蒸發(fā)條件下包氣帶水熱運(yùn)移模擬研究.pdf

1、水是國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源。對(duì)水資源缺少地區(qū)而言，提高水資源評(píng)價(jià)精度，對(duì)水資源合理開發(fā)利用起著至關(guān)重要的作用。我國(guó)西北內(nèi)陸的干旱半干旱地區(qū)，地表水系極不發(fā)育，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，水資源成為制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。已有研究表明，該區(qū)的水循環(huán)以垂向交換為主，蒸發(fā)為地下水排泄的主要途徑，也是地下水與大氣邊界水量交換的主要表現(xiàn)形式。在以往的研究中，學(xué)者們從水文地質(zhì)角度，深入研究“降水(蒸發(fā))-

2、地表水-包氣帶水-地下水”的相互轉(zhuǎn)化機(jī)理，取得了豐碩的成果。然而，地溫隨季節(jié)以及晝夜的變化是否對(duì)蒸發(fā)有影響，影響程度有多大，在數(shù)值模擬過程中應(yīng)該如何處理等這些問題，均有待深入研究。因此，進(jìn)一步探討潛水蒸發(fā)規(guī)律和包氣帶水熱運(yùn)移機(jī)理具有十分重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 在綜合分析已有成果的基礎(chǔ)上，本文以包氣帶水熱運(yùn)移為主線，以多孔介質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)、土壤水分熱力學(xué)理論為指導(dǎo)，利用自行研制的包氣帶水熱運(yùn)移模擬裝置對(duì)溫差作用下潛水蒸發(fā)過程

3、進(jìn)行物理模擬，同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析等手段，開展?jié)撍舭l(fā)規(guī)律和包氣帶水熱運(yùn)移機(jī)理研究，獲得了以下成果和認(rèn)識(shí)： 1.為獲取水分特征參數(shù)和熱參數(shù)而研制了測(cè)試儀器，其測(cè)試精度高，數(shù)據(jù)可信；設(shè)計(jì)了“穩(wěn)態(tài)法測(cè)定土壤介質(zhì)的熱傳導(dǎo)率”的實(shí)驗(yàn)方法，得到了介質(zhì)熱傳導(dǎo)率隨含水率的變化關(guān)系，打破了以往只能依靠經(jīng)驗(yàn)公式的局限性。 2.對(duì)表示介質(zhì)熱傳導(dǎo)率的傳統(tǒng)模型進(jìn)行了改進(jìn)，建立了表示二者關(guān)系的新模型 KT(θ)-KTs-KTr，α

4、+(1-α)exp(βθ)式中首次對(duì)模型中的參數(shù)賦予了物理含義。 3.對(duì)于同種均勻介質(zhì)而言，潛水穩(wěn)定蒸發(fā)強(qiáng)度E隨潛在蒸發(fā)量Eo呈良好的線性關(guān)系。當(dāng)大氣蒸發(fā)能力較弱時(shí)，包氣帶中溫度分布對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的影響比強(qiáng)烈蒸發(fā)條件下更為顯著。 4.當(dāng)研究剖面溫度分布為上高下低時(shí)，潛水蒸發(fā)受到抑制；反之，上低下高的溫度分布有利于潛水蒸發(fā)。溫度梯度越大，對(duì)蒸發(fā)的抑制或促進(jìn)作用越強(qiáng)。當(dāng)頂?shù)捉缑娴臏夭畲笥?0℃時(shí)，在包氣帶水分分析計(jì)算中必須考慮溫

5、度這一影響因素。 5.耦合模型和等溫模型結(jié)果對(duì)比表明，以50cm為界，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钚∮谠撝禃r(shí)，潛水穩(wěn)定蒸發(fā)強(qiáng)度隨水位埋深的增加緩慢減小并且等溫模型與水熱耦合模型的計(jì)算結(jié)果近乎相等；大于50cm時(shí)，潛水穩(wěn)定蒸發(fā)強(qiáng)度隨水位埋深的增加急劇減小，并且耦合模型計(jì)算的潛水蒸發(fā)為零的極限埋深為60cm，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果一致，而等溫模型計(jì)算結(jié)果為90cm。因此當(dāng)水位埋深大于50cm時(shí)，溫度對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的影響顯著，應(yīng)用耦合模型進(jìn)行水量計(jì)算更為準(zhǔn)確。