考虑空气影响的干旱区土壤水分运移模式研究

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1、2014年12月农业机械学报第45卷第12期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．12．020*考虑空气影响的干旱区土壤水分运移模式研究121，22朱红艳贾志峰李佩成刘秀花(1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100;2．长安大学水与发展研究院，西安710054)摘要:在前人研究的基础上，根据石河子垦区的实际情况，确定模型特定的边界条件及参数，建立适合该区的包气带-饱和带水、气二相流的质热传输模型，模拟土壤水分、温度的动态变化，并利用实测土壤温度、土壤含水率数据进行模型检验。结果表

2、明:模拟的土壤温度和含水率能够较好地反映实测值的变化规律，各土层模拟精度评价指标表明考虑空气影响的模拟结果更接近实测结果。对于9.7mm日降水量的入渗深度，耦合模型可影响20cm深土壤含水率，单相模型可影响到30cm深左右。降水当日考虑空气模拟的蒸发速率比不考虑空气模拟的蒸发速率大7.7%;降水后1d，不考虑空气影响导致蒸发速率比考虑空气的小3.19%。计算模拟期2种模型土壤总蒸发量，相差不大。根据2种模型水量平衡分析结果对比蒸发量的计算值与模拟值，发现考虑空气影响的模型模拟结果更可靠。关键词:石河子垦区包气带-饱和带二相流模型

3、土壤温度土壤水分蒸发量+中图分类号:S152.73文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)12-0126-13究发现对于非稳定渗流问题，采用单相流模型易高引言估包气带中的水饱和度，而基于水汽二相流模型的非饱和带中的水分运动状况直接决定着地下水模拟结果更为可靠。接受补给量的大小，研究土壤水的蓄存和蒸散，设计包气带气体不仅影响水流运动，对土壤热传输灌溉和排水都必须把握非饱和带中的水分运动及其也有影响。为理解空气相是如何影响土壤水、热耦［1］规律。传统的模拟非饱和土壤水流运动的概念合的过程，需要建立一个二相流的质、热传输

4、模型，模型，大多限于非饱和带中的水相运动，而对气相的探讨土壤水、汽、热、气之间的相互影响。本文以石研究较薄弱，或者直接忽略气相的作用。假定土壤河子垦区炮台试验站为例，依据定位试验监测资料，空气始终保持与大气压一致，空气可自由排出和进结合当地气象资料，在已有的非饱和土壤二相流的入，由此忽略包气带中空气压力变化，这种假设广泛质、热传输模型STEMMUS基础上，增加饱和部分模［2］用于基于传统的Philip和deVries理论的模型块，建立包气带-饱和带水、气二相流质热传输模型，中。实际上，水在非饱和带中的流动是水、气两相流模拟石河子

5、垦区土壤水、土壤温度动态变化，探讨气体在土壤孔隙通道中相互驱替的一个复杂过程，尤压对土壤水分运移的影响及对蒸发的影响，确定垦其在干旱-半干旱地区大强度降雨、有压入渗等问题区土壤水运移模式，以期为农业用水管理提供理论上，土壤中气相压力在入渗水流作用下，由于瞬间不依据和对策。可能完全消散，气压的急剧增加将对水流的运移产1理论方法［3］［4］生不可忽略的影响。Morel-Seytoux等研究两相流入渗考虑了空气流动和压缩对水流的阻力，计算1.1模型介绍得出空气对水流的阻力使下渗过程受到明显影响。STEMMUS(Simultaneous

6、transferofenergy，［5－6］［10］唐海行等指出:可利用表层含水率饱和度来考massandmomentuminunsaturatedsoil)是一个模［7－8］虑气压势对下渗水流运动的影响。李援农等认拟非饱和土壤水、水汽、空气和热耦合运移的模型。为入渗过程中水流不断压缩土壤空气，阻碍入渗水本文在此基础上，针对研究区的特殊条件，增加了饱［9］流继续运动，从而造成入渗率下降。孙冬梅等研和模块，建立了包气带-饱和带水、气二相流质热传收稿日期:2014-06-18修回日期:2014-08-18*国家自然科学基金资助项目(

7、41273104)和高等学校学科创新引智计划(111计划)资助项目(B08039)作者简介:朱红艳，博士生，主要从事水资源利用与保护研究，E-mail:zhyzhuhongyan@163．com通讯作者:李佩成，教授，博士生导师，主要从事水资源及水文地质研究，E-mail:li_peicheng@163．com第12期朱红艳等:考虑空气影响的干旱区土壤水分运移模式研究127输模型。利用隐式有限差分计算方法，通过Matlab1.2.2干空气平衡方程程序代码实现对修正的Ｒichards方程的数值求解。干空气在非饱和土壤中流动的驱动力

8、主要为干1.2模型控制方程空气密度梯度及空气压强梯度。干空气的平衡方程［11］首先采用Milly公式，只考虑土壤和大气间为垂向交互过程，描述传统的水、热耦合模型。在此基qa［ερda(Sa+HcSL)］=－(4)础上，建立二相流质、热模型。考虑到干空气是土壤