在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,土壤的熱環(huán)境對(duì)作物生長具有極其重要的作用。土壤耕作層的溫度對(duì)作物的生長狀況有顯著的影響,合理調(diào)控土壤溫度對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是極其必要的。鑒于此,本文以西北旱區(qū)壓砂地為研究對(duì)象,基于VADOSE/W有限元軟件,分析了壓砂地土壤的熱性質(zhì),提出了一種利用土壤溫度計(jì)算土壤熱通量的研究方法,最后揭示了春小麥全生育期不同時(shí)段內(nèi)土壤溫度、溫差和溫度梯度隨時(shí)間的分布規(guī)律。主要內(nèi)容如下:(1)基于VADOSE/W軟件,建立了土壤大氣傳熱模型,對(duì)西北黃土高原皋蘭縣、新疆某地以及西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)的土壤溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證,結(jié)果表明:模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)介于0.9496~0.9980之間,擬合效果良好,吻合度高,可以用數(shù)值模擬結(jié)果代替試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。(2)利用VADOSE/W有限元軟件,研究了恒定熱源以及外界大氣溫度對(duì)土壤熱性質(zhì)的影響,得出了土壤溫度時(shí)空分布序列,并利用有限差分法以及傳統(tǒng)的正弦數(shù)學(xué)模型分析了裸地和壓砂地的土壤熱擴(kuò)散率與土壤熱通量。結(jié)果表明:覆砂和裸地土壤溫度的日變化在不同深度與時(shí)間呈正弦函數(shù),在深層土壤溫度振幅較小;在恒定熱源下,覆砂和裸地的土壤在不同深度的土壤熱擴(kuò)散率呈現(xiàn)一定差異,土壤熱擴(kuò)散率均隨土壤深度增加而增大,且隨著時(shí)間變化逐漸趨向穩(wěn)定;在日氣溫變化條件下,淺層土壤熱通量較深層變化幅度更大。壓砂地的土壤熱通量變化幅度小于裸地,覆砂可減弱外界環(huán)境對(duì)土壤內(nèi)部熱性質(zhì)的影響。(3)采用數(shù)值模擬的研究方法,對(duì)壓砂地春小麥生育期的土壤溫度的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明:在7:00及14:00,不論是否覆砂,土壤溫度與土壤深度的關(guān)系可用線性關(guān)系或二次函數(shù)關(guān)系表述。(4)采用數(shù)值模擬的研究方法,對(duì)壓砂地春小麥全生育期覆砂與裸土土壤溫差及溫度梯度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:在0:00至7:00期間,春小麥各生育期內(nèi)各層土壤溫差、溫度梯度為正,表明土壤表面覆砂在夜間具有保溫作用;隨著太陽高度逐漸升高,各層土壤溫差、溫度梯度均為負(fù)值;在夜晚22:00,各層土壤溫差、溫度梯度有變?yōu)檎�值的趨�?shì)。溫差波動(dòng)范圍在±3℃以內(nèi),溫度梯度直接反映出熱量的垂直傳輸情況,表明土壤表面覆砂在春小麥全生育期內(nèi)早晨和夜間可有效保持土壤溫度,在午間對(duì)熱量有阻抗作用,研究結(jié)果可為壓砂地春小麥土壤溫度的有效調(diào)控提供理論指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：S152
【部分圖文】：

壓砂地土壤熱量的數(shù)值模擬研究12一種傳統(tǒng)的正弦分析方法，是研究土壤傳熱重要的數(shù)學(xué)模型。土壤溫度在任何時(shí)間和深度可由下式計(jì)算[30,31]：,00expsinωztavezzTTAttDD(2.7)式中：Tave代表一個(gè)周期內(nèi)土壤表面平均溫度(℃)；A(0)代表土壤溫度振幅(℃)；t0代表滯后時(shí)間(s)；ω代表一個(gè)周期24小時(shí)的角頻率(sec-1)；D代表阻尼深度(m)，且02;DD2式中：代表溫度波動(dòng)周期(h)；D0代表熱擴(kuò)散率(m2·s-1)。土壤熱通量可由式(2.6)、式(2.7)得出式(2.8)[30]：02,0/4zGztAkexpzDsinttDD(2.8)2.4.3利用有限差分法分析土壤熱擴(kuò)散率土壤溫度是空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，可以采用有限差分法[6]離散時(shí)間和空間，為此我們建立正交的空間x軸和時(shí)間t的直角坐標(biāo)系，如圖2.4所示，沿x方向等分n個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為i,i=0,1,2,…,n，步長為x。沿y方向等分時(shí)間步長為t的時(shí)段，編號(hào)為j,j=0,1,2,…圖2.4有限差分網(wǎng)格對(duì)于式（2.5），可以使用顯示差分格式，求得熱擴(kuò)散率為：

