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考虑水分迁移及相变对温度场影响的渠道冻胀模型 总被引：8，自引：8，他引：0
冬季渠基冻土中水分迁移及相变产生的巨大潜热对温度场影响显著,由此,该文建立了考虑水分迁移与相变潜热的渠基土体冻胀模型。模型将冻土视为低温膨胀性材料,将相变潜热作为材料的等效热容加入热传导方程中;根据Clapeyron方程和达西定律建立饱和冻土冻结锋面处水分迁移表达式,并以迁移水相变潜热作为热传导方程热源项;采用COMSOL对模型算例求解,与不考虑相变和水分迁移的模型比较发现：相变作用对渠道温度场和变形场影响较大,考虑相变后,冻深推进缓慢,且冻深减小,衬砌板变形整体减小,较不考虑相变的模拟结果更接近实际情况,验证了本模型的合理性,为寒区工程冻胀设计提供参考。 相似文献
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冻土水力传导系数多采用经验公式来描述,其结果缺少理论依据。该文从冰水界面水膜热力学理论出发,对克拉贝隆方程进行修正,得到孔隙水冻结温度与孔隙半径的关系式。基于此,结合毛细管束理论和土壤冻结特征曲线(SFCC),给出预测冻土水力传导系数的理论模型,并与前人的实测值和经验公式进行对比分析。结果表明:孔隙冻结温度随着孔隙半径的减小而下降,且温度下降速率也随之逐渐增大;考虑未冻孔隙水和未冻水膜作为水分的迁移通道,该模型计算值与试验结果具有很好吻合度,且优于经验公式,验证该模型的合理性;最后指出SFCC的拟合效果会影响该模型的预测结果。 相似文献
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冻融条件下土壤中水盐运移机理探讨 总被引：27，自引：0，他引：27
土壤冻融过程中的水盐运动是冻土学研究的基本问题之一。在土壤冻融过程中,存在着水分和盐分的2次迁移过程,形成了特殊的水盐运动规律。土壤冻结过程中盐分的运动非常复杂,受土壤类型、土壤初始含水量、土壤溶液浓度、盐分组成以及冻结生成的温度、热梯度、冻结速度、冻结方向等因素影响,其迁移结果最终是上述各因素共同作用的结果。温度是导致土壤中水分迁移的驱动力,土壤冻结引起冻结带土水势降低,导致水分不断向冻层迁移,随着水分向冻层聚集,冻层以下土层中的盐分同步向上运移,整个冻层的土壤含盐量明显增加。在融化过程中,随着地表蒸发逐渐强烈,使冻结过程中累积于冻结层中的盐分,转而向地表强烈聚集,使表层的盐分含量急剧上升。 相似文献
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季节性冻融土壤水热耦合运移模拟 总被引：6，自引：1，他引：5
根据季节性冻融条件下土壤垂直一维水热运移状况,在地表能量质量平衡条件下,利用水热耦合模型对土壤温度和水分变化进行了模拟。模拟时考虑土壤冻结时冰和水对土壤体积热容、热传导及导水度的影响,并考虑了雪盖层的影响。本模型由实验所在地2008年1月1日至2010年12月31日连续3 a气象数据驱动,用实测地温、水分和冻结深度数据进行验证。结果表明,在地面以下0、5、40、80、160 cm等不同深处模拟温度与实测温度均方根误差(RMSE)分别为3.65、1.59、1.75、1.35、1.64℃,冻结深度也趋一致。除去表层,其他不同深度土壤含水量模拟值与实测值平均误差在3%左右,均方根误差低于4%。此模型及参数化方案能够模拟季节性冻融条件下一定深度土壤温度、水分运移状况,可用于多年冻土区活动层水、热变化规律研究,并可与生态过程模型耦合,从而改进冻土环境下生态系统模型中土壤温度、水分和冻融深度的模拟精度。 相似文献
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土壤温度(尤其是地表温度)是陆地和大气之间相互作用中关键的物理量,在地球系统中扮演了十分重要的角色。土壤温度预报技术一直是陆面模式、数值天气预报和气候预测中核心科学问题。本文系统回顾了土壤温度预报方程的研究进展,从经典的热传导方程到考虑了土壤水分垂直运动物理过程的热传导-对流方程,从用单一正弦波逼近到用傅里叶级数逼近地表温度日变化,从假设对流参数无日变化为常数到考虑其日变化,着重概述了土壤热传导-对流方程的创建、改进及求解。最后,本文对热传导-对流方程在地表能量平衡、土壤水分垂直运动、水通量和地震、冻土热传输研究中的应用进行了回顾。同时指出,全相态的土壤水和植物根系对热传导-对流方程的影响是土壤温度预报方程未来的研究方向。 相似文献
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灌溉水温对冻融土入渗规律的影响 总被引：5，自引：2，他引：5
在冬春灌溉期间,由于灌溉水源、灌溉方式、灌溉时间不同,当水流入农田时,将具有不同的水温。灌溉水温不同,在相同的灌溉水量条件下,其热容量不同,导致土壤温度分布不同,必将影响到冻土的入渗规律。该文通过土壤冻结期间积水入渗试验,获得了不同入渗水温条件下冻土的入渗规律。试验结果表明,入渗水温对冻土入渗规律的影响十分明显,冻土的入渗能力随入渗水温的升高而增强。研究结果对于季节性冻土壤区冬春灌溉合理灌水技术参数的确定提供依据 相似文献
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河套灌区冬小麦冻结期土壤入渗特性分析 总被引：1，自引：3，他引：1
