毛乌素沙地裸土蒸发的动力学过程

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1、分类号:P64210710-BS2005103博士学位论文毛乌素沙地裸土蒸发的动力学过程马雄德导师姓名职称王文科教授申请学位类别工学博士学科专业名称地质工程论文提交日期2018年6月4日论文答辩日期2018年6月6日学位授予单位长安大学HydrodynamicProgressofBareSoilEvaporationinSemi-aridMuUsDesertADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：MaXiongdeSupervisor：Prof.WangWenk

2、eChang’anUniversity,Xi’an,China论文得到国家自然科学基金重点项目“旱区地表地下水系统水循环及界面动力学研究”（41230314）、国家自然科学基金“鄂尔多斯盆地风沙滩区土壤-地下水蒸散发机理研究”（41672250）、“毛乌素沙地地表干沙层形成机理及其水文生态效应研究”（41272247）的联合资助。摘要蒸发是干旱半干旱地区水文循环的关键环节，对调节水分在包气带中的分布具有不可忽视的作用，准确量化包气带水分蒸发过程中的能量和质量传递过程是水文地质学需要解决的科学问题之一。由于直接测量表土蒸发受一

3、定的时空限制，以Richards方程为基础，通过数值模拟刻画饱和-非饱和带水分运移特征是目前常用的方法之一。然而Richards方程的求解需要给定土壤持水性和非饱和导水率，最常用的模型包括Brooks&Corey和vanGenuchten模型。这些模型都采用残余含水率（由吸附力吸持）表示土壤含水率的最小值，但在极端干燥情况下土壤含水率甚至会减小到0，因而这些模型的计算结果并不理想，限制了此类模型在干旱半干旱地区非饱和带水分运移机理研究方面的应用。对传统土壤水力参数方程进行改进以满足不同地区土壤水分蒸发数值模型的要求是目前研究

4、的热点问题之一。本文以毛乌素沙地作为研究区，以风积沙为研究对象，采用室内试验、原位试验与数值模拟相结合的方法，开展了毛乌素沙地裸土蒸发动力学机制研究。首先在室内开展了初始饱和裸土的非等温蒸发试验，分析了毛乌素沙地的蒸发规律，提出了一个简单的解析公式来计算表层土（TopmostSoilLayer,TSL）与地下水位之间毛细水力联系断裂时临界水位埋深，以及蒸发锋面由地表向土壤内部移动时表层土的临界含水率；其次以Richards方程为基础，利用基于毛管理论的土壤水力参数方程（持水性方程选用vanGenuchten模型，非饱和导水率

5、方程选用Munlem模型）建立的水汽热耦合模型识别了室内蒸发试验过程，基于计算结果探讨了传统土壤水力参数方程在解决相对干燥土壤中水分运移时的不足之处和解决方法；以加权的毛管饱和度和薄膜饱和度之和建立了全湿度范围的持水性方程，进而改进了非饱和导水率方程，通过文献中的数据验证了模型的正确性，以此为基础再次反演室内蒸发试验时取得了较好的拟合效果；再次，在毛乌素沙地开展了昼夜温差较大、近地表土壤十分干燥条件下的原位监测试验，监测了气象要素及土壤水势、含水率及温度，分析了其变化规律。最后以改进的土壤水力参数方程为基础构建了新的水汽热耦

6、合运移数值模拟模型，基于原位监测数据评价了该模型在干燥条件下的表现，并将模型用于刻画毛乌素沙地十分干燥条件下包气带水分运动过程。结果表明：（1）初始饱和毛乌素沙地风积沙在蒸发过程中表层土与地下水位之间水力联系断裂的临界水位埋深为30.7cm，极限蒸发深度为70.7cm；I（2）毛乌素沙地风积沙蒸发锋面由地表向土壤内部迁移时表层土的临界含水率为0.055，湿转化区含水率变化范围为0.015-0.05；（3）改进的全湿度范围的土壤水力参数方程，能更有效地描述土壤在低含水率条件下的持水性和渗透性。考虑薄膜流后计算的蒸发量占土壤实际

7、蒸发量的98.8%，而忽略薄膜流后这一数值仅为87.0%。在不考虑薄膜流时液态水在蒸发过程中的作用被低估近10%左右。就毛乌素沙地风积沙而言，毛管流向薄膜流转化的临界负压水头为-140cm，负压水头达到-3.12×105cm时薄膜流停止，蒸发面向土壤内部迁移，水汽相变开始发生在土壤内部。（4）基于改进的土壤水力参数方程建立了新的包气带水汽热耦合运移模型并用于研究蒸发条件下毛乌素沙地非饱和带水分运移的动力学过程。结果表明：基质势梯度驱动下的水分通量较温度驱动下的水分通量大2-4个数量级，因而是毛乌素沙地蒸发的主要驱动力。0-3

8、cm之间水汽运移占主导，较高的基质势梯度驱动下的水汽通量难以被反向温度梯度驱动下的水汽通量所抵消，净水汽通量方向朝上；3-20cm之间是薄膜流占优区，该区土壤基质势及基质势梯度仍然较高但不足以促使水汽发生相变，基质势梯度驱动下水分以薄膜流形式运移，净通量的方向朝上。（5）相比于传统土壤水力