考虑土壤分层的地源热泵圆柱面热源模型

为研究土壤分层特性对埋地换热器传热的影响,将不同土层的埋管换热器简化为分层圆柱面热源,同时根据叠加原理,构建考虑土壤分层的埋管换热器解析传热模型,并用Ansys有限元模型验证传热模型的合理性.分层传热模型与均质传热模型的计算结果对比表明:采用土壤分层传热模型计算得到的钻孔壁温升具有明显的分层特性,分层土壤导热系数和热扩散系数相对均质参数越大,计算得到的钻孔壁温升越小;采用分层传热模型计算得到的土壤稳态温升与均质模型计算结果存在较大差别;在考虑土壤分层时,地下埋管中循环液的出口温度与均质模型计算结果存在差异.

基于ANSYS的土壤分层取样装置优化设计研究

针对大兴安岭生态功能区土壤分层取样装置插板,在使用过程中出现应力集中的现象,容易使插板尖端磨损或折断,影响其使用寿命,增加精准农业装备的生产制造成本。因此,在原有插板基础上优化其尺寸和结构,缓解入土尖端的应力集中问题。改进后的插板,其最大应力和最大变形均有所减小,提高了插板的强度和刚度,且加工、制造方便,减少了维护、运行成本,优化效果良好。这一研究,明确了土壤分层取样设备的优化方案,对取样装置的安全可靠性问题进行了有益探讨,为精准农业装备的设计及应用奠定了前期的理论基础。

土壤分层对U形地埋管换热器换热能效特性的影响

基于土壤分层特点,引入地埋管换热器能效系数作为换热特性评价指标,模拟分析了无渗流情况下土壤径向与轴向分层对地埋管换热器换热特性的影响。结果表明,回填材料导热性能、不同导热系数土壤层位置及厚度对地埋管换热器的换热特性均有一定影响;增强回填材料的导热性能在运行初期可削弱或抵消热堆积作用,但运行时间一长,会增大热短路效应;高导热系数土壤层位于钻井上部时可增强区段能效系数;增大高导热系数土壤层厚度可增强地埋管换热器总的换热能效。

放射性污染土壤分层取样检测

介绍了受放射性污染场地分层土壤的取样检测方法。该方法对不同深度分层土壤的β计数率介于6.34~86.9c/m,最低值与最高值之间相差1个量级以上,且最低值处于正常环境本底水平,充分表明建立的分层土壤取样方法能够有效避免样品交叉污染的问题,有助于提升样品的代表性和分析结果的准确性,能够应用于受放射性污染场地的分层土壤取样工作。

基于分层土壤的水土调控方法试验

以土壤物理学原理为指导,充分利用土壤基本物理性质,提出一种通过调整土壤剖面的分层组合方式,达到调控水土过程的技术,命名为人工分层配土(artificially layered soil,ALS)工程。为验证人工分层配土工程在水土调控方面的作用,开展室内积水入渗试验、植被蒸散发试验和野外干旱区土壤水分观测试验。结果表明:室内试验中,通过调整土壤剖面结构,人工分层配土显著提高了土壤的入渗能力,初始入渗速率提高3倍以上,平均入渗速率提高67.57%,土壤累计入渗量增加47.14%,同时降低了表层土壤含水量,减少38.39%土壤的无效蒸发量;野外试验中,分层配土处理组土壤含水量主要储存在地表下31~50 cm处,而野外原状土土壤含水量主要位于表层土壤,且相较于原状土壤,人工分层配土耗水量减少13.32%,耗水速率降低12.90%。因此,人工分层配土工程实现了水土调控的目的,对干旱区水土资源调控和荒漠化防治具有重要的意义。

