非恒温条件下土壤水热耦合传输的数学模拟

非恒温条件下土壤水热耦合传输的数学模拟

一、非恒温条件下土壤中水热耦合运移过程的数学模拟(论文文献综述)

李腾风[1](2020)在《非饱和土体水热耦合作用机制数值模拟研究》文中提出近年来随着能源的开发与运输、城市地下空间冻结施工法的快速应用,越来越多的工程涉及到非饱和土体水、热耦合影响问题。因此开展对非饱和土体结构受热源、冷源影响的研究,有着重要的现实意义和工程应用价值。本文主要内容是在前人研究的基础上,通过对传统计算模型的改进与创新,分别对非饱和土体受热源、冷源作用,不同工况对应的水、热耦合问题进行讨论。同时采用QSGS方法对土体模型重构,展现出土体结构在不同情况下的变化规律,其相应的研究成果无论是在科研方面还是在工程适用性方面,均有重要的价值。主要研究内容如下:(1)在热源作用下,由于传统模型仅仅考虑温度对水分的影响,而忽略水分对温度的影响过程,为此本文通过对传统计算模型改进处理,使其能较好的考虑水、热双向耦合作用的影响效果,同时通过近年来新发展的格子Boltzmann方法对改进的模型进行离散求解。并以此为基础分别讨论了在不同的耦合模型、不同热源温度、不同初始孔隙率三种情况下对应的温度场和水分场的演化规律及相关参数敏感性问题。结果表明:传统的计算模型在处理水热耦合方面对温度场、水分场均存在着明显的误差,本文所提出考虑两者协同影响效果的模型更具合理性;同时,随着热源温度的升高、孔隙率的变大,温度传递的过程也越快,其影响的范围也越广;此外,水分场在热源影响下均呈现出先逐渐增大而后逐渐减小趋于平缓的趋势,且随着热源温度的增加其现象也越明显,但其变化趋势受孔隙率的影响较小。(2)在冷源影响下,由于经典的Halan模型在求解温度和水分分布过程中存在着强耦合性、高非线性的特点,极易出现数值震荡和参数不收敛的问题。为了较好的解决此问题,本文在前人研究的基础上,提出一种新的计算模型,并通过相关的验证来证明本模型的准确性。以此为基础分别对在不同时间、不同初始体积含水量、不同冷源温度以及阻抗因子的影响等几个方面进行相关问题的讨论,结果发现:随着冷源温度的降低、初始体积含水量的增大,其温度的演化过程越深、影响范围越广、冻结锋面位置的推进也越远;对于水分场,不同情况下均出现未冻区中的水分会明显的向冻结区迁移,同时,随着时间的推移在锋面位置逐渐发生水分积聚的现象,且随着冻结的时间越长、冷源温度越高、初始体积含水量越大其水分在冻结区出现水分积聚的现象也越明显;此外,由于阻抗因子的影响过程随冻结时间、水分积聚效应的不同而呈现出不同的作用效果,因此应根据相应的情况适时考虑。(3)通过对QSGS方法中各参数意义以及计算效率和模型相对误差的讨论,提出契合区间的概念,并以此为基础对土体模型进行微观重构,分别对受到热源、冷源的影响,对应不同工况下的土体结构变化情况进行讨论分析,结果发现:在热源作用下均会出现在热源位置处的孔隙增大且稍远离热源的位置较小的现象,且随着热源温度越高、初始体积含水量越大,其相应的土体内部结构变化也越大,影响范围也越广;在冷源影响下,其均会出现冻结区的孔隙较未冻区小,且冻结时间越长、冷源温度越高、初始体积含水量越大其现象越明显,在冻结区土体结构表现得越“密实”。

王嘉昕[2](2020)在《内陆河灌区枸杞生产水分转化过程与模拟》文中指出干旱缺水和水资源利用效率低是制约西北内陆河灌区农业发展的主要瓶颈,本论文以青海柴达木盆地怀头他拉灌区为试验点,以其代表性作物枸杞为对象,采用农田连续定位观测的方法,研究滴灌条件下,通过农艺技术调控水分转化过程,实现节水增产增效的科学目标。并采用考虑土壤干空气耦合的水热耦合模型STEMMUS(Simultaneous Transfer of Energy,Mass and Momentum in Unsaturated Soil)模拟不同技术模式下水分转化过程,并探讨对降水挖潜增加雨水资源情景下水分转化过程和作物蒸腾耗水规律。取得如下主要结论:(1)与传统的平地裸地种植模式(FN)相比,垄沟覆膜种植(RM)显着提高20cm土层积温(P<0.05),并提高10-110cm土壤储水量达到16.1%(2018年)和24.3%(2019年)。同时有效抑制土壤蒸发量达39.9%(2018年)和55.1%(2019年),为作物生长、开花坐果提供了良好的土壤水热环境。(2)STEMMUS模型能够较好模拟干旱内陆河灌区的土壤水热、蒸发蒸腾动态变化过程。对于土壤温度的模拟,考虑干空气耦合对模拟精度的影响微弱。浅层土壤的水分模拟差异与水分输入(降雨/灌溉)量的增加呈明显的正相关关系,当降水/灌溉达到20mm时,差异增大至1.2%。此外,蒸发蒸腾和蒸发模型的差异也随着水分输入的增加呈正相关性,当水输入量为30mm时,差异增量分别达到0.3和0.2mmd-1。耦合Shuttle-Wallace(S-W)双源模型成功提高了STEMMUS模拟蒸发蒸腾(一致性指数(9值提高达5.8%)和地表蒸发((9值提高达13.0%)的精度。(3)降雨挖潜对土壤温度的动态过程影响微弱,0-100cm剖面的温度模拟均值的最大差异仅为0.8%。但明显提高10-110cm土层的土壤储水量,20%降雨增量情景平均提高7%以上。RM计算的作物蒸腾耗水比例(蒸腾/蒸散发)较实际情况分别提高蒸腾耗水比例0.3%(10%降雨增量)和0.4%(20%降雨增量)。在产量增加10%时假设情况下,当增雨量达10%时,水分利用效率增长幅度为7.2%-9.6%,增雨量为20%时的增长幅度为2.3%-5.2%。(4)2018-2019年观测到的RM处理的枸杞果径、果长均显着(P<0.05)高于另外两个处理,并获得最高的枸杞子总产量、水分利用效率和经济净效益,与FN相比,RM提高枸杞产量达到16.5%(2018年)和26.6%(2019年),水分利用效率较FN提高3%(2018年)和22%(2019年),经济净效益比FN增长11.74%(2018年)和31.94%(2019年)。然而各处理之间果实维C含量和总糖含量未发现显着性差异。对于西北内陆河灌区,垄沟覆膜种植方式是促进作物生长和增产增效的高效农艺技术措施。模拟结果表明降水挖潜将有效提高作物根区土壤储水量;并在产量增加的前提下提高作物水分利用效率。本研究将为西北内陆河灌区水资源高效利用提供科技支撑。

