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冻融土壤水热盐运移规律及其SHAW模型模拟研究

作　者: 李瑞平
导　师: 史海滨
学　校: 内蒙古农业大学
专　业: 农业水土工程
关键词: 河套灌区秋浇冻融土壤水热盐迁移节水灌溉 SHAW模型
分类号: S152
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

资源、环境对社会和经济可持续发展具有重要意义,土壤和水是自然环境和农业生产的两项基本资源。在干旱寒冷地区,冻融土壤水盐运动的特殊规律与分配特性是影响北方灌区土壤盐渍化发生、发展和演变的重要因素。土壤的冻结和融化对于土壤盐渍化具有重要的作用。越冬期间土壤水分、盐分在垂直剖面上的迁移与土壤冻融的关系十分密切。研究冻融条件下土壤水热盐迁移,对农业生产具有十分重要的意义。本文以内蒙古河套灌区农业生产实际为背景,在探讨秋季灌溉后土壤冻融过程中水热盐迁移规律的基础上,揭示了秋季储水灌溉与抑制土壤盐渍化的机理。秋季储水灌溉是河套灌区多年生产实践中形成的用于冲洗土壤盐分和为翌年春小麦播种、幼苗发芽生长储水保墒的灌水形式。由于问题涉及冻土物理学、地下水文学和溶质动力学等多学科的综合,其机理十分复杂。自然条件下土壤冻融过程中水热盐迁移问题迄今尚未得到系统研究。研究通过室内外试验与理论分析相结合,揭示了季节性冻土地区土壤盐渍化形成机制,确定了节水防盐双重目标的秋浇节水灌溉制度,探讨了我国北方地区土壤盐渍化防治措施。在12年(1994~2006年)田间试验的基础上,通过对多年冻融期间的气温、地温、水分和盐分之间的年际变化关系及其统计特征的分析,系统分析了自然条件下冻融土壤水热盐迁移规律。通过秋浇试验,揭示了秋浇定额和地下水位对冻融期间水分和盐分运移的影响规律。引入美国农业部Flerchinger和Saxton建立的描述冻结条件下水分、热和溶质运移的SHAW模型,对冻融期间土壤水热盐动态迁移问题进行了模拟研究,揭示了冻融期间水热盐三者之间的耦合迁移规律。该模型与目前世界上广泛应用的SWAP模型相比,不仅能够模拟非冻季大气层、作物冠层、土壤层之间的能量、水量和溶质通量交换过程,而且涉及到土壤的冻结和融化,将冠层、雪被、凋落物层、冻土层和非冻土层组成了一个多层体系,对SPAC水热传输过程可进行更为详细的模拟。利用SHAW模型模拟分析了季节性冻融期的土壤冻结融化过程、冻融期间水热迁移规律和不同初始含水率对冻融期的水热状况的影响,得到了与水热迁移相关的物理量的动态变化规律,包括土壤含水率、储水量、温度、冻结深度、考虑水热交换情况下的地表蒸发、水分通量等,体现了理论分析相对于试验研究的优越性。以内蒙古河套灌区土壤墒情和盐渍化为背景,运用SHAW模型模拟分析了河套灌区3种盐渍化程度土壤(轻度、中度和重度)、不同秋浇定额和不同秋浇时间条件下冻融期土壤蒸发量、土壤储水量和土壤含盐量的变化规律。并且根据研究区春小麦春播期、苗期含水率和盐分随秋浇定额和秋浇时间的变化关系以及考虑地下水位影响和盐分迁移等因素,首次在理论分析的基础上,定量地研究确定了不同盐渍化土壤合理的秋浇节水灌溉制度。研究系统地探索了自然条件下盐渍化地区冻融土壤水热迁移规律及秋季储水灌溉后冻融期间土壤水热盐耦合迁移规律,为秋浇节水灌溉的深入研究提供了的理论基础,对灌区农业生产具有重要的指导作用,对于北方大型灌区节水改造和节水灌溉的实施以及盐渍化的防治具有重要参考价值。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-18
1 引言  18-31
  1.1 研究目的与意义  18-19
  1.2 国内外的研究进展  19-26
    1.2.1 冻融土壤水热盐运动研究进展  19-25
    1.2.2 SHAW 模型的研究进展  25-26
  1.3 试验研究区域背景  26-28
  1.4 研究内容与技术路线  28-31
    1.4.1 研究目标与内容  28-29
    1.4.2 研究技术路线  29-31
2 冻融土壤水热盐运移试验  31-40
  2.1 试验条件  31-37
    2.1.1 气候条件  31-32
    2.1.2 土壤条件  32-33
    2.1.3 地下水位动态  33-35
    2.1.4 试验仪器与方法  35-37
  2.2 试验方案与试验方法  37-40
    2.2.1 室内土壤冻结实验  37
    2.2.2 秋浇试验  37-38
    2.2.3 冻结期土壤水热盐监测试验  38-40
3 冻融期间土壤水热盐运移特征分析  40-61
  3.1 冻融期气温与土壤水盐运移年际变化特征  40-52
    3.1.1 气温的年度变化  40-41
    3.1.2 地温的年度变化  41-44
    3.1.3 土壤水分和盐分的年度变化  44-47
    3.1.4 土壤水分和盐分的时空变异特征  47-52
  3.2 冻融土壤水热盐耦合迁移规律  52-59
    3.2.1 气温和地温的变化过程  52-54
    3.2.2 土壤冻结和融化过程  54-56
    3.2.3 冻融过程中水热盐耦合运移特征  56-59
  3.3 小结  59-61
4 秋浇定额与地下水位对冻融期水盐运移的影响  61-75
