非饱和带冻结期土壤温度变化试验研究

吕薛锋,杨军耀

(1.陕西省水土保持勘测规划研究所,西安710004;2.太原理工大学水利科学与工程学院,太原030024)

冻土具体是指0℃以下,并含有冰的各种岩石和土壤,可分为季节性冻土和常年性冻土。国内李述训和程国栋[1]对室内土壤冻结、融化过程进行了数值模拟。尚松浩[2]根据冻土水热基本方程导出了水热耦合方程,对不同条件下整个越冬期长时间的土壤冻融过程中的水热迁移进行了模拟。雷志栋[3]等模拟了冻结条件下土壤的水热耦合迁移规律,但未考虑气态水迁移及热的对流迁移。郑秀清采用气态水迁移和热对流迁移的水热耦合数值模型,模拟了天然条件下土壤的季节性冻土过程以及其中的水热迁移规律[4]。笔者模拟季节性冻土,实验历时18个月。模拟实验以亚黏土和砂土为研究对象,研究非饱和带冻结期土壤温度变化特征及其影响因素。

1 实验方法

1.1 模拟试验装置介绍

模拟实验装置主要由非饱和带土壤单向冻结模拟装置、空气制冷系统、定水头供水系统和土壤温度场自动监测系统组成。研究以海尔 BC/BD-388A冰柜(制冷功率为160 W)为基础,改造为数控制冷装置,模拟冬季土壤的冻结过程。为使水分能够均匀向上迁移,箱底铺2 cm厚的石英砂。模拟地下水位埋深为87 cm。冻结土壤温度采用智能温度传感器监测,数据由计算机自动采集,采集频率为1次/min。模拟实验装置见图1。

图1 非饱和带冻结期土壤温度变化室内模拟试验装置

1.2 模拟实验对象

模拟实验对象为当地采集土样,选取亚黏土和砂土两类土壤为研究对象。土壤颗粒分析结果及土壤物理性质见表1和表2。

表1 土样颗粒分析结果(质量分数) %

表2 土样物理性质

1.3 模拟实验土壤温度监测系统

土壤温度监测系统主要由LTM-8000系列“一线总线”智能模块、数字温度传感器及监测计算机组成。

温度监测网络连接方式总计8个通道,每个通道最多可以连接64个传感器。温度监测系统采用计算机作为上位机,LTM-8000系列“一线总线”智能模块作为下位机,数字温度传感器DS18B20作为测温元件,设计出一种全数字化的基于“一线总线”的冻结温度监测系统[5,6]。土壤温度实时监测界面见图2。

图2 非饱和带冻结期土壤温度实时监测界面

2 实验分析

2.1 土壤类型对气温与表层地温关系的影响

由图3可知,在相同气温降幅条件下,不同土壤类型对地表温度的影响表现为两方面：

1)砂土要比亚黏土地表温度降幅大,且随气温的降低,砂土与亚黏土地表温差越大;

2)土壤地表温变幅度小于空气的温变幅度。

空气的温变幅度在3℃左右,而土壤的温变幅度不到1℃。这主要是受到热传导率的影响,空气的热传导率远大于土壤的热传导率,从而导致土壤温度变幅远小于空气温度变幅。

图3 非饱和带冻结期7℃气温降幅条件下地表温度变化特征

2.2 非饱和带冻结期不同深度土壤温降速率特征

图4 非饱和带冻结期不同土壤深度温度变化特征

气温-3～-10℃范围。如图4所地,在整个砂土冻结期间,气温与土壤温度的变化趋势一致。深层土壤温度变化较平缓,而浅层(2,12,27 cm)受气温影响变化剧烈。2 cm深度温度从13.31℃变化为-1.5℃,12 cm深度温度从13.5℃变化为1.25℃,47 cm深度温度从14.5℃变化为8.5℃,87 cm深度温度从14.68℃变化为11.06℃。由图4,我们可以得出冻结期土壤温度变化具有一定的时间滞后效应,其时间滞后效应随着土壤深度的增加而增大。土壤剖面深度越深,土壤温度变化越小。砂土冻结210 h,随着土壤深度的增加,土壤温度变化曲线出现拐点,越向右偏移。在土壤87 cm深度土壤温度变化曲线已观察不出有明显的拐点。

2.3 土壤类型对非饱和带土壤温降速率的影响

气温-3～-10℃范围。如图5所示,在整个土壤冻结过程中,同样的气温降幅条件下,2 cm深度亚黏土温度从13.43℃变化为-0.25℃,砂土从13.31℃变化为-1.5℃;12 cm深度亚粘土温度从13.75℃变化为1.62℃,砂土从13.5℃变化为1.25℃;47 cm深度亚粘土温度从14.62℃变化为8.68℃,砂土从14.5℃变化为8.5℃。87 cm深度亚黏土温度从14.68℃变化为11℃,砂土从14.68℃变化为11.06℃。

图5 非饱和带冻结期不同土壤类型温度变化特征

由图5在相同的土壤深度,刚开始冷冻时亚黏土和砂土温度差别不是很大,但随着冷冻时间的增加,其温度差别越来越大。在2 cm深度,砂土地表的温度始终比亚黏土地表温度低0～2℃,其中2 cm深度亚黏土与砂土温度变化曲线差别最大。但随着土壤深度的增加,其温度差别越来越小。至87cm深度时,已没有明显的差别。土壤表层温度差别的不同,主要是受到冻结期土壤性质和气温变幅的影响。冻结期土壤性质主要由土壤颗粒组成决定,土壤颗粒组成,影响土壤的热传导率。砂土粒径小于0.01 mm仅占11.3%,而亚黏土粒径小于0.01 mm占22%,这是影响冻结期砂土和亚黏土温降速率不同的本质因素。温降速率还受到土壤含水率的影响,土壤87 cm深度,由于受到地下水位的影响,土壤为饱和含水率状态,因此土壤深度越深,温降速率差别并不明显。

3 实验结论及意义

通过模拟实验,我们总结出非饱和带冻结期同样的气温降幅条件下,空气温度的变幅(3℃)远大于土壤表面温度的变幅(1℃),砂土要比亚黏土地表温度降幅大;冻结期土壤温度变化具有一定的时间滞后效应,其时间滞后效应,随着土壤深度的增加而增大;冻结期砂土和亚黏土温度差别主要在土壤表层,土壤深层(87 cm)已经没有明显的差别。非饱和带冻结期土壤温度的研究成果将为非饱和带冻结期土壤水分迁移的研究奠定了基础,进而为冬季合理调整灌溉定额提供科学依据,充分提高水资源利用效率。

[1] 李述训,程国栋.冻融土中的水热输运问题[M].兰州：兰州大学出版社,1995.

[2] 尚松浩,雷志栋,杨诗秀.冻结条件下土壤水热耦合迁移数值模拟的改进[J].清华大学学报,1997,37(8)：62-64.

[3] 雷志栋,尚松浩,杨诗秀,等.地下水浅埋条件下越冬期土壤水热迁移的数值模拟[J].冰川冻土,1998,20(1)：51-54.

[4] 郑秀清.水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动[M].北京：地质出版社,2002.

[5] 石文茂,胡显华,刘雅娟,等.土壤温湿度测量仪的研制[J].农业工程学报,1994(4)：55-59.

[6] 邢述彦.越冬期土壤温度场及影响[J].太原理工大学学报,2004(3)：134-136.