为揭示冻结期田间土壤入渗特性,基于河套灌区冬小麦无覆盖、秸秆覆盖和地膜覆盖3个试验区的土壤入渗数据,并与非冻期土壤入渗特性比较,探讨了河套灌区冻结期土壤的入渗过程和特性,并进行了检验和验证。结果表明:在同一冻结期地膜覆盖和秸秆覆盖条件下土壤冻层厚度明显较低,特别是地膜覆盖比无覆盖条件下冻层厚度降低6cm以上,具有明显的保持地温的作用,秸秆覆盖效果比覆膜效果差;地膜覆盖和秸秆覆盖均可以减缓土壤水的冻结速度,但随着冻结期的推进,地膜覆盖和秸秆覆盖降低冻层厚度的效果逐渐减小,2种覆盖均是在冻结初期效果最好;从未冻期到冻结稳定期,在土壤总含水率变化不大的条件下,土壤未冻结含水率不断降低,随着冻结期的推进,未冻结水转为冻结水的速度是由慢到快再逐渐降低的过程;地膜覆盖和秸秆覆盖均能减缓未冻结水的转化,在冻结前期和中期效果较好,冻结后期效果明显降低,地膜覆盖的效果比秸秆覆盖更好;冻结土壤水分的入渗率远小于未冻结土壤水分的入渗率,在土壤冻结过程中入渗率随冻层的增大而减小;冻结稳定期土壤水分稳定入渗率降低85.0%以上,并且随着冻结期的推进,稳定入渗率也在缓慢降低;土壤冻结初期和中期地膜覆盖与无覆盖的减渗率分别相差9.11%和13.50%,具有较好的减缓土壤水冻结的作用,效果显著,而秸秆覆盖与无覆盖的减渗率分别相差4.10%和7.00%,效果较地膜覆盖差;冻结土壤水分的累积入渗量远小于未冻结土壤水分的累积入渗量,在土壤冻结初期和中期采用地膜覆盖和秸秆覆盖均能增大土壤水分的累积入渗量,而地膜覆盖和秸秆覆盖在土壤冻结稳定期对土壤水分累积入渗量影响较小;Kostiakov模型和Kostiakov-Lewis模型模拟土壤入渗数据没有明显的差异性,可用来表征冻结土壤的入渗过程,而Philip入渗方程不适合表征冻结土壤的入渗过程。该研究结果可为冻结期土壤水、热、盐耦合运移提供参考,对制定河套灌区冬小麦秋末冬初灌溉制度具有现实意义。 相似文献
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为了探究黄土丘陵区未冻坡面和冻土坡面在不同径流坡长条件下侵蚀之间的差异,在室内进行模拟冷冻和放水冲刷试验,采用3种径流坡长(2 m,4 m和6 m)和2种坡面类型(未冻坡面和冻土坡面),定量研究了未冻坡面和冻土坡面的产流产沙过程和水沙关系。结果表明:(1)未冻坡面和冻土坡面的初始产流时间均随着径流坡长的延长而缩短,在相同径流坡长条件下,冻土坡面的初始产流时间较未冻坡面减少;(2)未冻坡面的平均产流量与平均产沙量和冻土坡面的平均产沙量均随着径流坡长的延长而增大,而冻土坡面的平均产流量随着径流坡长的变化无显著差异;(3)未冻坡面产流率和产沙率的关系分为缓慢和急速增加两个阶段,而冻土坡面的产沙率则随着产流率的增大而增大;(4)累积产流量与累积产沙量之间呈正相关关系,参数c的绝对值与径流坡长呈正比,并且冻土坡面大于未冻坡面。土壤冻结后使初始产流时间大大缩短,径流量的增加伴随着冻结土壤的不断融化导致冻土坡面侵蚀加剧。 相似文献
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使用双针热脉冲(dual probe heat pulse, DPHP)测定冻土热特性时施加热脉冲后会导致加热探针周围的冰融化,使用目前常用的仅考虑热传导（忽略融化相变、冰水两相分界面）的解析解处理DPHP温度数据,会导致在-5 ℃至0 ℃温度范围内无法准确测量热导率 (λ) 和比热 (Cv)。为了能够准确测定冻土的 λ 和 Cv,有必要考虑DPHP加热过程中引起的冰融化的相变潜热。该研究基于COMSOL仿真软件模拟了考虑相变潜热、相变区间以及移动冰水界面的DPHP测量过程,采用随温度非线性变化的真实冻土热特性进行模拟,并与真实冻土的DPHP测量数据对比。结果表明：1）COMSOL仿真在不考虑相变条件下与无限线性热源模型结果完全吻合（R2 = 0.9989）;2）当土壤初始温度低于-5 ℃时,考虑相变发生的COMSOL仿真能够准确模拟试验结果,表现出较高的相关性（R2 > 0.93）,在-2 ～ 0 ℃的土壤初始温度范围内,无限线性热源模型的结果与试验测量显著偏离（R2 < 0.0013）;3）在不同土壤初始温度下,相变温度为-1.5 ～ -0.5 ℃的仿真结果与试验数据具有较高的相关性（R2 > 0.7）。本研究结果检验了有限元仿真用于真实冻土DPHP研究的可行性,可为准确预测冻土热特性的研究提供方法。 相似文献
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季节性冻土区占据中国超过一半的国土面积,冻融作用会显著改变土壤性质与包气带水、热传输过程,并且由于季节性冻土广泛分布在干旱半干旱地区,温度与气态水对于土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究不仅更符合季节性冻土区实际情况,同时对于揭示土壤水循环机制十分关键。本文综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐述了季节性冻融作用对水汽热耦合运移研究中水力参数及水分相态转化过程的影响,探讨了水汽热耦合模型适用性,并归纳总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性。最后,对该领域尚需加强研究的方向提出看法与建议,以期为深化包气带水汽热耦合运移理论以及解决季节性冻土区相关实际问题提供科学依据。 相似文献