BCC_AVIM陆面模式不同土壤垂直离散化方案对土壤水热输送的数值模拟

陆面模式中的土壤如何分层至关重要,一般情况下认为在受大气—地面界面影响较大的土壤表层应该细分,土壤越往深层,土壤层厚度的分层可以相应加大。已有研究表明:在不同天气和气候积分条件下,土壤厚度在根带以下,其对模拟结果有不同的影响。这表示根据不同的研究要求,应当改变土壤的分层方式。然而什么是陆面模式中的最优土壤分层方式仍不确定。因此本文主要利用BCC_AVIM陆面模式探究不同土壤垂直离散化方案对于土壤水热属性,表面辐射通量与感热、潜热通量模拟的敏感性,从而达到提升模式模拟效果的目的。BCC_AVIM陆面模式中原土壤分层方案为10层,将土壤各层的节点深度,土壤层厚度以及土壤各层的界面深度进行插值,由原来的10层土壤层插值到20层,在本文中称为方案一;参考模式CLM5.0中的土壤垂直离散化方案并改进到BCC_AVIM陆面模式中,原土壤层次也由10层增加到20层,为本文的方案二。将改进后的方案一和方案二与原方案结果对比分析发现:(1)方案一和方案二对土壤温度的模拟与实测数据更吻合,对于各层土壤温度的数值大小与变化趋势的模拟效果有所提升,其中方案一对浅层土壤温度的模拟效果更好。(2)在土壤湿度的模拟上,三种方案对浅层土壤湿度的模拟效果较好,对深层土壤湿度的模拟效果相对较差,其中方案一对土壤各层湿度曲线变化趋势与数值大小的模拟更加贴近实测数据。(3)方案一对土壤各层是否发生冻结或消融的时间判定更合理,更加接近实测数据。整体上,方案一的模拟效果最佳。由此,得出结论:方案一相较于原方案对土壤温、湿度的模拟效果有所改善,这表明在同样的土壤深度下,更密集更细致的土壤分层有利于提升模式对土壤水热输送的模拟能力。同时,方案一的模拟效果总体优于方案二,这也表明,在相同的土壤层次下,浅中层拥有更密集的土壤分层,对于提升模式对土壤水热输送的模拟能力有一定的积极影响。

降雨对废弃尾矿分层土壤重金属Cu、Pb、Zn的淋滤释放影响规律

为探究废弃尾矿中三种典型重金属元素Cu、Pb、Zn在不同降雨pH值、降雨强度以及降雨历时综合影响条件下的淋滤释放变化规律,以辽宁省辽阳县寒岭镇某废弃尾矿库为对象,在实验室配制与现场实际情况相符的不同污染程度的土壤样品,采用大型土柱分层装填,模拟降雨进行淋滤实验。结果表明:pH值越低,各出水口淋出液中铜铅锌的含量均越大,酸性淋滤下的重金属浓度相比碱性淋滤要更高,三种重金属的累积释放量为Zn>Pb>Cu;底部出水口重金属浓度一直保持是最大的,各土柱溢流口淋出液的重金属浓度不为0;总体上,淋出液中的重金属Cu、Pb、Zn含量均随着降雨强度的增大呈增加趋势;在酸性降雨条件下,淋出液中铜、铅、锌的含量也均随淋滤时间的增大呈增加趋势,弱碱性淋滤条件下则正好相反。

分层土壤中竖直埋管换热器传热特性

基于移动有限长线热源理论,考虑土壤分层及存在渗流现象,建立了埋管传热解析模型。利用热响应试验验证了该模型的正确性。对比分层模型与均质模型所给出的埋管散热过程的土壤温度响应表明:埋管周围土壤沿轴向分层使其温度分布也呈现分层而非均匀的特点,各层土壤中钻孔壁处温度趋于稳定所需的时间及数值因各层物性的差异而不同。对整个埋管区土壤均质或分层但存在渗流作用以及部分土壤层存在渗流作用等3种情况进行了计算分析,发现:若整个分层土壤中存在渗流,而视土壤为均质并忽略渗流的影响,则对换热能效系数低估可达6.3%;埋管散热在各土壤层中的热作用距离因存在渗流与否偏差可达43%。可见,为了准确评估钻孔周围渗流作用下分层土壤中的温度分布特性,应利用分层模型计算各土壤层中的热作用距离,以最大值确定管间距,否则会导致管群布置时管间距选取偏小。

