鄂爾多斯風(fēng)沙灘地區(qū)地處我國西北干旱半干旱區(qū),是我國重要的新能源基地,常年降雨稀少,蒸發(fā)強烈,水資源匱乏,地下水是主要的供水來源。包氣帶是連接土壤和地下水遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵區(qū)域,影響著地下水的蒸發(fā)及入滲過程,且水分與熱量的傳輸存在一定滯后效應(yīng)。蒸發(fā)作為半干旱地區(qū)最重要的排泄方式,是土壤水分傳輸和熱量運移的主要驅(qū)動力之一,受外界條件和土壤介質(zhì)等因素的影響,其內(nèi)部動力學(xué)蒸發(fā)過程具有極高的復(fù)雜性和非線性,目前針對土壤-地下水蒸發(fā)等熱點問題的研究尚比較薄弱,其核心是將土壤-地下水作為一個耦合的整體,深入研究飽和-非飽和帶土壤蒸發(fā)的機理及其影響因素。這些成果的發(fā)現(xiàn)將為地下水資源的合理分配利用提供科學(xué)依據(jù)和現(xiàn)實指導(dǎo)。本文基于鄂爾多斯盆地烏審旗河南鄉(xiāng)原位試驗場,通過室內(nèi)物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,分析了包氣帶內(nèi)部水熱傳輸?shù)淖兓?guī)律,旨在揭示土壤內(nèi)復(fù)雜的動力學(xué)蒸發(fā)過程,主要結(jié)論與認識有以下幾點:1.基于原位試驗揭示了不同降雨強度下包氣帶水熱運移的分帶規(guī)律,當(dāng)降雨強度小于1.5 mm/d時,僅地表以下3 cm處土壤含水率增高;對于9.6 mm/d的降雨過程,距地表50 cm以上的剖面含水率對降雨產(chǎn)生響應(yīng),因此,前期降雨量越大,土壤含水率的響應(yīng)范圍越大。在降雨和蒸發(fā)交替條件下,地下50 cm處土壤溫度隨時間仍產(chǎn)生輕微的正弦變化,100 cm處的土壤溫度基本保持不變,因此推斷地下50 cm處產(chǎn)生明顯的分帶,距地表50 cm以上是水汽熱遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵區(qū)域。2.研究了土壤剖面含水率與溫度對其在地下3 cm處實測值的滯后效應(yīng),在持續(xù)蒸發(fā)條件下,地表以下5 cm、10 cm、50 cm與3 cm處土壤溫度的最大相關(guān)系數(shù)均大于0.5,而地下100 cm處土壤溫度與3 cm處溫度的相關(guān)性很小,因此太陽輻射對風(fēng)積沙的穿透深度在地下100 cm以內(nèi)。以39.8 mm/d降雨強度為激發(fā)源,地表以下5 cm、10 cm、50 cm對3 cm處含水率的滯后響應(yīng)時間分別為0.21 h、0.32 h與6.91 h,發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙介質(zhì)在近表層附近對降雨的滯后時間很小,使得降雨快速入滲補給土壤-地下水,因此土壤內(nèi)部可以儲存大量水資源,進而在該地區(qū)形成相對豐富的地下水資源。3.構(gòu)建了不同地下水位埋深下的變飽和帶水汽熱耦合模型,分析了不同水位埋深影響下的包氣帶水分分布規(guī)律,進一步定性化土壤蒸發(fā)的動力學(xué)過程。發(fā)現(xiàn)當(dāng)水位埋深接近毛細上升高度時,地表到地下水之間形成連續(xù)的水分傳輸路徑,土壤蒸發(fā)主要受大氣-地下水控制;當(dāng)水位埋深遠大于毛細上升高度時,淺層包氣帶形成明顯的零通量等值線,這種等值線的分布阻止了向上傳輸?shù)耐寥浪?導(dǎo)致蒸發(fā)速率迅速減少,土壤蒸發(fā)主要受土壤水力性質(zhì)控制。發(fā)現(xiàn)地下20 cm附近存在關(guān)鍵的液態(tài)水-汽態(tài)水轉(zhuǎn)化區(qū)域,其形成阻止了向上傳輸?shù)囊簯B(tài)水,導(dǎo)致日最大蒸發(fā)速率出現(xiàn)在10:00~12:00,與空氣溫度不呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。4.基于已識別的數(shù)值模型,在年尺度上構(gòu)建了不同水位埋深條件下的水汽熱耦合定解模型,發(fā)現(xiàn)土壤蒸發(fā)與水位埋深之間呈指數(shù)遞減函數(shù)關(guān)系,進一步厘定風(fēng)積沙介質(zhì)的極限蒸發(fā)深度在地下105 cm左右,約為毛細上升高度的2倍。該結(jié)論的發(fā)現(xiàn)對風(fēng)沙灘區(qū)管理土壤和水資源的當(dāng)?shù)卣哂兄匾膮⒖冀梃b意義。
【學(xué)位單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P426.2
【部分圖文】：