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《CATENA》2006,65(2-3):193-208
Winter as well as summer floods result in soil loss and sedimentation. Up to now the winter events cannot be adequately predicted. This paper focuses on the infiltration processes under frozen winter conditions in order to model soil erosion processes in winter by adapting the computer model EROSION 3D [Schmidt, J., Werner, M. v., 2000. Modeling Sediment and Heavy Metal Yields of Drinking Water Reservoirs in the Osterzgebirge Region of Saxony (Germany). In: Soil Erosion - Application of Physically Based Models, Schmidt, J.(Editor). Berlin, Heidelberg, New York., pp. 93-108.].A new snow accumulation and snow melt module has been implemented in order to estimate erosion rates during snowmelt events. Tests show that infiltration still occurs in frozen soils, however, infiltration rates are reduced compared to unfrozen soils [Weigert, A., Wenk, G., Ollesch, G., Fritz, H., 2003. Simulation of snowmelt erosion using the EROSION 3D model. Journal of Plant Nutrition and Soil Sciences, 1/2003.]. In order to improve the EROSION 3D model regarding partly frozen soils a physical based infiltration model extension has been developed and experimentally verified.Processes of infiltration into partly frozen soils are successfully quantified by a newly designed experimental set-up using a soil column (height 50 cm, diameter 21.5 cm). At the bottom of this column a negative pressure can be applied in order to establish unsaturated hydraulic conditions. The volume rate of the percolating water is constantly measured by an online balance. In addition the column is equipped with three TDR and temperature probes.The behaviour of two soil samples (sandy vs. loamy soil) are investigated under saturated, unsaturated and frozen conditions. The improved physical infiltration model based on the combination of Darcy's Law, Hagen-Poiseuille's Law, the capillary-rise equation and the van Genuchten θ(h) function determines with considerable accuracy both the unsaturated hydraulic conductivity and the effective saturated hydraulic conductivity of a partly frozen soil for rigid soil matrix conditions. This approach is compared with the Mualem concept for predicting unsaturated hydraulic conductivities. Fractures were observed due to freezing cracks in case of loamy material. For fractured soils the calibration with a skinfactor is found to be absolutely necessary to give reliable results. 相似文献