李仁杰[3](2020)在《增湿作用下重塑黄土水-热迁移及强度规律研究》文中认为近年来,随着国家“一带一路”战略的逐步推进,西部黄土地区的开发和基础设备建设必将达到一个新高度,尤其是湿陷性黄土地区。而黄土地区的公路、铁路、市政、水利等工程设施均修筑于浅层非饱和黄土中,一旦发生浸水等情况,势必会导致黄土强度大幅度的骤降及变形大幅度的突增,进而危及工程建设安全。为防止因湿陷性黄土浸水湿陷危及上部建筑物,实际工程中常常采用浸水预湿法来处理黄土湿陷性,虽然能够大致消除湿陷性危害,但仍然存在诸多问题急需解决。基于上述情况,本文提出了一种新型黄土增湿方法—高温高压水蒸汽增湿法,并以兰州地区重塑黄土为研究对象,从增湿作用下土中水-热运移与土体强度变化的角度出发,进行不同蒸汽压力下重塑黄土高温高压水蒸汽柱状增湿试验,研究在高温高压水蒸汽增湿作用下,土体中温度场、水分场的变化规律和终态分布情况。并针对经增湿处理后对土体强度的影响,进行含湿黄土直剪试验,分析在不同蒸汽压力增湿作用下重塑黄土强度的变化规律。本论文研究取得的主要结论:采用高温高压水蒸汽柱状方式对土体进行增湿时,水蒸汽和温度在空间上的扩散范围近似于一个圆台(体)。同一深度层面上,沿径向随着水蒸汽运移距离的增大,蒸汽运移速率逐渐减小,土体含水率和温度迁移速率逐渐降低。而且由于下部通气孔的蒸汽压力较上部而言偏大,沿深度方向,增湿影响的范围越来越大,同时随着注入扩散柱内的蒸汽压力增大,同一深度层面上受增湿影响的范围越来越大,且中心最优含水率范围也逐步增大。在0.05MPa(或0.1MPa)蒸汽的增湿过程中,每一时刻对应一个增湿范围,虽然延长通气时间,能够使土体内增湿的范围和增湿程度有所增大,其单位时间受蒸汽增湿影响增大的范围呈先增大后减小的趋势,建议将增湿时间控制在9h范围内。经高温高压水蒸汽增湿后,不同位置处土体的温度和含水率均发生不同程度的改变,但土体抗剪强度降低受温度影响较小,主要由含水率的增大所造成的。距通气点的距离越近,增湿后含水率越高,对应的土体抗剪强度越低。同时当注入扩散柱内的蒸汽压力增大时,距通气点较近处土体抗剪强度下降的程度比远处下降的程度更大。其次,运用库伦公式对土体抗剪强度进行拟合发现,经蒸汽增湿处理后,主要降低了土体的粘聚力,对内摩擦角几乎未产生影响。综上所述,水蒸汽增湿法作为土体增湿的新技术与新方法,与传统的土体增湿方法相比,具有增湿时间和范围可控,均匀性好、增湿的土体土性相同等优点,若高能强夯法相结合,势必会在大厚度湿陷性黄土地区地基处理中有着广泛的应用前景。