圖 1.1 動力學(xué)土壤蒸發(fā)的兩個階段（Teng 2016）階段估算土壤蒸發(fā)速率的方法不斷增加，既包括測量估算方法，也包括建模方為實驗觀測方法、場地觀測方法、解析解方法或基于 Richards 方程完全耦合方法[22]。過去的幾十年內(nèi)，許多學(xué)者們通過實驗室方法研究了土壤類型、包或溫度等因素對土壤蒸發(fā)的作用[23-24]。Gardner 和 Fireman (1958) 對水位埋率之間的關(guān)系進行了開創(chuàng)性的研究，在室內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)裸土蒸深的增加呈指數(shù)遞減關(guān)系[25]。雖然實驗室觀測方法提供了關(guān)于蒸發(fā)過程的關(guān)對場地觀測的適用性并不明確，后來一系列測量和估計蒸發(fā)速率的場地觀測應(yīng)用[26-28], 主要包括蒸滲儀系統(tǒng)觀測方法、波文比系統(tǒng)蒸發(fā)觀測方法（BC）系統(tǒng)蒸發(fā)觀測方法（EC）和室法系統(tǒng)觀測方法，其中蒸滲儀是測量土壤蒸發(fā)器之一，因為該方法沒有任何假定條件，可以根據(jù)實驗需要設(shè)置不用尺度的的蒸滲儀通常由方形或圓形的儲罐組成，圓柱體內(nèi)部可以填充不同巖性的介

第三章 研究區(qū)概況和試驗方案的含水率、溫度以及水位監(jiān)測傳感器，進行長期的原位動態(tài)觀測，并通過構(gòu)建野和流水汽熱耦合模型來研究土壤-地下水的蒸發(fā)過程，進一步分析土壤內(nèi)部復(fù)雜力學(xué)傳輸。3.2.2 原位試驗場地原位試驗場地建于內(nèi)蒙古烏審旗河南鄉(xiāng)國家氣象站內(nèi)（108°43′ E, 37°51′ N）對氣溫、大氣壓、相對濕度、風(fēng)速、凈輻射等氣象要素進行實時觀測，該站多年溫為 8℃，最高氣溫 36.7℃，最低氣溫-34.3℃，海拔 1210 cm。原位試驗場共分功能區(qū)，如圖 3.1 所示，分別為綜合剖面試驗區(qū)、水面蒸發(fā)試驗區(qū)、土面蒸發(fā)試輸水能力試驗區(qū)、大氣凝結(jié)水、土壤凝結(jié)水、生態(tài)需水試驗區(qū)、氣象數(shù)據(jù)采集區(qū)采集區(qū)。

長安大學(xué)碩士學(xué)位論文測地下水位埋深。在剖面不同位置處分別布設(shè)含水率、溫度、及水位計傳感器，通過據(jù)采集器實時記錄數(shù)據(jù)，監(jiān)測頻率為每 5 min 一次。原位試驗場的示意圖和概念圖如 3.2 和 3.3 所示。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 王強民;王文科;王周鋒;安可棟;陳立;宮程程;;旱區(qū)沙柳蒸騰規(guī)律及其對氣象因子的響應(yīng)[J];南水北調(diào)與水利科技;2015年04期

2 喬岡;王文科;;西北干旱內(nèi)陸盆地區(qū)裸土蒸發(fā)強度[J];吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版);2014年04期

3 趙貴章;王文科;侯莉莉;徐敏;李云良;;干旱半干旱地區(qū)包氣帶熱參數(shù)模型研究[J];水文地質(zhì)工程地質(zhì);2009年05期

4 曾亦鍵;萬力;蘇中波;Hirotaka Saito;王旭升;曹文炳;;淺層包氣帶水汽晝夜運移規(guī)律及其數(shù)值模擬研究[J];地學(xué)前緣;2008年05期

5 蔣瑾,王康富,張維靜;沙地凝結(jié)水及在水分平衡中作用的研究[J];干旱區(qū)研究;1993年02期

本文編號：2817051