非飽和帶凍結期土壤溫度變化試驗研究

呂薛鋒,楊軍耀

(1.陜西省水土保持勘測規劃研究所,西安710004;2.太原理工大學水利科學與工程學院,太原030024)

凍土具體是指0℃以下,并含有冰的各種巖石和土壤,可分為季節性凍土和常年性凍土。國內李述訓和程國棟[1]對室內土壤凍結、融化過程進行了數值模擬。尚松浩[2]根據凍土水熱基本方程導出了水熱耦合方程,對不同條件下整個越冬期長時間的土壤凍融過程中的水熱遷移進行了模擬。雷志棟[3]等模擬了凍結條件下土壤的水熱耦合遷移規律,但未考慮氣態水遷移及熱的對流遷移。鄭秀清采用氣態水遷移和熱對流遷移的水熱耦合數值模型,模擬了天然條件下土壤的季節性凍土過程以及其中的水熱遷移規律[4]。筆者模擬季節性凍土,實驗歷時18個月。模擬實驗以亞黏土和砂土為研究對象,研究非飽和帶凍結期土壤溫度變化特征及其影響因素。

1 實驗方法

1.1 模擬試驗裝置介紹

模擬實驗裝置主要由非飽和帶土壤單向凍結模擬裝置、空氣制冷系統、定水頭供水系統和土壤溫度場自動監測系統組成。研究以海爾 BC/BD-388A冰柜(制冷功率為160 W)為基礎,改造為數控制冷裝置,模擬冬季土壤的凍結過程。為使水分能夠均勻向上遷移,箱底鋪2 cm厚的石英砂。模擬地下水位埋深為87 cm。凍結土壤溫度采用智能溫度傳感器監測,數據由計算機自動采集,采集頻率為1次/min。模擬實驗裝置見圖1。

圖1 非飽和帶凍結期土壤溫度變化室內模擬試驗裝置

1.2 模擬實驗對象

模擬實驗對象為當地采集土樣,選取亞黏土和砂土兩類土壤為研究對象。土壤顆粒分析結果及土壤物理性質見表1和表2。

表1 土樣顆粒分析結果(質量分數) %

表2 土樣物理性質

1.3 模擬實驗土壤溫度監測系統

土壤溫度監測系統主要由LTM-8000系列“一線總線”智能模塊、數字溫度傳感器及監測計算機組成。

溫度監測網絡連接方式總計8個通道,每個通道最多可以連接64個傳感器。溫度監測系統采用計算機作為上位機,LTM-8000系列“一線總線”智能模塊作為下位機,數字溫度傳感器DS18B20作為測溫元件,設計出一種全數字化的基于“一線總線”的凍結溫度監測系統[5,6]。土壤溫度實時監測界面見圖2。

圖2 非飽和帶凍結期土壤溫度實時監測界面

2 實驗分析

2.1 土壤類型對氣溫與表層地溫關系的影響

由圖3可知,在相同氣溫降幅條件下,不同土壤類型對地表溫度的影響表現為兩方面：

1)砂土要比亞黏土地表溫度降幅大,且隨氣溫的降低,砂土與亞黏土地表溫差越大;