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Water transport under winter conditions 总被引：1，自引：0，他引：1
Winter as well as summer floods result in soil loss and sedimentation. Up to now the winter events cannot be adequately predicted. This paper focuses on the infiltration processes under frozen winter conditions in order to model soil erosion processes in winter by adapting the computer model EROSION 3D [Schmidt, J., Werner, M. v., 2000. Modeling Sediment and Heavy Metal Yields of Drinking Water Reservoirs in the Osterzgebirge Region of Saxony (Germany). In: Soil Erosion - Application of Physically Based Models, Schmidt, J.(Editor). Berlin, Heidelberg, New York., pp. 93-108.].A new snow accumulation and snow melt module has been implemented in order to estimate erosion rates during snowmelt events. Tests show that infiltration still occurs in frozen soils, however, infiltration rates are reduced compared to unfrozen soils [Weigert, A., Wenk, G., Ollesch, G., Fritz, H., 2003. Simulation of snowmelt erosion using the EROSION 3D model. Journal of Plant Nutrition and Soil Sciences, 1/2003.]. In order to improve the EROSION 3D model regarding partly frozen soils a physical based infiltration model extension has been developed and experimentally verified.Processes of infiltration into partly frozen soils are successfully quantified by a newly designed experimental set-up using a soil column (height 50 cm, diameter 21.5 cm). At the bottom of this column a negative pressure can be applied in order to establish unsaturated hydraulic conditions. The volume rate of the percolating water is constantly measured by an online balance. In addition the column is equipped with three TDR and temperature probes.The behaviour of two soil samples (sandy vs. loamy soil) are investigated under saturated, unsaturated and frozen conditions. The improved physical infiltration model based on the combination of Darcy's Law, Hagen-Poiseuille's Law, the capillary-rise equation and the van Genuchten θ(h) function determines with considerable accuracy both the unsaturated hydraulic conductivity and the effective saturated hydraulic conductivity of a partly frozen soil for rigid soil matrix conditions. This approach is compared with the Mualem concept for predicting unsaturated hydraulic conductivities. Fractures were observed due to freezing cracks in case of loamy material. For fractured soils the calibration with a skinfactor is found to be absolutely necessary to give reliable results. 相似文献