唐敏[4](2019)在《黄土丘陵区坡地土壤水热特征及其耦合效应研究》文中研究指明坡地是黄土丘陵区主要的地貌类型之一,其中7°以上的坡地占该区面积的75.7%,同时也是该区水土流失的主要源地,因此,坡地的合理开发利用对于黄土丘陵区生态建设和经济社会可持续发展具有重要意义。在水资源短缺的干旱半干旱黄土丘陵区,了解坡地的土壤水热状况是制定合理开发利用方式的重要前提,同时坡地利用方式又影响着土壤水热条件,因此,揭示黄土丘陵区典型坡地利用方式的土壤水热特征及其耦合效应,对于实现区域坡地资源的高效持续利用具有重要的理论和实践意义。为此,本文选择黄土丘陵区4种典型坡地利用方式(大豆坡耕地、玉米梯田、红枣林和撂荒草地)为研究对象,通过野外定位监测、室内试验、统计分析和数值模拟相结合的方法,对不同坡地利用方式土壤水热变化特征及其对主要环境因子的响应、土壤水热变化复杂性等进行了研究,建立了一维垂向土壤水热耦合运移数值模型,以红枣林为例,实现了对红枣林土壤水分和温度随时间动态变化和空间垂直分布的模拟预测,并进一步研究了温度梯度和根系吸水对红枣林土壤水热耦合运移的影响。得到以下主要结论:(1)阐明了不同坡地利用方式土壤水热变化特征。4种坡地利用方式060 cm土层为土壤水分季节性波动层,60160 cm土层含水量变化相对平缓。2014平水年和2015干旱年生长季红枣林060 cm土层含水量显着低于其它3种坡地利用方式(p<0.05),且在平水年生长季红枣林0160 cm土层储水量较大豆坡耕地、玉米梯田和撂荒草地低5.9%、6.6%和17.7%。干旱年生长季玉米梯田表现出良好的保墒能力,土壤水分亏缺度较小,其0160 cm土层含水量显着高于其它3种坡地利用方式(p<0.05)。典型次降雨后,随着干旱时间的延长,红枣林土壤水分损失率大幅增加,而玉米梯田土壤水分损失率增长缓慢。随土层加深,同一坡地利用方式土壤温度逐渐降低,季节变化幅度也减小。红枣林表现出明显的增温效应,且增大了土壤温度日变幅,提高了生长季内土壤温度日较差。玉米梯田则减弱了土壤温度季节变化幅度和日变幅,并降低了生长季内土壤温度日较差。综上可知,红枣林土壤保水调温效果较差,亟需增加管理措施以有效改善土壤水热状况,实现红枣林可持续发展;玉米梯田具有良好的保墒调温效应,因此可考虑实施坡耕地改梯田工程,高效利用雨水资源的同时,达到“以水调温”的目的。(2)揭示了不同坡地利用方式土壤水热的复杂性。2014平水年和2015干旱年生长季,红枣林增加了0160 cm各层土壤水分变化幅度、变异程度和活跃层深度,并提高了0100 cm土层温度变化幅度和变异程度;玉米梯田相对减小了土壤水分变化幅度、变异程度和活跃层深度,并降低了土壤温度变化幅度和变异程度。不同降雨年型下,红枣林各层土壤水分、温度序列的分维数均高于其它3种坡地利用方式,玉米梯田土壤水分、温度序列分维数相对较低。2014平水年和2015干旱年生长季,4种坡地利用方式表层(020 cm)土壤含水量序列的近似熵排序为:红枣林>撂荒草地>大豆坡耕地>玉米梯田;平水年生长季,玉米梯田0160 cm各层土壤含水量序列的近似熵均为最小;两个生长季内,红枣林0100 cm各层土壤温度序列的近似熵最大,玉米梯田土壤温度序列的近似熵较小。综上,红枣林土壤水热变化过程较为复杂,而玉米梯田减小了土壤水热变化的复杂程度,有利于保持土壤水分稳定性,并调节土壤温度。基于小波分维估计法和近似熵理论评价黄土丘陵区典型坡地利用方式土壤水热的复杂性是可行的。(3)明确了影响4种坡地利用方式土壤水热的主控性环境因子。2014平水年和2015干旱年生长季,气温和空气湿度是影响大豆坡耕地和撂荒草地060 cm土层水分变化的主控因子;空气湿度和风速则是影响玉米梯田土壤水分变化的主要气象因子;气温对红枣林土壤水分的影响极显着(p<0.01),且为负效应;各坡地利用方式土壤水分与土壤温度均呈负相关关系(p<0.01)。平水年生长季,空气湿度对大豆坡耕地、玉米梯田和撂荒草地土壤水分的直接作用和综合影响最大;土壤温度对红枣林土壤水分的影响相对较大。干旱年生长季,土壤温度对各坡地利用方式土壤水分的直接作用和综合影响均为最大,且为负效应。气温与4种坡地利用方式060 cm土层温度的关联度较高,且随着土壤深度增加,灰色关联度降低;在同等气象条件下,不同坡地利用方式同一土层温度与同一气象因子的灰色关联度存在差异;玉米梯田表层(020 cm)土壤温度与气温的决定系数相对较小,表明其对气温的响应较弱。(4)构建了一维垂向土壤水热耦合运移数值模型。重点考虑了温差作用下土壤中热量传递对土壤水分运移的影响、水分运移对土壤中热量传递的影响以及根系吸水对土壤水分运移和热量传递的影响,建立了一维垂向土壤水热耦合模型。采用有限差分法对所建模型进行求解。利用干旱年生长季红枣林0100 cm土层含水量和温度数据对所建模型进行验证,结果表明:模拟期间土壤含水量模拟值与实测值的决定系数R2为0.85810.9901,均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE的平均值分别为0.7719%和0.6856%;红枣林0100 cm土层温度模拟值和实测值的R2、RMSE和MAE在4个生育阶段的平均值分别为0.8694、1.2884℃、1.1894℃。表明该模型对于模拟红枣林土壤含水量和温度随时间和深度的变化具有较高的精度,能够较为准确地反映红枣林不同生育阶段土壤中水分运移和热量传输的变化特征。通过建立的一维垂向土壤水热耦合运移数学模型研究了温度梯度对土壤水分运移的影响和根系吸水过程对土壤中热量传输的影响,结果表明:同时考虑温度梯度对土壤水分运移的影响和根系吸水过程对土壤中热量传输的影响时,模型的模拟结果明显优于仅考虑其中一个因素的模拟结果。本研究基于两年连续监测数据,分析和探讨了平水年和干旱年黄土丘陵区4种典型坡地利用方式土壤水热特征及其耦合效应,深化了对该区不同坡地利用方式土壤水热动态变化过程、土壤水热复杂性、影响土壤水热的主控性环境因子以及土壤水热耦合模型构建与模拟的科学认识。本研究所得结论可为黄土丘陵区坡地利用结构优化和坡地资源高效持续利用提供科学依据。