壓砂地土壤熱量的數(shù)值模擬研究14第3章土壤溫度的數(shù)值模擬與驗(yàn)證土壤溫度是土壤內(nèi)部熱量狀態(tài)的重要研究對(duì)象，也是研究土壤熱量的重要參數(shù)。土壤的溫度直接影響作物生長，也可因?qū)χ参锕夂献饔谩⑺�分含量等影響而間接使作物受到影響，其中耕作層土壤溫度的影響尤為重要。本章利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了VADOSE/W軟件的可靠性。3.1實(shí)例1本實(shí)例驗(yàn)證的砂石粒徑大小0.3~1cm，對(duì)覆砂厚度為7cm的土壤在5cm和10cm深處的溫度進(jìn)行了模擬驗(yàn)證[70]。3.1.1模擬條件所需要的土壤數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[70]，土壤采自西北黃土高原(皋蘭縣)，土壤類型為壤土(12%砂粒、67%粉粒、21%粘粒)，上層1.6m土壤的平均容重為1.33g/cm3。模型設(shè)計(jì)長寬均為0.5m，深0.5m，但由于模擬驗(yàn)證經(jīng)常受到實(shí)測(cè)資料的限制，覆蓋材料和土壤選用軟件內(nèi)置的材料。土壤初始溫度根據(jù)每一次的模擬結(jié)果確定，直到模擬值和測(cè)試值有較高的相關(guān)性為止，本模型土壤和砂石的初始溫度設(shè)定在18℃~24.62℃之間，設(shè)定時(shí)應(yīng)盡量符合實(shí)際，并且根據(jù)外界氣溫條件合理確定模型所用材料的溫度初始值。本模型輸入大氣溫度作為模擬設(shè)定的熱邊界條件，持續(xù)24h。大氣溫度數(shù)據(jù)參考于氣象網(wǎng)站，不考慮降雨。3.1.2模型建立及網(wǎng)格劃分圖3.1幾何模型首先設(shè)定全局單元尺寸0.1m，然后指定模型區(qū)域，土壤剖面深0.5m，寬0.5m，覆砂厚度為7cm，如圖3.1所示，網(wǎng)格劃分選擇四邊形網(wǎng)格，則在區(qū)域內(nèi)形成四邊形網(wǎng)格；模型共生成2958個(gè)節(jié)點(diǎn)，2850個(gè)網(wǎng)格，在砂石材料表層加載熱邊界條件。砂石土壤

壓砂地土壤熱量的數(shù)值模擬研究183.2.2模型建立及網(wǎng)格劃分圖3.4幾何模型設(shè)定全局單元尺寸0.01m，然后選定指定模型區(qū)域，土壤剖面深0.25m，寬0.5m，如圖3.4所示，選擇四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；模型共生成1635個(gè)節(jié)點(diǎn)，1586個(gè)網(wǎng)格，在土壤表層加載熱邊界條件。3.2.3模型參數(shù)0.010.111010010000.100.150.200.250.300.350.40體積含水量（m3/m3）基質(zhì)吸力(kPa)0.010.111010010001E-111E-101E-91E-81E-71E-6X-傳導(dǎo)率(m/sec)基質(zhì)吸力(kPa)a)土壤體積含水量函數(shù)b)土壤滲透系數(shù)函數(shù)0.00.20.40.60.81.01.11.21.31.41.51.61.71.8導(dǎo)熱系數(shù)(J/(sec·m·))℃體積含水量（m3/m3）c)土壤熱傳導(dǎo)函數(shù)圖3.5土壤體積含水量函數(shù)、滲透系數(shù)函數(shù)和熱傳導(dǎo)函數(shù)由于模擬驗(yàn)證經(jīng)常受到實(shí)測(cè)資料的限制，土壤材料選擇軟件內(nèi)置材料中的粘土材料，參考相關(guān)學(xué)者的研究[80]設(shè)定合理的參數(shù)，土壤飽和含水量為0.3636m3/m3，土壤滲透系數(shù)為2.8×10-3cm/min。估計(jì)熱傳導(dǎo)函數(shù)需要使用導(dǎo)熱系數(shù)，并結(jié)合對(duì)土壤熱導(dǎo)率已有的相關(guān)研究[81]，本模型粘土導(dǎo)熱系數(shù)輸入0.8J/(sec·m·℃)，此模型只有裸土模型，用到了體積含水量函數(shù)、滲透系數(shù)函數(shù)和熱傳導(dǎo)函數(shù)等，如圖3.5所示。1.24℃土壤3.33℃土壤5.17℃土壤6.88℃土壤8.55℃土壤
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