蒸發(fā)是干旱半干旱地區(qū)水文循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對調(diào)節(jié)水分在包氣帶中的分布具有不可忽視的作用,準確量化包氣帶水分蒸發(fā)過程中的能量和質(zhì)量傳遞過程是水文地質(zhì)學需要解決的科學問題之一。由于直接測量表土蒸發(fā)受一定的時空限制,以Richards方程為基礎(chǔ),通過數(shù)值模擬刻畫飽和-非飽和帶水分運移特征是目前常用的方法之一。然而Richards方程的求解需要給定土壤持水性和非飽和導水率,最常用的模型包括BrooksCorey和van Genuchten模型。這些模型都采用殘余含水率(由吸附力吸持)表示土壤含水率的最小值,但在極端干燥情況下土壤含水率甚至會減小到0,因而這些模型的計算結(jié)果并不理想,限制了此類模型在干旱半干旱地區(qū)非飽和帶水分運移機理研究方面的應(yīng)用。對傳統(tǒng)土壤水力參數(shù)方程進行改進以滿足不同地區(qū)土壤水分蒸發(fā)數(shù)值模型的要求是目前研究的熱點問題之一。本文以毛烏素沙地作為研究區(qū),以風積沙為研究對象,采用室內(nèi)試驗、原位試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,開展了毛烏素沙地裸土蒸發(fā)動力學機制研究。首先在室內(nèi)開展了初始飽和裸土的非等溫蒸發(fā)試驗,分析了毛烏素沙地的蒸發(fā)規(guī)律,提出了一個簡單的解析公式來計算表層土(Topmost Soil Layer,TSL)與地下水位之間毛細水力聯(lián)系斷裂時臨界水位埋深,以及蒸發(fā)鋒面由地表向土壤內(nèi)部移動時表層土的臨界含水率;其次以Richards方程為基礎(chǔ),利用基于毛管理論的土壤水力參數(shù)方程(持水性方程選用van Genuchten模型,非飽和導水率方程選用Munlem模型)建立的水汽熱耦合模型識別了室內(nèi)蒸發(fā)試驗過程,基于計算結(jié)果探討了傳統(tǒng)土壤水力參數(shù)方程在解決相對干燥土壤中水分運移時的不足之處和解決方法;以加權(quán)的毛管飽和度和薄膜飽和度之和建立了全濕度范圍的持水性方程,進而改進了非飽和導水率方程,通過文獻中的數(shù)據(jù)驗證了模型的正確性,以此為基礎(chǔ)再次反演室內(nèi)蒸發(fā)試驗時取得了較好的擬合效果;再次,在毛烏素沙地開展了晝夜溫差較大、近地表土壤十分干燥條件下的原位監(jiān)測試驗,監(jiān)測了氣象要素及土壤水勢、含水率及溫度,分析了其變化規(guī)律。最后以改進的土壤水力參數(shù)方程為基礎(chǔ)構(gòu)建了新的水汽熱耦合運移數(shù)值模擬模型,基于原位監(jiān)測數(shù)據(jù)評價了該模型在干燥條件下的表現(xiàn),并將模型用于刻畫毛烏素沙地十分干燥條件下包氣帶水分運動過程。結(jié)果表明:(1)初始飽和毛烏素沙地風積沙在蒸發(fā)過程中表層土與地下水位之間水力聯(lián)系斷裂的臨界水位埋深為30.7cm,極限蒸發(fā)深度為70.7cm;(2)毛烏素沙地風積沙蒸發(fā)鋒面由地表向土壤內(nèi)部遷移時表層土的臨界含水率為0.055,濕轉(zhuǎn)化區(qū)含水率變化范圍為0.015-0.05;(3)改進的全濕度范圍的土壤水力參數(shù)方程,能更有效地描述土壤在低含水率條件下的持水性和滲透性�？紤]薄膜流后計算的蒸發(fā)量占土壤實際蒸發(fā)量的98.8%,而忽略薄膜流后這一數(shù)值僅為87.0%。在不考慮薄膜流時液態(tài)水在蒸發(fā)過程中的作用被低估近10%左右。就毛烏素沙地風積沙而言,毛管流向薄膜流轉(zhuǎn)化的臨界負壓水頭為-140cm,負壓水頭達到-3.12×10~5cm時薄膜流停止,蒸發(fā)面向土壤內(nèi)部遷移,水汽相變開始發(fā)生在土壤內(nèi)部。(4)基于改進的土壤水力參數(shù)方程建立了新的包氣帶水汽熱耦合運移模型并用于研究蒸發(fā)條件下毛烏素沙地非飽和帶水分運移的動力學過程。結(jié)果表明:基質(zhì)勢梯度驅(qū)動下的水分通量較溫度驅(qū)動下的水分通量大2-4個數(shù)量級,因而是毛烏素沙地蒸發(fā)的主要驅(qū)動力。0-3cm之間水汽運移占主導,較高的基質(zhì)勢梯度驅(qū)動下的水汽通量難以被反向溫度梯度驅(qū)動下的水汽通量所抵消,凈水汽通量方向朝上;3-20cm之間是薄膜流占優(yōu)區(qū),該區(qū)土壤基質(zhì)勢及基質(zhì)勢梯度仍然較高但不足以促使水汽發(fā)生相變,基質(zhì)勢梯度驅(qū)動下水分以薄膜流形式運移,凈通量的方向朝上。(5)相比于傳統(tǒng)土壤水力參數(shù)方程,基于毛管流和薄膜流改進的土壤水力參數(shù)模型在描述土壤由濕變干的整個過程的中具有明顯的優(yōu)勢,模型中沒有引入額外的參數(shù),便于應(yīng)用。通過野外實測數(shù)據(jù)驗證發(fā)現(xiàn)改進模型計算的含水率、溫度變化規(guī)律與實測值一致性較好,認為該模型可以作為干旱條件下非飽和帶水分運移機理研究的工具。上述研究成果揭示了毛烏素沙地裸土蒸發(fā)的動力學過程,豐富和發(fā)展了土壤水動力學及相關(guān)學科的理論與方法,對干旱半干旱地區(qū)土氣界面水分運移研究具有示范作用。
【學位單位】：長安大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P426.2
【部分圖文】：