任荣[5](2018)在《非等温条件下土壤水热耦合迁移数值模拟研究》文中研究表明我国北方半干旱地区,有极为强烈的季节变换和温度变化。土壤中水分运动和热量传输是一个相互牵制、相互促进、相互影响的耦合过程,水热的有益耦合可以增强土壤肥力,并起到促进作物生长的作用。而田间土壤水分和温度的变化使得土壤水热耦合迁移过程极为复杂,面对这样一个复杂多变量系统,仅仅采用试验研究很难处理其相互作用的机制。本文采用以数值模拟为主,并与理论分析、室内试验、田间试验相结合的方法,研究并建立了非等温条件下一、二、三维土壤水热耦合迁移的数学模型。主要研究成果如下:1)在忽略气体影响,着重考虑温度梯度存在下土壤中热量传输对土壤水分运动的影响、土壤水分运动对土壤热量传输的影响、以及作物根系吸水过程对土壤水分运动和热量传输的影响等因素下,建立了非等温条件下一维垂向土壤水热耦合迁移的数学模型。采用隐式差分格式对所建的数学模型进行离散,对模型进行编译计算机程序,用交叉式大循环法对离散的方程组进行求解。采用土柱栽培法对冬小麦进行种植,并对地面灌溉条件下冬小麦整个生育期根区土壤体积含水率和土壤温度随时空的变化进行测定,利用所测得的数据对所建数学模型进行验证,结果表明:在模拟期间的土柱小麦土壤含水率模拟值的平均相对误差为1.84%、平均绝对误差为0.0039cm3/cm3;土壤温度模拟值的平均相对误差为2.48%、平均绝对误差为0.1941℃。这表明该模型对于预测土柱小麦根区土壤体积含水率和土壤温度随时间和空间的变化有较高的精度,能够比较准确的反映冬小麦不同生育期土壤中水分和热量传输变化特征。2)通过所建非等温条件下一维垂向土壤水热耦合迁移数学模型研究热流对水分运动的影响和根系吸水作用对热量传输的影响,结果表明:同时考虑热流对水分运动的影响和根系吸水对热量传输的影响时,其模型的模拟结果明显好于仅考虑其中一个因素的模拟结果。3)在忽略土壤中生物或化学作用和土壤溶质势对水流和热流影响,着重考虑温度梯度存在下土壤中热量传输对土壤水分运动的影响、土壤水分运动对土壤热量传输的影响下,建立了非等温条件下二维土壤水热耦合迁移的数学模型。采用交替方向隐式差分法(ADI法)对其进行求解,然后对模型进行编译计算机程序,用交叉式大循环法对离散的方程组进行求解。鉴于蓄水坑灌法是适合于北方半干旱山丘地区果林的新型灌溉方式,与传统地面灌水方法相比,其最大的特点是可将水直接深入作物根区的中深层立体灌溉,并且,根据蓄水坑灌水分入渗特点,可将蓄水单坑灌溉简化为二维水分入渗问题。因此,本文采用蓄水单坑灌溉下土壤水热迁移室内试验,对土壤温度和灌溉水温不同条件下土壤体积含水率和土壤温度进行试验测定,并利用试验所得数据对所建二维数学模型进行验证。根据蓄水单坑的特点,确定所建数学模型的边界条件,并根据质量守恒原理,建立蓄水单坑坑内水位随时间变化的数学模型。结果表明:坑内水位模拟值和实测值之间的平均相对误差(MRE)为2.817%、均方根误差(RMSE)为3.789%;灌后1h和1d湿润锋的模拟值和实测值之间的平均相对误差(MRE)均小于8.496%,均方根误差(RMSE)均小于10.340%;在不同的剖面上,土壤含水率的模拟值与实测值之间的平均相对误差(MRE)最大为9.441%,均方根误差(RMSE)最大为13.810%;在不同的剖面上,土壤温度的模拟值与实测值之间的平均相对误差(MRE)最大为1.667%,均方根误差(RMSE)最大为1.824%。这说明本章所建的数学模型对于模拟蓄水坑内水位变化和非等温条件下土壤水分运动和热量传输变化有较高的精度。4)利用所建二维土壤水热耦合迁移数学模型对非等温条件下蓄水单坑灌溉下土壤水热分布特性进行研究,结果表明:在灌溉初期,土壤含水率的高值区随着灌水时间的推移呈现出逐渐扩大的趋势,而在灌溉水分入渗结束之后,土壤水分进行再分布的过程中,虽然湿润体仍在扩大,但其最高含水率在下降;土壤温度的低值区在灌溉初期亦呈现出逐渐扩大的趋势,其分布形状与土壤含水率的高值区分布形状相似,但随着灌溉水分的减少,在土壤水分再分布的过程中,土壤温度低值区逐渐减小,土体温度整体升高。5)在忽略气体影响,着重考虑土壤中水分运动与热量传输的相互作用,相互影响的关系,以及实际田间作物根系吸水作用对水分运动的影响下,建立了非等温下三维土壤水热耦合迁移数学模型。采用有限单元法对模型进行求解,然后对模型进行编译计算机程序。鉴于蓄水坑灌法是三维立体灌溉,本文通过蓄水坑灌果园(坑深为40cm)的田间试验,对苹果树根区土壤体积含水率和土壤温度进行测定,并利用所测得的数据对所建三维数学模型进行验证。根据质量守恒和能量守恒对模型的边界条件进行确定,边界条件的确定考虑了地表蒸发、坑壁蒸发,以及实际田间太阳辐射、天气变化等因素。蓄水坑内水位的变化根据质量守恒原理进行模拟计算。结果表明:在模拟期间土壤含水率模拟值与实测值之间的平均相对误差(MRE)为9.651%、最大相对误差(MREmax)为16.032%、均方根误差(RMSE)为10.867%;土壤温度模拟值与实测值之间的平均相对误差(MRE)为3.902%、最大相对误差(MREmax)为9.653%、均方根误差(RMSE)为5.031%。三维土壤水分图形和温度图形能有效反映土壤水分再分布和热量传输随时空变化的过程,这表明该模型对于模拟蓄水坑灌土壤体积含水率和土壤温度随时间和空间的变化有较高的精度,能够比较准确的反映蓄水坑灌下三维土壤中水分和热量传输变化特征。6)对非等温条件下三维土壤水热耦合迁移数学模型进行应用,研究蓄水坑灌不同坑深下(坑深为20、40、60cm)三维土壤水热分布特性,结果表明:蓄水坑灌下最适于3a年生矮砧苹果树的坑深要素为40cm;蓄水坑灌下土壤水分运动与土壤热量传输之间是相互影响,相互耦合的关系,在实践中,我们可以结合作物的根系生长、养分需求等状况,采用所建三维数学模型对蓄水坑灌的技术要素进行选择。本文所建非等温条件下一、二、三维土壤水热耦合迁移数学模型丰富和完善了土壤水热耦合迁移的研究,并可为通过“以水调温,以温控水”的方式,制定适合于作物生长的土壤水分管理机制提供理论依据。

