毛烏素沙地裸土蒸發(fā)的動力學(xué)過程

《毛烏素沙地裸土蒸發(fā)的動力學(xué)過程》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、分類號:P64210710-BS2005103博士學(xué)位論文毛烏素沙地裸土蒸發(fā)的動力學(xué)過程馬雄德導(dǎo)師姓名職稱王文科教授申請學(xué)位類別工學(xué)博士學(xué)科專業(yè)名稱地質(zhì)工程論文提交日期2018年6月4日論文答辯日期2018年6月6日學(xué)位授予單位長安大學(xué)HydrodynamicProgressofBareSoilEvaporationinSemi-aridMuUsDesertADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：MaXiongdeSupervisor：Prof.WangWenk

2、eChang’anUniversity,Xi’an,China論文得到國家自然科學(xué)基金重點項目“旱區(qū)地表地下水系統(tǒng)水循環(huán)及界面動力學(xué)研究”（41230314）、國家自然科學(xué)基金“鄂爾多斯盆地風沙灘區(qū)土壤-地下水蒸散發(fā)機理研究”（41672250）、“毛烏素沙地地表干沙層形成機理及其水文生態(tài)效應(yīng)研究”（41272247）的聯(lián)合資助。摘要蒸發(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(xué)需要解決的科學(xué)問題之一。由于直接測量表土蒸發(fā)受一

3、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(dǎo)水率，最常用的模型包括Brooks&Corey和vanGenuchten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?xí)p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

4、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(xué)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（TopmostSoilLayer,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vanGenuchten模型，非飽和導(dǎo)水率

5、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(dǎo)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

6、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；I（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。考慮薄膜流后計算的蒸發(fā)量占土壤實際

7、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-3.12×105cm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(xué)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。0-3

8、cm之間水汽運移占主導(dǎo)，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