長安大學博士學位論文6圖1.2-1 土壤水分形態(tài)示意圖（據(jù)Tokunaga，2009）（a.重力水充滿孔隙，土壤處于飽和狀態(tài)；b. 有液環(huán)連接的毛管水，土壤處于非飽和狀態(tài)，但較濕潤；c.液環(huán)斷裂的薄膜水，土壤處于非飽和狀態(tài)，但十分干燥）①吸濕水（soil hygroscopic water）土壤顆粒表面靠分子吸力從空氣中吸附的汽態(tài)水并保持在土壤顆粒表面的水稱為吸濕水，也叫強結(jié)合水。當土壤顆粒周圍的水汽飽和時，土壤吸濕水量達到最大值，對應(yīng)的土壤含水率稱為吸濕系數(shù)。土壤顆粒對水分子的吸附力，最里層可達1000-2000MPa，最外層也有約 3.1MPa。這一層水具有固態(tài)水性質(zhì)

大孔隙先失水，小孔隙后失水，這樣蒸發(fā)第1階段土壤剖面上一定深度范圍內(nèi)大孔隙水分完全散失，但小孔隙之間的水分聯(lián)系仍然保持，從而形成連續(xù)的水勢梯度將水分從土壤內(nèi)部輸送到地表，滿足蒸發(fā)需求，見圖1.2-3a。保證這種大小孔隙之間具有持續(xù)水力聯(lián)系的作用力是毛管力，蒸發(fā)所消耗的水分是毛管水。只要水位埋深能夠保證，土壤內(nèi)部向蒸發(fā)面的毛管流通量就不受限，因而能保持較高的蒸發(fā)速率。在地下水位下降到某個臨界值時，小孔隙中水分子向下的重力和粘滯力與毛管力達到平衡（Lehmann等,2008），地下水位與表層土之間的毛管水力聯(lián)系被打破，此時毛管流停止，不能持續(xù)為土壤蒸發(fā)提供水源。②薄膜流（film flow）當?shù)叵滤c表層土之間的水力聯(lián)系斷裂后，毛管流停止，液態(tài)水的彎月面從地表進入土壤內(nèi)部（Shokri , 2009），土壤表層的水分運移的形態(tài)由毛管流變?yōu)楸∧ち�，見圖1.2-3b，并將持續(xù)一定的時間。這是因為液環(huán)（pendular ring）斷裂后

aR（圖1.2-4）。基于圖1.2-4的概念結(jié)構(gòu)，目前建立了很多計算蒸發(fā)的空氣動力學方法，有兩種比較常用的方法， 方法以“一步法”求取地表蒸發(fā)，即只考慮水蒸氣從孔隙水表面擴散到土壤表面的過程， 方法則用“兩步法”求取地表蒸發(fā)，二者都是通過“表面水分有效性”進行參數(shù)化后，建立了地表蒸發(fā)和近地表含水率的關(guān)系。圖1.2-4 蒸發(fā)概念模型圖方法:( )ag g aaE q qR （1.2-41）( )g sat sq q T（1.2-40）方法:( ) ( )a ag s a s aa soil aE q q q qR R R （1.2-41）( )s r satq H q T s（1.2-42）exp( / )r sH hg RT （1.2-43）
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本文編號：2856924