吉恒莹,李磐,付彦博,冯耀祖[6](2018)在《不同滴灌水温在灰漠土中水热耦合模拟与验证》文中认为【目的】滴灌条件下不同灌溉水水热状况对土壤水热状况的影响规律,根据土壤水、热运动基本方程,建立了地表滴灌水、热运移数学模型。【方法】采用正交试验设计,设计不同滴灌水温水平及其组合,共计40个试验处理。利用HYDRUS-1D软件建立的数学模型进行了数值求解,与实测数据结果进行验证。【结果】建立新疆灰漠土土壤含水量与压力水头的模拟方程(1)Q(h)=0.063 8+0.328 9×[1+(0.007 7 h)1.559 7]-0.358 9;(2)e0.328 9/ln Q-0.063 8/1.560 5(h<0),确定土壤的水力学参数和热特性参数。【结论】利用该数学模型对地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件模拟预测。从模型的数值模拟值和实测结果对比验证显示,地表滴灌条件下低水温(10℃)和高水温(30℃)对土壤表层影响比较大,而且在早春增加一定的灌水温度,有利于作物苗期的生长。

范理云[7](2017)在《红黏土热物性的水热盐耦合效应研究》文中进行了进一步梳理本文选取广西地区具有代表性的两种红黏土为主要研究对象,以其热物性为研究目的,通过热物性试验,较全面的揭示土体热导率、容积热容和热扩散率随含水量变化的规律,并分别选用Johanson公式、Kersten公式和IPCHT模型进行常温和高温状态下的模拟。主要研究成果如下:1、通过对不同体积含水量下两种红黏土的热物性试验,得出土体热物性随土中水含量变化的规律:在相同的干密度下,随着体积含水量的增加,土体的热导率、容积比热容以及热扩散率均随之增大。2、通过对不同温度下两种红黏土的热物性试验,得到土体热物性随温度变化的规律:在干密度和体积含水量不变的情况下,土体的热导率随温度(560℃)的增加而增加,且增长斜率随着含水量的增加而降低,甚至在高温下(6090℃)某一临界含水量后出现负值,此时土中水出现汽化现象,从而影响了土体的热导率。3、通过不同盐浓度下两种红黏土的热物性试验,得到土体热物性随盐(NaCl)溶液浓度变化的规律:在干密度相同的情况下,较低体积含水量情况下的盐浓度对土体的热导率几乎没影响,随着体积含水量的逐渐增加,土体的热导率随盐浓度的增加而减小,但在某一临界含水量(桂林红黏土为0.21cm3/cm3,柳州红黏土为0.29 cm3/cm3)后,土体的热导率开始随盐浓度的增加而增大。4、基于双电层理论,借助水蒸气等温吸附试验测试研究桂林、柳州2两种红黏土的双电层厚度,在此基础上解释了红黏土热导率随水、热、盐变化的规律:随含水量增加,土颗粒表面结合水膜厚度也随之增大;温度对水分子热运动有一定影响,温度升高使部分渗透结合水转化成自由水,提高了热传递效率;Na+的存在会降低土颗粒表面的结合水膜厚度,从而导致传热通道减小,最终使红黏土热导率值降低。5、模拟结果表明,2种红黏土的实测值均落在Johanson公式的预测值的±30%范围内,桂林红黏土实测值落在Kersten公式的计算值的±30%范围内。经传质增强因子?修正后的IPCHT模型虽然可以较好的模拟团粒发育较弱的柳州红黏土,但对于团粒较发育的桂林红黏土的预测结果却出现较大偏差,因此IPCHT模型不能很好地反映团粒较发育介质内部特殊的结构。

