冻结条件下土壤水热耦合迁移的数值模拟

以沈阳市季节性冻土为例,基于冻结条件下水热耦合迁移的数学模型,采用中心差分格式并用线性化迭代法求解,对现场土壤冻结过程进行了模拟。与实测结果对比表明,采用的参数及数学模型可成功模拟现场土壤冻结过程,并讨论了土壤冻结时水分与温度的迁移规律,可为后续研究奠定基础。

季节性冻融土壤水热耦合迁移的数值模拟

为了更好地体现季节性冻融土壤水热交换的复杂物理过程,将冻结条件下土壤水热迁移方程与根据地表能量平衡原理、微气象学理论建立的地气间水热交换的上边界相结合,建立了冻融土壤水热耦合迁移数学模型。采用隐式有限差分线性化迭代方法求解模型。通过田间试验观测结果与数值模拟结果的比较,表明所建立的数值模拟模型和计算方法是合理可行的,模型能够用来模拟季节性冻融过程中土壤水分和温度的变化过程。对分析预测冻融土壤水热盐定量迁移状况具有一定的实用价值。

雪层中水热耦合迁移模型的建立

建立了雪层中水、热耦合迁移模型,利用该模型分析了水、热、溶质交换的复杂的物理过程及雪层对土壤表面能量传输、水分迁移的影响,可用于预测冻融期积雪层的物理变化过程及雪层对土壤水热状况的影响。

回融过程中土壤水热耦合迁移的数值模拟

针对冻土回融过程的不利影响,以沈阳市土壤为例,基于冻土水热耦合迁移的数学模型,采用中心差分格式线性化迭代法求解,对现场土壤回融过程进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明,模拟中所采用的参数、数学模型及计算方法合理、有效。

冻土路基水热迁移问题的理论模型及数值模拟

路基不均匀沉陷和冻胀变形、纵向裂缝等是多年冻土区或是季节冻土区道路工程的主要病害,路基中的热状况与水分状况及其变化是引起冻害严重与否的主要因素。路基中热量的差异和改变引起水分的迁移与转化,而传统的等温模型不能确切地反映温度变化条件下路基中水分的迁移。该文在土体水分等温模型的基础上,建立水热耦合迁移数值模型,引进非等温扩散流方程,提出在水热梯度共同作用下的二维水热迁移的理论模型,并以青藏公路K3363+880路段为对象,进行水热耦合计算,证明模型的有效性,从而进行温度场和水分场变化规律的研究。

冻融土壤水热迁移数值模型的建立及仿真分析

根据土壤中能量和质量守衡、地表能量平衡及空气动力学理论建立了冻融条件下土壤水、热耦合迁移模型、反映负温下土壤温度与液态水含量关系的联系方程和地-气间水热交换模型，采用隐式有限差分线性化迭代方法求解模型。在此基础上，对冻结条件下太原盆地中部汾河冲洪积平原区土壤冻结规律及不同灌水定额下的水热动态进行了仿真分析，表明冬灌具有储水保墒作用。

季节冻土区风积沙土路基冻结过程中水热迁移数值分析

基于Harlan模型和Darcy定律，并考虑温度梯度对水分迁移影响、温度和含水量对水热参数影响以及各种环境气候因素的影响，建立了完全依赖气象资料和水热参数的风积沙土路基冻结过程中水热耦合迁移数学模型，采用全隐式有限差分格式和TDMA迭代法对内蒙古锡林浩特地区沙漠公路207国道K135＋000处冻结期间路基水热迁移规律进行了数值模拟．结果表明：该地区道路冻结深度随时间近似线性变化，冻结速度达到2～3cm·d^-1，最大冻深为3m左右，冻融时间约为180d；水分迁移主要发生在冻结锋面附近，从未冻区向冻结区迁移，且随着冻结锋面前移，迁移量逐渐增大；整个冻融期间最大冻深底部层位含水量变化较大，路面下0～50cm范围内温度变化比较剧烈．

冬季田间水热状况的数值模拟

根据土壤冻结过程中水热迁移的基本方程，推导了土壤水热耦合方程，改进了冻结条件下土壤水热迁移问题的求解方法。用该模型模拟了室内土柱冻结试验，模拟结果与试验结果吻合较好，同时计算速度较快。根据地表能量平衡原理、微气象学理论，建立了冻结条件下土壤蒸发模型，将其作为土壤水热迁移的上边界条件，模拟了北京永乐店试验站冬小麦试区１９９５～１９９６年越冬期（１９９５．１２．０１～１９９６．０２．２９共３个月）土壤的冻融过程，模拟结果与实测值基本符合。在模拟过程中，采用有限差分法求解土壤水热运动方程，水、热方程的上边界分别为第二、三类边界。根据模拟结果。

非等温条件下土壤水入渗的数值分析

基于温度梯度对土壤水分运移规律的影响机理以及热运移理论,考虑了温度变化对土壤水分运动参数的影响,建立了土壤水热 迁移耦合的数学模型,同时采用有限差分法对模型进行了数值求解。通过算例分析,结果表明温度对土壤水分入渗规律有显著的影响.

气候变暖下黄河源区冻土变化的数值模拟

近40年来,黄河源区地温长期处于增温状态,多年冻土出现表层融化。冻土退化后,土壤含水率减少,导致寒区径流的变化。所以研究冻土为寒区水资源估算提供了重要的依据。利用土壤水分迁移方程和热传导方程,采用中心差分格式并在一定假设前提下建立起冻土水热耦合迁移数学模型。对黄河源区站点的冻融深度进行模拟,结果表明:计算值和近2 a冻土的上、下限实测值吻合较好。由此表明采用的数学模型和数值方法是合理、可信的,在此基础上讨论了土壤冻融过程的一般规律。

非饱和土壤季节性冻融过程的仿真分析

建立了农田在自然条件下的垂向一维冻土-非冻土系统的水热耦合迁移模型,采用Newton-Naphson迭代法进行求解,通过模拟与实测结果对比,取得较好效果,验证了模型的可用性。在此基础上用该模型对季节性冻融期土壤冻融过程进行了仿真分析,研究了土壤季节性冻融特点,探讨了影响土壤冻融过程的主要因素,即气温和累积负温,仿真结果可为冬春作物的播种、预防冻害等提供科学依据。