2)土壤地表溫變幅度小于空氣的溫變幅度。

空氣的溫變幅度在3℃左右,而土壤的溫變幅度不到1℃。這主要是受到熱傳導率的影響,空氣的熱傳導率遠大于土壤的熱傳導率,從而導致土壤溫度變幅遠小于空氣溫度變幅。

圖3 非飽和帶凍結期7℃氣溫降幅條件下地表溫度變化特征

2.2 非飽和帶凍結期不同深度土壤溫降速率特征

圖4 非飽和帶凍結期不同土壤深度溫度變化特征

氣溫-3～-10℃范圍。如圖4所地,在整個砂土凍結期間,氣溫與土壤溫度的變化趨勢一致。深層土壤溫度變化較平緩,而淺層(2,12,27 cm)受氣溫影響變化劇烈。2 cm深度溫度從13.31℃變化為-1.5℃,12 cm深度溫度從13.5℃變化為1.25℃,47 cm深度溫度從14.5℃變化為8.5℃,87 cm深度溫度從14.68℃變化為11.06℃。由圖4,我們可以得出凍結期土壤溫度變化具有一定的時間滯后效應,其時間滯后效應隨著土壤深度的增加而增大。土壤剖面深度越深,土壤溫度變化越小。砂土凍結210 h,隨著土壤深度的增加,土壤溫度變化曲線出現拐點,越向右偏移。在土壤87 cm深度土壤溫度變化曲線已觀察不出有明顯的拐點。

2.3 土壤類型對非飽和帶土壤溫降速率的影響

氣溫-3～-10℃范圍。如圖5所示,在整個土壤凍結過程中,同樣的氣溫降幅條件下,2 cm深度亞黏土溫度從13.43℃變化為-0.25℃,砂土從13.31℃變化為-1.5℃;12 cm深度亞粘土溫度從13.75℃變化為1.62℃,砂土從13.5℃變化為1.25℃;47 cm深度亞粘土溫度從14.62℃變化為8.68℃,砂土從14.5℃變化為8.5℃。87 cm深度亞黏土溫度從14.68℃變化為11℃,砂土從14.68℃變化為11.06℃。

圖5 非飽和帶凍結期不同土壤類型溫度變化特征

由圖5在相同的土壤深度,剛開始冷凍時亞黏土和砂土溫度差別不是很大,但隨著冷凍時間的增加,其溫度差別越來越大。在2 cm深度,砂土地表的溫度始終比亞黏土地表溫度低0～2℃,其中2 cm深度亞黏土與砂土溫度變化曲線差別最大。但隨著土壤深度的增加,其溫度差別越來越小。至87cm深度時,已沒有明顯的差別。土壤表層溫度差別的不同,主要是受到凍結期土壤性質和氣溫變幅的影響。凍結期土壤性質主要由土壤顆粒組成決定,土壤顆粒組成,影響土壤的熱傳導率。砂土粒徑小于0.01 mm僅占11.3%,而亞黏土粒徑小于0.01 mm占22%,這是影響凍結期砂土和亞黏土溫降速率不同的本質因素。溫降速率還受到土壤含水率的影響,土壤87 cm深度,由于受到地下水位的影響,土壤為飽和含水率狀態,因此土壤深度越深,溫降速率差別并不明顯。

3 實驗結論及意義

通過模擬實驗,我們總結出非飽和帶凍結期同樣的氣溫降幅條件下,空氣溫度的變幅(3℃)遠大于土壤表面溫度的變幅(1℃),砂土要比亞黏土地表溫度降幅大;凍結期土壤溫度變化具有一定的時間滯后效應,其時間滯后效應,隨著土壤深度的增加而增大;凍結期砂土和亞黏土溫度差別主要在土壤表層,土壤深層(87 cm)已經沒有明顯的差別。非飽和帶凍結期土壤溫度的研究成果將為非飽和帶凍結期土壤水分遷移的研究奠定了基礎,進而為冬季合理調整灌溉定額提供科學依據,充分提高水資源利用效率。

[1] 李述訓,程國棟.凍融土中的水熱輸運問題[M].蘭州：蘭州大學出版社,1995.

[2] 尚松浩,雷志棟,楊詩秀.凍結條件下土壤水熱耦合遷移數值模擬的改進[J].清華大學學報,1997,37(8)：62-64.

[3] 雷志棟,尚松浩,楊詩秀,等.地下水淺埋條件下越冬期土壤水熱遷移的數值模擬[J].冰川凍土,1998,20(1)：51-54.

[4] 鄭秀清.水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動[M].北京：地質出版社,2002.

[5] 石文茂,胡顯華,劉雅娟,等.土壤溫濕度測量儀的研制[J].農業工程學報,1994(4)：55-59.

[6] 邢述彥.越冬期土壤溫度場及影響[J].太原理工大學學報,2004(3)：134-136.