虞连玉[8](2016)在《不同水分供应条件下夏玉米农田SPAC系统水热传输模拟》文中进行了进一步梳理通过不同水分供应条件下SPAC系统水热传输的定量模拟,可以解释土壤-植物-大气不同交互界面的水热输送与转化过程,对阐明非充分灌溉方式的节水机理,优化解决作物产量与耗水量矛盾进而实现农业水资源高效利用具有重要意义。本研究以夏玉米田间非充分灌溉试验为基础,分析了玉米冠层光谱特征、气孔导度和蒸发蒸腾量变化规律,建立了基于光谱植被指数的夏玉米叶面积指数估算模型和不同水分条件下气孔导度改进模型,为SPAC模型提供了动态的作物参数驱动;在充分考虑土壤水汽热耦合运移的STEMMUS模型基础上加入了作物蒸发蒸腾计算模块(直接ET和间接ET计算方法)和根系吸水计算模块(宏观和微观根系吸水模型),最终建立了夏玉米田土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热传输模型,实现了不同水分供应条件下SPAC系统水热动态变化的定量模拟。研究取得了如下主要成果:(1)夏玉米冠层高光谱反射率可见光波段“绿峰”、“红谷”和“红边”可作为反演叶面积指数的敏感波段范围;近红外波段(1600-1830nm)可作为指示植被冠层水分状态的敏感波段范围。选用了绿度植被指数(NDVI,RVI和EVI)、考虑土壤背景修正的植被指数(MSAVI,TSAVI和PVI)和水分植被指数(NDWI1240,NDWI1460和WI)三类植被指数,建立了各植被指数反演叶面积指数模型,结果表明:归一化植被指数NDVI能够有效的模拟本地区夏玉米叶面积指数的变化规律,考虑土壤背景修正的植被指数模拟效果有所提高,但不明显;水分植被指数反演叶面积指数模型的决定系数较高,表明在不同水分条件下,考虑冠层水分状态能显着提高叶面积指数的模拟效果。(2)利用三种水分指标(叶气温差、叶片尺度作物缺水指标、土壤水分指标)改进了Jarvis气孔导度模型并对其在不同水分供应条件下的适用性进行了验证分析。基于叶气温差和叶片尺度作物缺水指标的气孔导度改进模型模拟效果优于基于土壤水分指标的气孔导度改进模型。在夏玉米生育后期,土壤水分指标改进的气孔导度模型模拟值明显偏低,不适合该时段夏玉米气孔导度的定量研究。(3)夏玉米蒸发蒸腾量变化规律夏玉米蒸发蒸腾量和蒸腾速率均表现出单峰曲线的昼夜变化趋势,不同水分供应对蒸腾速率的影响主要体现在峰值大小和峰值发生的时间上。玉米蒸腾速率与环境因子的响应关系在不同水分供应条件下基本一致:光合有效辐射和气温影响较大,饱和水气压差影响较小。不同水分供应条件下夏玉米生育期内的实际蒸发蒸腾量和作物系数表现出一定的季节变化规律,均随着生育期的推进而增加,并在生育中期达到峰值。不同水分供应处理对实际蒸发蒸腾量和作物系数的影响主要表现在数值大小上。(4)比较分析了半干旱地区不同ET计算方法(间接ET方法和直接ET方法)、不同根系吸水模型(宏观根系吸水模型和微观根系吸水模型)对SPAC系统模型模拟结果的影响,为不同目标下SPAC模型的参数化方案选择提供了依据。基于宏观根系吸水模型的模拟表明:利用两种ET方法模拟的土壤含水率值和蒸渗仪实测值在20cm土层深度处变化规律基本一致,但是随着土层深度加深,SPAC模型模拟值和实测值差异增大。两种ET方法模型在不同土层深度的土壤温度模拟结果与实测结果相差不大,在生育前期土壤温度的模拟结果与实测结果吻合程度高,在较大的灌水过后,模型模拟结果出现了明显的高估,且随着土层深度的增加,与实测结果的差异性有增大的趋势。采用不同ET计算方法,SPAC模型模拟玉米蒸发蒸腾量的表现在灌水后有较大差异,采用间接ET方法的模型模拟结果明显低估了蒸发蒸腾量,而基于直接ET方法的模型效果较好。总体来看,两种ET方法均能够动态模拟小时尺度和日尺度的作物蒸发蒸腾量变化规律,采用直接ET方法估算效果较好,决定系数达到0.80以上。基于单根的微观根系吸水模型与宏观根系吸水模型模拟结果在土壤含水率、土壤温度和不同时间尺度的蒸发蒸腾量的表现相差不大。采用不同ET方法对土壤-植物-大气系统模型效果有显着影响,直接ET计算方法模型估算效果较好,比较适合该地区玉米蒸发蒸腾量的估算研究。(5)研究探讨了不同水分条件下SPAC模型的适用性。尽管在具体数值上有些差异,SPAC模型能够定量模拟不同水分条件下的土壤水分、蒸发蒸腾变化规律。研究发现生育前期降低土壤湿润频率能够显着降低土壤蒸发量。不同灌水量处理对玉米叶面蒸腾影响显着,表明蒸腾量的差异是造成不同灌水量处理条件下玉米生育期耗水差异的主要原因。

朱红艳[9](2014)在《干旱地域地下水浅埋区土壤水分变化规律研究》文中研究说明石河子垦区为新疆典型的灌溉农业区和生态脆弱区,气候干旱和地下水埋深浅是该区的主要特点。垦区水资源总量偏少,水资源供需矛盾及与生态环境之间的矛盾随着社会发展逐渐加剧。因此,分析和探讨地下水浅埋条件下土壤水分变化规律,可对旱区农业可持续发展提供水资源保障,对合理开发利用水资源及生态环境保护具有重要意义。本文以石河子垦区121团场为研究区,开展野外试验,对研究区地下水、土壤水动态进行实时监测,系统地分析地下水浅埋条件下土壤水动态变化特征及其影响因素,分析土壤水分剖面分布规律,建立土壤含水率随土壤深度变化的经验公式;建立水、汽、热、干空气耦合运移模型,定量模拟区内降水—土壤水—地下水的转化过程,揭示各界面及相互间水分与能量的转换过程及机理。研究结果可为农业墒情预报及灌溉管理提供理论参考,为地下水资源可持续开发利用提供科学依据。研究主要得到了以下结论:(1)分析2013年6月~2014年5月实测气温和各深度土壤温度,发现土壤温度与气温之间关系密切,浅层土壤温度随气温的波动而波动,变化趋势基本一致;随着土壤深度增加土壤温度波动减弱。土壤温度的变化滞后于气温的变化,而且滞后的时间随土壤深度增加而增大。采用Fourier级数建立土壤的温波方程,能够较好地反映实测土壤温度的变化规律。(2)研究区6~10月实测资料表明各深度土壤含水率随时间延续有减小趋势,以80cm埋深为分界线,下部土壤的含水率显着高于上部土壤。降水主要影响20cm以浅的土壤含水率,蒸发主要影响60cm以浅的土壤含水率。冻融前后0~60cm土壤含水率变化较大,初融时比初冻时明显增大;80~200cm土壤含水率较稳定,冻融前后略有减少。(3)实测的地下水埋深资料显示,研究区地下水位自每年的2月末或3月初至7月末或8月初处于上升阶段,8月至次年2月处于下降阶段。对同一深度土壤,随着地下水埋深增大,土壤含水率减小。越靠近地下水面,土壤含水率与地下水埋深动态相关性越显着。2013年6月~2014年5月,200cm深土壤含水率与地下水埋深相关关系的R2值达0.9986。(4)分析研究区实测土壤含水率,通过与地下水埋深大于20m的陕西泾惠渠试验站土壤含水率的分布对比,发现研究区土壤含水率分布与地下水埋深关系非常密切。对此,建立了土壤含水率随深度变化的经验公式。将土壤含水率剖面变化特征分两段分析:第一段0~80cm,第二段80~200cm。公式计算值与实测值较吻合。(5)在已有的非饱和土壤水、气二相流模型的基础上,针对研究区建立了非饱和带——饱和带水、气二相流的质热传输模型,模拟地下水浅埋条件下土壤水、汽、热、干空气耦合运移过程。采用相对均方根误差RRMSE和平均相对误差AVRE来定量评价模型精度。底部靠近地下水面的土壤含水率模拟结果好于上部,但土壤温度的模拟结果,底部比上部差。总体上,土壤温度和含水率模拟值的RRMSE都小于10%,AVRE都与1值接近,表明模型能够较好地模拟实测值的变化规律。(6)在日降水量为9.7mm的情况下,考虑土壤空气压强的耦合模型的入渗可影响到20cm深土壤含水率,而单相模型可影响到30cm深左右。降水后,耦合模型浅层土壤含水率的增量小于单相模型。降水发生时及发生后短时间内,不考虑土壤空气压强会低估土壤水分蒸发速率。模型的通量结果显示地下水对土壤水的补给量占总蒸发量的51.1%。0~200cm土壤的水量平衡分析结果显示土壤水分蒸发量的模拟值与计算值相差1.73%,表明本文建立的模型模拟结果可靠。

