在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,土壤的熱環(huán)境對作物生長具有極其重要的作用。土壤耕作層的溫度對作物的生長狀況有顯著的影響,合理調(diào)控土壤溫度對于農(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段內(nèi)土壤溫度、溫差和溫度梯度隨時間的分布規(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)的土壤溫度進行了數(shù)值模擬驗證,結果表明:模擬值與實測值的相關系數(shù)介于0.9496~0.9980之間,擬合效果良好,吻合度高,可以用數(shù)值模擬結果代替試驗結果進行分析。(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土壤熱性質(zhì)的影響,得出了土壤溫度時空分布序列,并利用有限差分法以及傳統(tǒng)的正弦數(shù)學模型分析了裸地和壓砂地的土壤熱擴散率與土壤熱通量。結果表明:覆砂和裸地土壤溫度的日變化在不同深度與時間呈正弦函數(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散率呈現(xiàn)一定差異,土壤熱擴散率均隨土壤深度增加而增大,且隨著時間變化逐漸趨向穩(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,對壓砂地春小麥生育期的土壤溫度的時空分布規(guī)律進行了模擬。結果表明:在7:00及14:00,不論是否覆砂,土壤溫度與土壤深度的關系可用線性關系或二次函數(shù)關系表述。(4)采用數(shù)值模擬的研究方法,對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行了研究。結果表明: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、溫度梯度均為負值;在夜晚22:00,各層土壤溫差、溫度梯度有變?yōu)檎档内厔�。溫差波動范圍在�?℃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,在午間對熱量有阻抗作用,研究結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。
【學位單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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)學模型。土壤溫度在任何時間和深度可由下式計算[30,31]：,00expsinωztavezzTTAttDD(2.7)式中：Tave代表一個周期內(nèi)土壤表面平均溫度(℃)；A(0)代表土壤溫度振幅(℃)；t0代表滯后時間(s)；ω代表一個周期24小時的角頻率(sec-1)；D代表阻尼深度(m)，且02;DD2式中：代表溫度波動周期(h)；D0代表熱擴散率(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散率土壤溫度是空間和時間的連續(xù)函數(shù)，可以采用有限差分法[6]離散時間和空間，為此我們建立正交的空間x軸和時間t的直角坐標系，如圖2.4所示，沿x方向等分n個單元，節(jié)點編號為i,i=0,1,2,…,n，步長為x。沿y方向等分時間步長為t的時段，編號為j,j=0,1,2,…圖2.4有限差分網(wǎng)格對于式（2.5），可以使用顯示差分格式，求得熱擴散率為：

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)值模擬與驗證土壤溫度是土壤內(nèi)部熱量狀態(tài)的重要研究對象，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�、水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，對不同學者的實驗結果進行了模擬，驗證了VADOSE/W軟件的可靠性。3.1實例1本實例驗證的砂石粒徑大小0.3~1cm，對覆砂厚度為7cm的土壤在5cm和10cm深處的溫度進行了模擬驗證[70]。3.1.1模擬條件所需要的土壤數(shù)據(jù)來自文獻[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。模型設計長寬均為0.5m，深0.5m，但由于模擬驗證經(jīng)常受到實測資料的限制，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)每一次的模擬結果確定，直到模擬值和測試值有較高的相關性為止，本模型土壤和砂石的初始溫度設定在18℃~24.62℃之間，設定時應盡量符合實際，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個節(jié)點，2850個網(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，選擇四邊形結構化網(wǎng)格；模型共生成1635個節(jié)點，1586個網(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導熱系數(shù)(J/(sec·m·))℃體積含水量（m3/m3）c)土壤熱傳導函數(shù)圖3.5土壤體積含水量函數(shù)、滲透系數(shù)函數(shù)和熱傳導函數(shù)由于模擬驗證經(jīng)常受到實測資料的限制，土壤材料選擇軟件內(nèi)置材料中的粘土材料，參考相關學者的研究[80]設定合理的參數(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。估計熱傳導函數(shù)需要使用導熱系數(shù)，并結合對土壤熱導率已有的相關研究[81]，本模型粘土導熱系數(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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本文編號：2894240