發(fā)布時(shí)間：2020-10-26 11:13

　　 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(duì)調(diào)節(jié)水分在包氣帶中的分布具有不可忽視的作用,準(zhǔn)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(cè)量表土蒸發(fā)受一定的時(shí)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(yùn)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?xí)�減小到0,因而這些模型的計(jì)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(yùn)移機(jī)理研究方面的應(yīng)用。對(duì)傳統(tǒng)土壤水力參數(shù)方程進(jìn)行改進(jìn)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(diǎn)問題之一。本文以毛烏素沙地作為研究區(qū),以風(fēng)積沙為研究對(duì)象,采用室內(nèi)試驗(yàn)、原位試驗(yàn)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(dòng)力學(xué)機(jī)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(yàn),分析了毛烏素沙地的蒸發(fā)規(guī)律,提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的解析公式來計(jì)算表層土(Topmost Soil Layer,TSL)與地下水位之間毛細(xì)水力聯(lián)系斷裂時(shí)臨界水位埋深,以及蒸發(fā)鋒面由地表向土壤內(nèi)部移動(dòng)時(shí)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(dǎo)水率方程選用Munlem模型)建立的水汽熱耦合模型識(shí)別了室內(nèi)蒸發(fā)試驗(yàn)過程,基于計(jì)算結(jié)果探討了傳統(tǒng)土壤水力參數(shù)方程在解決相對(duì)干燥土壤中水分運(yùn)移時(shí)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(jìn)而改進(jìn)了非飽和導(dǎo)水率方程,通過文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)驗(yàn)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(yàn)時(shí)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(cè)試驗(yàn),監(jiān)測(cè)了氣象要素及土壤水勢(shì)、含水率及溫度,分析了其變化規(guī)律。最后以改進(jìn)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(yùn)移數(shù)值模擬模型,基于原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)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(yùn)動(dòng)過程。結(jié)果表明:(1)初始飽和毛烏素沙地風(fēng)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(fēng)積沙蒸發(fā)鋒面由地表向土壤內(nèi)部遷移時(shí)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(jìn)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(jì)算的蒸發(fā)量占土壤實(shí)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(shí)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(fēng)積沙而言,毛管流向薄膜流轉(zhuǎn)化的臨界負(fù)壓水頭為-140cm,負(fù)壓水頭達(dá)到-3.12×10~5cm時(shí)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(jìn)的土壤水力參數(shù)方程建立了新的包氣帶水汽熱耦合運(yùn)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(yùn)移的動(dòng)力學(xué)過程。結(jié)果表明:基質(zhì)勢(shì)梯度驅(qū)動(dòng)下的水分通量較溫度驅(qū)動(dòng)下的水分通量大2-4個(gè)數(shù)量級(jí),因而是毛烏素沙地蒸發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力。0-3cm之間水汽運(yùn)移占主導(dǎo),較高的基質(zhì)勢(shì)梯度驅(qū)動(dòng)下的水汽通量難以被反向溫度梯度驅(qū)動(dòng)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(shì)及基質(zhì)勢(shì)梯度仍然較高但不足以促使水汽發(fā)生相變,基質(zhì)勢(shì)梯度驅(qū)動(dòng)下水分以薄膜流形式運(yùn)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(jìn)的土壤水力參數(shù)模型在描述土壤由濕變干的整個(gè)過程的中具有明顯的優(yōu)勢(shì),模型中沒有引入額外的參數(shù),便于應(yīng)用。通過野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)改進(jìn)模型計(jì)算的含水率、溫度變化規(guī)律與實(shí)測(cè)值一致性較好,認(rèn)為該模型可以作為干旱條件下非飽和帶水分運(yùn)移機(jī)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(dòng)力學(xué)過程,豐富和發(fā)展了土壤水動(dòng)力學(xué)及相關(guān)學(xué)科的理論與方法,對(duì)干旱半干旱地區(qū)土氣界面水分運(yùn)移研究具有示范作用。
【學(xué)位單位】：長(zhǎng)安大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P426.2
【部分圖文】：

長(zhǎng)安大學(xué)博士學(xué)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(rùn)；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(qiáng)結(jié)合水。當(dāng)土壤顆粒周圍的水汽飽和時(shí)，土壤吸濕水量達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)的土壤含水率稱為吸濕系數(shù)。土壤顆粒對(duì)水分子的吸附力，最里層可達(dá)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(shì)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(gè)臨界值時(shí)，小孔隙中水分子向下的重力和粘滯力與毛管力達(dá)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(shí)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(dāng)?shù)叵滤�與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(jìn)入土壤內(nèi)部（Shokri , 2009），土壤表層的水分運(yùn)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(shí)間。這是因?yàn)橐涵h(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(jì)算蒸發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)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(kuò)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(jìn)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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