曾亦键[10](2012)在《浅层包气带水—汽—热耦合运移规律及其数值模拟研究》文中指出在西北干旱、半干旱地区,包气带中的水分除来自大气降水外,还部分来自水汽的凝结。此类地区年降雨量少、蒸发强,凝结水对该类地区的植被生态具有至关重要的作用。浅层包气带中,土壤水以液态水、汽态水不断相互转换的形式运移,并伴随着蒸发、凝结产生的质能变化。包气带中这种土壤水-汽-热的耦合运移是凝结水形成和消散的主要机制。本论文旨在理解浅层包气带水-汽-热耦合运移规律,以掌握土壤孔隙中水汽运移机制。研究此种耦合运移规律,需进行场地观测试验,对土壤湿度、温度、土壤负压以及微气象因素进行观测(如:空气温度,湿度,风速,日照,太阳辐射,降雨以及蒸发等)。本文研究数据来自一个室外沙坑试验和一个沙漠野外观测试验。室外沙坑试验观测到的浅层包气带地温与含水量变化表明了温度梯度对水汽运移起到主控作用,温度梯度向下,土壤含水量增加,反之,则含水量减少。为进一步分析该试验条件下的土壤水-汽-热运移及分布规律,采用HYDRUS-1D模型对试验过程进行了模拟,模拟结果与实测结果吻合较好。利用该模拟结果,本文将土壤水-汽-热耦合运移的时间信息和空间信息进行同步分析,描述了土壤水分昼夜运移模式,讨论了水汽通量与液态水通量的昼夜变化规律,为了验证该变化规律的普遍性,本文进一步开展了沙漠野外观测试验并开发了新的数值模型。常规的浅层包气带水-汽-热耦合运移模型,是基于传统的PdV理论发展起来的,只考虑了水汽在土壤中的扩散过程。事实上,水汽的运移机制还包括对流和弥散。若考虑水汽的对流和弥散,土壤气压必须作为一个可变的状态变量。本文在PdV理论的基础上,增加了土壤空气流动方程,建立了土壤水-汽-空气-热耦合运移模型,全面分析了水汽运移的扩散、对流和弥散机制。利用巴丹吉林沙漠的试验数据,将新建立的模型应用于计算该试验场地的蒸发通量,并对比新模型计算结果与PdV理论计算结果之间的差异。对比结果表明新模型的计算结果更接近实际观测的地表蒸发通量,特别是在土壤较为湿润的时候。在此基础上,为了了解新模型比PdV理论更接近实际观测的具体原因,根据三个状态变量(土壤基质势、土壤温度以及土壤空气压强),分析讨论了梯度驱动与水力渗透系数的综合作用。PdV理论低估了等温液态水通量是其误差的主要来源,本文从理论上和数值模拟方法上完善了包气带水-汽-热耦合运移机制的研究。

二、非恒温条件下土壤中水热耦合运移过程的数学模拟(论文开题报告)

(1)论文研究背景及目的

此处内容要求:

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例:

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

(2)本文研究方法

调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、非恒温条件下土壤中水热耦合运移过程的数学模拟(论文提纲范文)