应用探地雷达检测复垦土壤的分层结构

复垦土壤的物理条件, 是影响作物生长的重要因素。本文利用探地雷达为手段对研究区的复垦土壤进行了探测。对采集到的探地雷达数据应用小波方法进行了分析。通过将处理后的数据与复垦土壤的剖面进行对比, 证实只要采用适当的数据处理方法, 探地雷达可以有效的检测到复垦土壤的分层结构状况。

复杂测试条件下分层土壤模型的建立

针对任意布置电压和电流测量极情况下反演土壤模型的计算方法,以及变电站进行后期扩建时测量土壤参数时应选择的测试极与接地网最小距离的问题,基于水平多层土壤中的格林函数和不等间距接地网计算模型,建立了任意布置接地极和考虑接地网影响情况下土壤水平分层模型参数的反演计算方法。在验证该计算方法的同时,说明了等距四极法、直线四极法、任意四极法的有效性。以一个简单的接地网为例,对比了考虑接地网与否情况下反演土壤模型和计算接地电阻的差异,说明了接地网的影响范围。结果表明,在满足测试标准要求的前提下测试极连线与接地网边缘的平行间距至少为0.618倍接地网对角线长度。

典型岩溶石山山坡土壤剖面水分分层性特征及其影响因素

【目的】揭示岩溶石山山坡土壤剖面水分的分层性及其与土壤理化性质间的相互关系,为我国南方岩溶地区石漠化治理、水土流失和岩溶水文过程等研究提供科学依据。【方法】选取典型岩溶石山山坡土壤剖面进行分层取样,结合统计分析方法,研究岩溶石山地区土壤水含量的垂向分布特征及其影响因素,分析土壤剖面水含量的分层特征。【结果】岩溶石山山坡土壤剖面水含量具有明显差异,变化范围为34.66%~47.10%,平均值为38.15%,土壤质量水含量的最大值出现在35 cm深处。相关性分析结果表明,土壤质量水含量与有机质含量呈显著正相关(P<0.05,下同),与pH呈显著负相关,与中值粒径相关性不显著(P>0.05);有机质通过改善土壤团聚体结构影响土壤质量水含量变化。土壤质量水含量及理化性质的变化具有分层性,地表至35 cm为表土层,35~85 cm为过渡层,85~115 cm为稳定层。【结论】岩溶石山地区土壤剖面水分具有明显的分层性,是土壤性质、结构特征、根系活动、水分运动、化学淋滤作用及基岩界面综合作用的结果,尤其应注意20~40 cm处植被根系活动及基岩界面对土壤剖面水分变化的影响。

分层土壤中三维复合接地网分析软件的开发

基于电磁场和最优化理论开发分层土壤电阻率模型的核心计算程序,基于电路和电磁场相结合的方法,建立分层土壤下复杂三维接地系统接地电阻及地表电位、跨步电势和接触电势分布的核心计算程序。结合工程分析习惯、接地国家标准、IEEE标准,开发分层土壤中三维复合接地网分析软件。该软件能够分析大地地质的不均匀性,并进一步分析其中接地网的性能。分析中能够考虑接地装置的材料特性、结构变化、各种降阻措施、以及周围其他埋地管线的影响,不但所分析的模型能够尽量接近实际情况,而且计算速度快、结果准确。软件采用向导式应用和三维全景图形模式,具有界面友好、便于使用、可视化强的特点。为发、变电站、输电杆塔的接地设计和安全评估提供有力的技术支撑。