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A system atic study of coupled heat and mass transfer in unsaturated soils under complex boundary conditions was carried out and a mathematical model of heat and mass transfer in unsaturated soils was established by non-equilibrium thermodynamic theory. The gradient of volumetric moisture content, the gradient of temperature, the salt mass concentration and vapor pressure were the primary driving forces influencing the process of heat and mass transfer in unsaturated soils. Based on the thermodynam ic analysis and the mass and energy conservation principles, a set of mass and energy equations were developed. The initial and boundary conditions of soil column for one dimension were also given out. 相似文献
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不同热处理大豆分离蛋白凝胶冻藏特性 总被引：4，自引：4，他引：0
为探究冻藏过程中不同加热温度处理大豆分离蛋白(soybean isolate protein,SPI)凝胶特性变化及评估不同热处理对SPI凝胶冻藏特性的影响。该文以65、90和135℃3个不同温度处理所得SPI为研究对象(分别记为65SPI、90SPI和USPI),采用离心法、质构分析法、可溶蛋白含量测定和电泳等方法对其冻藏过程中的凝胶持水性、凝胶硬度、凝胶弹性、可溶蛋白含量及亚基组成和凝胶作用力进行了分析研究。结果表明:随冻藏时间延长,不同温度处理SPI凝胶持水性、凝胶弹性和凝胶可溶蛋白含量呈下降趋势,而凝胶硬度呈增大趋势。凝胶持水性、弹性的下降和凝胶硬度的升高标志着凝胶品质的劣变。不同温度处理对SPI凝胶的冻前凝胶特性和冻藏特性有较大影响,65和90℃的温度处理降低了冻前SPI凝胶的持水性,增强了冻前SPI凝胶硬度,有更多的β和B亚基参与了凝胶形成,冻藏前后的亚基组成没有变化;超高温瞬时加热(ultra high temperature,UHT)处理则降低了冻前SPI凝胶硬度,冻藏过程中可溶蛋白含量大幅下降且可溶蛋白中β和B亚基含量下降。3种温度处理SPI的凝胶劣变程度均高于未处理SPI。加热处理会造成SPI发生部分或完全变性,变性后疏水基团的暴露会加快蛋白凝胶形成过程中聚集速率,进而增大粗糙凝胶结构形成的几率,而粗糙凝胶网络在冻藏过程中其劣变程度更甚于未加热SPI。由此可知,加热处理尽管在一定程度上增大了凝胶硬度,但会加速其凝胶品质冻藏劣变。 相似文献
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土体冻结过程中基质势与水分迁移及冻胀的关系 总被引：2，自引：0，他引：2
土体冻结过程中不同位置液态水的能量差引起了水分迁移与重分布,进而引发冻胀,关于势能差驱动下的冻土水分迁移问题一直由于技术手段的匮乏而没有完全解决。利用新近推出的可用于冻土水热研究的p F meter基质势传感器与5TM水分传感器,实时监测研究饱和青藏红黏土单向冻结过程中基质势-液态含水率-温度-含冰量-水分迁移量-冻胀变形之间在时间、空间上的耦合变化关系。结果表明:土体温度场变化引起内部液态水相变,打破了原有的能量平衡,试验结束后12~14 cm土样高处含水率最高达到55%,靠近冻融交界面处(10 cm)的未冻区含水率减小至25.8%,水分整体向冷端发生迁移;土体冻胀的快慢及冻胀量大小与水分迁移速率及数量具有线性关系;试验后土体内总含水率的分布与分凝冰透镜体的分布一致,已冻区液态含水率的分布与温度梯度近似成线性关系,未冻区液态含水率的分布与水分的迁移量有关,与温度梯度无关。此外,温度场对水分场的变化具有诱导作用但二者并不同步,当冻结速率减小到一定程度时水分才开始迁移,第10小时后温度场趋于稳定而水分迁移并未停止。研究成果揭示了土体单向冻结过程中液态水、基质势、温度等物理参数的动态变化过程及内在联系,为冻胀机制的研究以及冻胀模型的建立提供了试验基础。 相似文献