蒸發(fā)條件下包氣帶水熱運移模擬研究.pdf

1、水是國家經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源。對水資源缺少地區(qū)而言，提高水資源評價精度，對水資源合理開發(fā)利用起著至關重要的作用。我國西北內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)強烈，晝夜溫差大，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，水資源成為制約當?shù)厣鐣?jīng)濟發(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，學者們從水文地質角度，深入研究“降水(蒸發(fā))-

2、地表水-包氣帶水-地下水”的相互轉化機理，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蒸發(fā)有影響，影響程度有多大，在數(shù)值模擬過程中應該如何處理等這些問題，均有待深入研究。因此，進一步探討潛水蒸發(fā)規(guī)律和包氣帶水熱運移機理具有十分重要的理論意義和實際應用價值。 在綜合分析已有成果的基礎上，本文以包氣帶水熱運移為主線，以多孔介質流體動力學、土壤水分熱力學理論為指導，利用自行研制的包氣帶水熱運移模擬裝置對溫差作用下潛水蒸發(fā)過程

3、進行物理模擬，同時結合數(shù)值模擬和理論分析等手段，開展?jié)撍舭l(fā)規(guī)律和包氣帶水熱運移機理研究，獲得了以下成果和認識： 1.為獲取水分特征參數(shù)和熱參數(shù)而研制了測試儀器，其測試精度高，數(shù)據(jù)可信；設計了“穩(wěn)態(tài)法測定土壤介質的熱傳導率”的實驗方法，得到了介質熱傳導率隨含水率的變化關系，打破了以往只能依靠經(jīng)驗公式的局限性。 2.對表示介質熱傳導率的傳統(tǒng)模型進行了改進，建立了表示二者關系的新模型 KT(θ)-KTs-KTr，α

4、+(1-α)exp(βθ)式中首次對模型中的參數(shù)賦予了物理含義。 3.對于同種均勻介質而言，潛水穩(wěn)定蒸發(fā)強度E隨潛在蒸發(fā)量Eo呈良好的線性關系。當大氣蒸發(fā)能力較弱時，包氣帶中溫度分布對水分運動的影響比強烈蒸發(fā)條件下更為顯著。 4.當研究剖面溫度分布為上高下低時，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，對蒸發(fā)的抑制或促進作用越強。當頂?shù)捉缑娴臏夭畲笥?0℃時，在包氣帶水分分析計算中必須考慮溫

5、度這一影響因素。 5.耦合模型和等溫模型結果對比表明，以50cm為界，當?shù)叵滤宦裆钚∮谠撝禃r，潛水穩(wěn)定蒸發(fā)強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算結果近乎相等；大于50cm時，潛水穩(wěn)定蒸發(fā)強度隨水位埋深的增加急劇減小，并且耦合模型計算的潛水蒸發(fā)為零的極限埋深為60cm，與室內試驗結果一致，而等溫模型計算結果為90cm。因此當水位埋深大于50cm時，溫度對水分運動的影響顯著，應用耦合模型進行水量計算更為準確。