豫南黏板土壤分层酸化和耕层速效磷分布特征

黄淮海平原南部以黄褐土和砂姜黑土等为代表的耕地土壤酸化趋势明显。为深入认识该类型黏板土壤垂直剖面上pH值和耕层养分的空间变异情况,以豫南西平县为例,对县域范围内63个耕地样点进行pH值和速效磷测定,运用地统计学方法和ArcGIS技术分析不同深度土壤pH值和耕层土壤(0~20 cm)速效磷的空间分布状况,并分析了pH值与速效磷(AP)含量的相关性。结果表明:典型黄褐土和典型潮土0~10、10~20和20~30 cm的pH均值依次分别为4.98、4.93、5.31和5.46、5.81、6.26,随着土壤深度的增加逐渐升高,土层间差异不显著;典型砂姜黑土3个土层的pH均值分别为5.23、5.43、6.03,20~30 cm土层pH值比0~10、10~20 cm土层显著增加,其中比0~10 cm土层增加0.8~1个pH单位;石灰性砂姜黑土和湿潮土20~30 cm土层pH值也显著高于0~10、10~20 cm土层。0~20 cm土层典型黄褐土、典型砂姜黑土、湿潮土、典型潮土和石灰性砂姜黑土的AP含量范围分别为8.85~54.75、4.27~37.49、8.22~51.80、6.07~34.82和13.22~22.85 mg·kg^(-1),AP含量低值区呈块状分布在研究区域中部,高值区呈点、片状分布在研究区域四周。在0~20 cm耕层中典型黄褐土、典型砂姜黑土和湿潮土的pH值与AP含量均呈正相关关系。综上,豫南黏板土壤表现明显的分层酸化现象,随土壤深度的增加酸化减缓,而耕层AP含量分布不均匀,受土壤类型和pH值变化的影响。研究结果可为黄淮海平原南部黏板土壤酸化改良提供数据支撑。

基于HERA土壤分层风险评估的SVE修复方案优化

以新疆某石油炼化污染场地为研究对象,将场地土壤划分为4层,选取石油烃(C5~C7)为目标污染物,基于HERA (health and environmental risk assessment)软件开展土壤分层风险评估。结果表明:各土壤层的危害风险均超过可接受水平,修复目标值分别为161.20、182.58、316.75、450.24 mg·kg^-1。根据风险评估结果,提出场地土壤气相抽提(soil vapor extraction,SVE)修复方案,抽提井数量为20口,抽提流量为0.36 m3·min^-1,苯的去除量为56.71 kg·d^-1,需要147 d将场地土壤中污染物的浓度降低到修复目标值以下。依据土壤层风险评估结果和土壤污染羽分布不同,优化了SVE抽提井井深和井筛深度设置,相对于寻常SVE修复设计,可降低修复成本,提高修复效率,预防过度修复,形成了一套基于HERA风险评估的SVE修复方案设计体系。

考虑土壤分层的竖直埋管换热器传热特性研究

建立柱热源的分层土壤地埋管传热模型,利用分层岩土热响应试验验证模型的准确性,并与均质土壤模型比较分析了不同工况下地埋管换热器的传热特性。结果表明:使用均质土壤模型分析地埋管换热器传热特性会低估该埋管系统的换热能力,在变进口流体温度、变进口流体流速和变管径工况下,用均质土壤模型估算的单位管长换热量及钻孔平均导热系数,比分层土壤模型估算值分别低7.00%和6.62%、6.20%和6.19%、6.57%和6.56%;由于分层土壤模型考虑了土壤热物性沿埋管轴向分布、土壤温度也呈分层非均匀分布的特点。分层土壤、均质土壤模型模拟的最大热作用半径基本相同,且随着模拟时间的延长,分层土壤模型模拟土壤温度场温度分布呈均匀化趋势。由此可见,分层土壤模型可更好的揭示土壤热特性、热传导及热分布规律,将其应用于不同实际工况的系统设计计算可为工程量和工程费用的合理估算提供支持。

土壤水平分层条件下的闪电电磁场计算

研究了土壤水平分层条件下雷电电磁场的传播和衰减,分别利用Wait算法和Cooray算法对上下层土壤电导率存在差异的不同情况进行了计算,并利用FDTD精确算法对二者的计算结果进行了检验。结果表明:当下层土壤电导率小于上层土壤电导率时,Wait算法和Cooray算法的计算结果基本一致,均与FDTD精确算法结果较为吻合。而当下层土壤电导率大于上层时,相应的,其土壤复折射指数亦大于上层土壤,由于干涉效应的影响致使部分较高频段雷电电磁波发生选择性增大,衰减因子的幅值大于1,从而出现振荡现象。对比表明,Wait算法较好地反应了该现象,而Cooray算法则出现一定误差。

