土壤水热传输理论ppt课件.pptx

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1、土壤水热传输理论第6章土壤水热传输土壤热量传输理论蒸发条件下土壤水热传输土壤冻融过程中的水热传输6.1土壤热量传输理论土壤热特性土壤热量传输方程土壤水热耦合传输方程6.1.1土壤热特性土壤温度变化的机理和影响因素：热能在土壤中的传输方式：热传导、辐射、热对流（水的流动、潜热和显热输送）土壤热传导（Thermalconduction）:刚性物体的热传导方程--Fourier’sLaw:多孔介质：6.1.1土壤热特性土壤温度变化的机理和影响因素：土壤热特性参数（Thermalproperties）:比热容：热量储存能力热导率：热量传输能力热扩散率：热量扩散能力土壤比热容（Specifichea

2、tcapacity）：单位体积（质量）的土壤温度升降1℃所吸收或释放的热量，称为体积（质量）比热容Cv(Jcm-3℃-1)，Cm(Jg-1℃-1):Cv=ρtCm比热容是土壤的一种广度性质，具有可加性，是土壤各组分(矿物质、有机质、水、冰、空气)比热容之和Cv=Cvmθm＋Cvomθom＋Cvwθw＋Cviθi＋Cvaθa常温常压：1.92.54.181.780.001Cm=Cmmxm＋Cmomxom＋Cmwxw＋Cmixi＋Cmaxa常温常压：0.731.94.181.941.00一般情况下，Cv是土壤含水率的函数：Cv=1.925θm＋2.510θom＋4.18θw忽略有机质时：Cv=

3、1.925(1-θs)＋4.18θw一定容积(V)的土壤，温度从T1变化至T2时所需要的热量：Q=CvV(T2-T1)热导率(thermalconductivity)根据上述推导（FourierLaw）：qh=-Kh▽Tqh：热通量，Wcm-2Kh：热导率，Wcm-1℃-1热导率的影响因素土壤组分及其形状、结构、比例对于一定的土壤，主要取决于含水率热导率的测定：热导率的计算方法1：deVries(1963)半经验半理论的方法λ、X、Kh分别为土壤各相的加权系数、体积含量、热导率，下标i、w、a分别表示第i种固相组成、水、空气计算时以水为连续介质，其加权系数为1，其它各相的加权系数取决于该相

4、的平均温度梯度与水的平均温度梯度之比，并且与其形状有关假设土壤颗粒为椭球，并且其半轴长a、b、c满足a=b=nc时，其加权系数λi与其形状系数gi有关：n>1:n<1:n=1:gi=1/3土壤空气计算导热率：包括干空气、水汽的热导率Kha、Khv：Khav=Kha+Khv土壤空气形状系数：ga=1/3-(1/3-0.035)θa/θvθa、θv分别为单位体积土壤中的空气体积、孔隙体积热导率的计算方法2：经验方法(Chung&Horton,1987)Kh=b1+b2θ+b3θ0.5热扩散率：Dh=Kh/CvFourier热传导定律：qh=-Kh▽T=-CvDh▽TDh：cm2/s含水率θ较小

5、时，随θ的增大而增大含水率θ较大时，随θ的增大而减小6.1.2土壤热量传输方程热流连续方程：各向同性土壤热量传输基本方程：一维热传导方程：土壤含水率不随深度变化或其变化对热特性参数影响较小时，Cv、Kh、Dh可视为常数6.1.3土壤水热耦合传输方程土壤水分运动对热量传输的影响：土壤水分状况影响土壤热特性参数土壤水分相变（蒸发与凝结、冻结与融化等）产生热源、汇地表基质势影响水汽压，从而影响地表热量平衡土壤温度对水分运动的影响温度影响水的物理化学性质，从而引起土壤水分运动参数、基质势的变化温度势所产生的水分运动土壤水热耦合传输方程一般可忽略温度变化对水分运动参数的影响、温度势的影响，先求解水流

6、方程，然后求解温度方程土壤水、汽、热耦合传输方程：(略)6.2蒸发条件下土壤水热迁移模型土壤水热迁移方程地表与大气之间的水热交换定水位下潜水蒸发的数值模拟6.2.1土壤水热迁移方程水分：参数：VG模型温度：参数：经验模式6.2.2地表与大气之间的水热交换地表能量平衡：Rn=Cs+Es+GRn：净辐射Cs：显热消耗Es：蒸发潜热G：地表的热通量微气象学水热紊流扩散理论：显热通量：潜热通量Cp：空气定压体积比热容γ：湿度计常数T1、Ta分别为地表和大气温度e1、ea分别为地表和大气的水汽压ra、rs分别为空气动力学阻力和土壤阻力地表水汽压：M为水汽摩尔质量1为土壤表面基质势空气动力学阻

7、力ra：z：参考高度d：零平面位移z0：粗糙高度Κ：Karman常数u：为参考高度处风速St：大气稳定度修正土壤蒸发阻力rs(s/m)：随地表含水率的减小而增大，经验模式：rs=3.5(θs/θ)2.3+33.5土壤水热迁移的上边界条件：根据地表能量平衡方程、地表与大气间水热扩散方程，得到土壤水热迁移的上边界条件水分：通量边界Es温度：三类边界应用--定水位下潜水蒸发的数值模拟中壤日潜水蒸发量E模拟与实测值比较(H=0.