土壤在凍融過程中存在復(fù)雜的水-熱運(yùn)移規(guī)律和機(jī)理,為研究?jī)鋈谶^程中土壤含水率、溫度、導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律,本文進(jìn)行凍融過程中水-熱變化規(guī)律的砂柱實(shí)驗(yàn)研究,并且用SHAW模型(土壤水熱模型)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。土壤水-熱變化研究實(shí)驗(yàn)選用石英砂為介質(zhì),將砂樣按配重填滿有機(jī)玻璃柱,將土柱放入凍融循環(huán)箱中,通過控制箱體溫度進(jìn)行單向凍結(jié);運(yùn)用5TM傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)砂柱垂向上溫度,含水率在凍融過程中的變化。實(shí)驗(yàn)表明土壤凍結(jié)過程是一個(gè)放熱冷卻的過程,砂樣中的熱量傳輸方向是從深部導(dǎo)向淺部,凍結(jié)鋒面會(huì)從淺層土壤逐漸向下遷移,在凍結(jié)鋒面處會(huì)發(fā)生液態(tài)水轉(zhuǎn)化成冰的相變現(xiàn)象,此時(shí)會(huì)有一部分熱量釋出(固液相變發(fā)熱),由于淺部砂樣的溫度遠(yuǎn)低于土柱深處,砂樣中會(huì)有一部分液態(tài)水聚集在凍結(jié)鋒面處,會(huì)使得熱量傳送較快一些,因此土柱凍結(jié)過程持續(xù)時(shí)間要短一些。各層土壤的體積含水率都經(jīng)歷了一個(gè)急劇降低,保持穩(wěn)定,緩慢上升的過程;經(jīng)歷一個(gè)凍融循環(huán)之后,土柱內(nèi)部的水分有一個(gè)向上遷移的趨勢(shì),10cm、15cm處的含水率有一個(gè)明顯的水分聚集的現(xiàn)象,而深部20cm處土樣的含水率有一定降低。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出,土壤發(fā)生完全凍結(jié)后,仍會(huì)有一定的液態(tài)水存在,這些可能是貯藏在孔隙中的結(jié)合水以及附著在冰里面的極難凍結(jié)的液態(tài)水。利用KD2 Pro導(dǎo)熱儀監(jiān)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)在多次凍融過程中的變化,實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):砂樣的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著土壤含水率的增大而增大;當(dāng)三種砂樣的體積含水率相同時(shí),土壤的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著土壤干密度的增大而增大;同一種砂樣在同一含水率的條件下,凍結(jié)狀態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)遠(yuǎn)大于融化狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù),并且含水率越高這種現(xiàn)象越是明顯。利用SHAW模型結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)土壤溫度、含水率進(jìn)行更為廣泛的模擬,對(duì)飽和狀態(tài)下砂柱水熱遷移規(guī)律進(jìn)行初步的探究。結(jié)果表明模型能夠?qū)ν寥篮屎蜏囟冗M(jìn)行良好的擬合,并且能預(yù)測(cè)各時(shí)間段土壤的凍結(jié)深度,可用來進(jìn)行更深層土壤水熱模擬。本文為土壤凍融過程室內(nèi)實(shí)驗(yàn)提供了基本實(shí)驗(yàn)流程、案例并結(jié)合初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡述凍融過程中水熱遷移的現(xiàn)象以及物理過程。
【學(xué)位單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S152
【部分圖文】：

頂板凍結(jié)溫度越低，凍結(jié)鋒面處水分積聚就越多。原國(guó)紅（2發(fā)生凍結(jié)時(shí)淺層土壤率先降溫，此時(shí)土壤中存在的能量平衡在未凍動(dòng)層溫度場(chǎng)會(huì)發(fā)生重新分布的現(xiàn)象，因此導(dǎo)致土壤水分的遷移。土實(shí)驗(yàn)的開展2014）等人通過對(duì)青藏高原地區(qū)監(jiān)測(cè)站提供的相關(guān)資料，對(duì)高海拔熱運(yùn)移現(xiàn)象分析：土壤水分遷移是由于溫度變化引起，冬季土壤溫壤升高溫度都會(huì)引起水分遷移。冬季活動(dòng)層發(fā)生凍結(jié)時(shí)段，活動(dòng)層面都會(huì)有水分積聚現(xiàn)象，活動(dòng)層中部土壤水分則會(huì)減��；夏季氣溫逐漸融化，使得其底部水分積聚，部分水分會(huì)向融化鋒面處遷移。古拉多年凍土區(qū)進(jìn)行一年間活動(dòng)層土壤溫度與水分?jǐn)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，探水分場(chǎng)分布特點(diǎn)及活動(dòng)層凍融過程對(duì)于水分運(yùn)移現(xiàn)象的影響。

站點(diǎn)表層土壤含水率、溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容變化利用在阿拉斯加北部監(jiān)測(cè)站記錄季節(jié)凍土區(qū)表層以及比熱容的變化，通過圖形分析可以發(fā)現(xiàn)在凍導(dǎo)熱系數(shù)突變的現(xiàn)象，甚至可以達(dá)到融化期間導(dǎo)期間潛熱的影響而產(chǎn)生的熱流變化，導(dǎo)致土壤導(dǎo)路線自然科學(xué)基金項(xiàng)目“多年凍土熱力穩(wěn)定性對(duì)氣候理”。在水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開展模擬季節(jié)性凍土凍融特不同種類砂樣在凍融過程中土壤含水率、土壤溫

使用自制凍融箱來進(jìn)行室內(nèi)溫度調(diào)控，利用 5TM 傳感器和 K。方法與材料料格 20~40 目、80~120 目），工地砂樣，采購(gòu)于北京博德建材有器：本實(shí)驗(yàn)中用來監(jiān)測(cè)土壤溫度、含水量的傳感器由美國(guó) Deca司）于 2006 年研發(fā)的 5TM 傳感器，圖 2-1 所示。5TM 傳感器振蕩波，通過測(cè)量周圍土壤的介電常數(shù)的數(shù)值，體積含水量與參數(shù)之間對(duì)應(yīng)的 Top 方程反算出體積含水量。5TM 傳感器前端阻用來測(cè)定土壤溫度。

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本文編號(hào)：2811760