基于包络检波和STFT谱分析的探地雷达土壤分层信息识别

土壤分层信息,特别是表土层结构,对土地生产力具有重要影响,是评价土壤质量的一个重要指标。为了快速、准确地获取土壤分层信息,本文利用探地雷达对分层土壤进行了回波信号采集,并分别在时域和频域分析土壤层位置和层厚信息。首先在信号预处理的基础上,借助包络检波方法确定在土壤分层界面在时域上的位置;然后获取电磁波速度,得到土壤分层厚度。考虑到土壤介电常数与电磁波在土壤中传播速度的相关性,采用短时傅里叶变换方法(Short-time Fourier Transform,STFT)获取各土壤层时频域特征值,并利用回归分析建立特征值与介电常数之间的数学关系,实现对各土壤层的介电常数估算,从而计算出电磁波传播速度,进而确定土壤各层厚度。为验证算法的有效性,分别对理想模拟实验环境和农田环境进行了探地雷达实验,结果表明利用包络检波对探地雷达回波信息进行分析,土壤层检出率达到94.5%,借助STFT谱分析进行探地雷达回波速度估计,对于70 cm深度以上土层厚度计算误差大都保持在10%以下,但随着土壤深度的增加,误差变大。总体来说,本方法能有效识别浅层土壤的分层信息,可应用于实际生产中耕层厚度的估测。

不同土壤分层结构下接地网性能的差异计算

为了尽可能量化不同土壤结构下变电站接地网安全性能的差异大小,基于所得土壤电阻率测量试验数据,对比分析了山地、沿海、丘陵3类地区垂直分层土壤结构和水平分层土壤结构下的变电站接地网接触电压和跨步电压等安全指标,并以两者间的偏差百分比来衡量不同土壤结构与不同地区间差异。结果表明:使用现有的电流分布、电磁场、接地和土壤结构分布(current distribution,electromagnetic field and soil analysis,CDEGS)软件可以比较准确地计算出土壤水平分层和垂直分层结构;各地区两种土壤分层结构下的接触电压和跨步电压的对比说明了考虑土壤垂直分层的必要性;在同一地区垂直分层结构下,靠近土壤分界面部分的接触电压和跨步电压偏差百分比较高;最大值偏差百分比的计算结果说明,土壤电阻率越大,这种不同土壤分层结构所带来的差异越明显。

分层土壤电阻率在线监测系统研制

基于三极法研制了分层土壤电阻率在线监测系统,系统主要包括客户端软件、土壤电阻率监测仪和接地极3部分。分层土壤电阻率在线监测系统不但可以单机测量而且还可以形成一个多站点的土壤电阻率监测网络。该系统实现了4个功能:第一,同时测量5个以内不同深度层次的土壤电阻率和接地电阻值;第二,利用GPRS无线传输或串口有线传输实现了长期自动不间断地监测多地点、不同采样周期的土壤电阻率变化规律;第三,可在多种恶劣环境下远程监测不同设备接地装置的接地电阻值;第四,实现了测量数据的实时传送与显示以及对历史测量数据的快捷处理。通过三年的试验表明,该系统可以稳定准确地测量出不同深度层次的土壤电阻率值,测量数据可以精确地反映不同深度层次土壤电阻率的变化规律与温度、降水等气象因素的相关性。

降雨条件下分层土壤入渗特性

通过室内模拟降雨入渗试验,研究了粘土、壤土和沙土3种土壤不同分层组合方式对土壤入渗特性的影响。结果表明:垂直入渗条件下,分层土壤入渗特征由土壤分层组合方式决定;分层土壤累计入渗量与湿润锋距离呈线性相关关系;分层土壤入渗过程中,当粗沙覆盖细沙且降雨强度大于下层细沙土稳定入渗率时,湿润锋以上剖面可以达到或接近饱和,当细沙覆盖粗沙且降雨强度大于细沙土稳定入渗率时,湿润锋剖面中,除细沙土部分剖面达到饱和,其余粗沙土剖面无法达到饱和,且其饱和程度和下层粗沙土土壤持水能力有关。