自动采集，采集频率为1次/min。图1室内地下