  4.1 秋浇试验处理  61-62
  4.2 土壤水盐状态变化  62-64
    4.2.1 土壤水分的变化  62-63
    4.2.2 土壤盐分的变化  63-64
  4.3 秋浇定额对土壤含水率的影响  64-67
    4.3.1 0~40cm 土层平均含水率的变化  64-65
    4.3.2 秋浇前至融解后土壤含水率的剖面分布  65-67
  4.4 秋浇定额对土壤含盐量的影响  67-70
    4.4.1 0~40cm 土层平均含盐量的变化  67-68
    4.4.2 秋浇前至融解后土壤含盐量的剖面分布  68-70
  4.5 地下水位埋深对土壤含水率分布的影响  70-72
  4.6 地下水位埋深对土壤盐分分布的影响  72-73
  4.7 小结  73-75
5 土壤水热盐运移数值模拟模型（SHAW 模型）  75-87
  5.1 SHAW 模型简介  75-76
  5.2 系统上边界能量和水汽通量  76-80
    5.2.1 净辐射  77-79
    5.2.2 感热和潜热通量  79-80
    5.2.3 土壤热通量  80
  5.3 系统中的能量通量  80-81
    5.3.1 比热  80-81
    5.3.2 融化潜热  81
    5.3.3 传导热  81
    5.3.4 蒸发潜热  81
  5.4 系统中的水量通量  81-84
    5.4.1 液态水通量  82
    5.4.2 汽态水通量  82-83
    5.4.3 含冰率  83-84
  5.5 冻融土壤中的溶质通量  84-85
    5.5.1 分子扩散  84
    5.5.2 对流  84-85
    5.5.3 弥散  85
    5.5.4 溶质吸附  85
  5.6 下边界条件  85-86
  5.7 数值求解  86-87
6 SHAW 模型的率定与检验  87-107
  6.1 SHAW 模型的初始场和参数  87-89
    6.1.1 土壤温度和含水率  87
    6.1.2 气象资料  87
    6.1.3 模拟点的信息  87-88
    6.1.4 水力特性参数  88-89
  6.2 SHAW 模型的率定  89-96
  6.3 SHAW 模型的检验  96-106
    6.3.1 土壤水分模拟检验  96-100
    6.3.2 土壤温度模拟检验  100-102
    6.3.3 地表能量模拟检验  102-103
    6.3.4 土壤盐分模拟检验  103-106
    6.3.5 室内土壤冻结实验检验  106
  6.4 小结  106-107
7 冻融期土壤水热运移规律的SHAW 模型模拟研究  107-119
  7.1 土壤冻融过程的SHAW 模型模拟  107-110
    7.1.1 土壤冻结和融化  107-108
    7.1.2 地表负积温对土壤冻结深度的影响  108-110
  7.2 冻融期间土壤水热迁移规律的SHAW 模型模拟  110-113
    7.2.1 地表蒸发  110-111
    7.2.2 水分通量  111-112
    7.2.3 土壤储水量  112-113
  7.3 初始含水率对冻融土壤水热状况影响的SHAW 模型模拟  113-117
    7.3.1 土壤最大冻结深度随初始含水率的变化  114
    7.3.2 冻融期土壤蒸发量随初始含水率的变化  114-115
    7.3.3 冻融期土壤储水量随初始含水率的变化  115-117
  7.4 小结  117-119
8 基于SHAW 模型的秋浇节水灌溉制度研究  119-146
  8.1 模拟实验设计  119-120
    8.1.1 模拟方案  119-120
    8.1.2 模拟过程描述  120
  8.2 秋浇定额对冻融期土壤蒸发量的影响  120-122
  8.3 秋浇定额对冻融期土壤储水量的影响  122-128
    8.3.1 土壤1m 储水量  122-124
    8.3.2 秋浇储水效果  124-127
    8.3.3 土壤0~40cm 储水量  127-128
  8.4 秋浇定额对冻融期土壤盐分的影响  128-132
    8.4.1 土壤表层（10cm）盐分  128-130
    8.4.2 土壤0~40cm 盐分  130-132
  8.5 秋浇时间对冻融期土壤蒸发量的影响  132-133
  8.6 秋浇时间对冻融期土壤储水量的影响  133-135
  8.7 秋浇时间对冻融期土壤盐分的影响  135-138
  8.8 秋浇节水灌溉制度的确定  138-144
    8.8.1 轻度盐渍化土壤  138-140
    8.8.2 中度盐渍化土壤  140-142
    8.8.3 重度盐渍化土壤  142-144
  8.9 小结  144-146
9 结论与展望  146-151
  9.1 结论  146-150
  9.2 展望  150-151
致谢  151-152
参考文献  152-161
作者简介  161

冻融土壤水热盐运移规律及其SHAW模型模拟研究

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