(1)非饱和土体水热耦合作用机制数值模拟研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 前言
    1.2 选题背景及意义
    1.3 国内外研究进展
        1.3.1 热源作用下水热耦合模型研究进展
        1.3.2 冷源作用下水热耦合模型研究进展
    1.4 出现的问题及不足
        1.4.1 热源作用下的水、热耦合方面的不足
        1.4.2 冷源作用下的水、热耦合方面的不足
    1.5 本文研究内容方法
第二章 非饱和土体水热耦合基本微分方程
    2.1 非饱和土体温度演化基本方程
        2.1.1 傅里叶导热定律
        2.1.2 温度场基本微分方程
    2.2 非饱和土体水分迁移基本方程
        2.2.1 达西定律
        2.2.2 水分场基本微分方程
    2.3 非饱和土体水热耦合方程
        2.3.1 热源作用下对应的非饱和土体水热耦合方程
        2.3.2 冷源作用下对应的非饱和土体水热耦合方程
    2.4 本章小结
第三章 非饱和土体微观结构重构模型
    3.1 QSGS方法介绍
    3.2 QSGS方法各参数对结构模型的影响
        3.2.1 体积分数的影响效果
        3.2.2 生长核分布概率的影响效果
        3.2.3 生长概率的影响效果
    3.3 重构模型的计算效率及计算精度讨论
        3.3.1 生长概率与孔隙度对模型精度和效率的讨论
        3.3.2 生长概率与生长核分布概率对模型精度和效率的讨论
    3.4 非饱和土体微观重构模型
    3.5 本章小结
第四章 热源作用下土体水热耦合数值模拟研究
    4.1 格子Boltzmann方法介绍
        4.1.1 格子Boltzmann方程
        4.1.2 格子Boltzmann模型介绍
        4.1.3 边界条件
    4.2 热源作用下水热耦合数学模型
        4.2.1 基本假定
        4.2.2 不考虑相变作用的非饱和土体结构数学方程
    4.3 格子Boltzmann模型
        4.3.1 温度场演化的格子Boltzmann方程
        4.3.2 水分场演化的格子Boltzmann方程
        4.3.3 边界条件处理
        4.3.4 单位转换
    4.4 算法验证
    4.5 分析讨论
        4.5.1 不同耦合模式对水热耦合过程的影响
        4.5.2 不同恒温热源对水热耦合过程的影响
        4.5.3 不同孔隙率对水热耦合过程的影响
        4.5.4 孔隙分布特征
    4.6 本章小结
第五章 冷源作用下非饱和土体水热耦合数值模拟研究
    5.1 有限差分法简介
    5.2 冷源影响下水热耦合模型
        5.2.1 基本物理方程
        5.2.2 方程的变形及计算过程
    5.3 方程的离散化处理
        5.3.1 冻结锋面位置的处理
    5.4 算法的验证
    5.5 分析讨论
        5.5.1 不同时间下对应下的温度场和水分场演化趋势
        5.5.2 不同初始体积含水率影响下温度场和水分场演化趋势
        5.5.3 不同冷源温度影响下温度场和水分场演化趋势
        5.5.4 阻抗因子对温度场和水分场演化趋势的影响
        5.5.5 孔隙分布特征
    5.6 本章小节
第六章 结论与展望
    6.1 结论
        6.1.1 热源作用下水热耦合研究结果
        6.1.2 冷源作用下水热耦合研究结果
    6.2 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间取得的研究成果

(2)内陆河灌区枸杞生产水分转化过程与模拟(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 引言
    1.1 研究背景、目的及意义
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 蒸发蒸腾测定与估算方法研究进展
        1.2.2 土壤水分测定与估算方法研究进展
        1.2.3 旱地农艺技术措施研究进展
    1.3 存在的问题和不足
第二章 材料和方法
    2.1 试验区概况
    2.2 试验布设
    2.3 试验内容
        2.3.1 枸杞生产过程土壤水热与蒸散特征
        2.3.2 枸杞生产土壤水热与蒸散传输过程模拟
        2.3.3 枸杞生产过程水分利用效率与调控
    2.4 试验观测项目与方法
        2.4.1 土壤性质的测定
        2.4.2 土壤水分、温度的测定
        2.4.3 作物蒸发蒸腾量的测定
        2.4.4 棵间土壤蒸发的测定
        2.4.5 作物生理生态指标的测定
        2.4.6 气象参数的测定
    2.5 土壤-植物-大气水热传输模型
        2.5.1 STEMMUS模型
        2.5.2 模型数值求解
        2.5.3 模型初始和边界条件
        2.5.4 评价指标
    2.6 技术路线
第三章 枸杞生产过程土壤水热与蒸散特征
    3.1 土壤温度变化特征
    3.2 土壤水分变化特征
    3.3 枸杞蒸发蒸腾量变化规律
    3.4 小结
第四章 枸杞生产土壤水热与蒸散传输过程模拟
    4.1 模型敏感性分析
    4.2 土壤水分和温度模拟
    4.3 枸杞蒸发蒸腾量模拟
    4.4 降雨/灌溉对干空气耦合模拟的影响
    4.5 耦合S-W模型的蒸散发模拟
    4.6 降雨挖潜情景下土壤水热过程、蒸散发动态变化模拟
    4.7 小结
第五章 枸杞生产过程水分利用效率与调控
    5.1 枸杞生长情况
        5.1.1 株高、叶面积指数和地径
        5.1.2 枸杞根系垂直分布
    5.2 产量、水分利用效率、果品差异
    5.3 经济效益
    5.4 管理建议
    5.5 小结
第六章 结论及展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
个人简历

(3)增湿作用下重塑黄土水-热迁移及强度规律研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 土体增湿技术研究现状
        1.2.2 非饱和土中水-热运移规律研究现状
        1.2.3 非饱和黄土强度特性研究现状
    1.3 主要研究内容
    1.4 研究技术路线
2 兰州地区非饱和黄土概况和试验方案
    2.1 兰州地区非饱和黄土概况
        2.1.1 物质组成
        2.1.2 结构特征
        2.1.3 主要工程特性
    2.2 试验黄土基本物理性质
    2.3 试验方案
        2.3.1 高温高压水蒸汽增湿模型试验
        2.3.2 强度特性试验方案
    2.4 本章小结
3 高温高压蒸汽增湿重塑黄土水-热迁移规律研究
    3.1 概述
    3.2 蒸汽增湿作用下土体温度场结果分析
        3.2.1 沿径向温度随时间变化关系
        3.2.2 沿深度方向温度随时间变化关系
        3.2.3 不同时刻温度分布情况
    3.3 蒸汽增湿作用下土体水分场结果分析
        3.3.1 沿径向含水率随时间变化关系
        3.3.2 沿深度方向含水率随时间变化关系
        3.3.3 终态含水率分布情况
    3.4 本章小结
4 高温高压蒸汽增湿重塑黄土强度特性试验研究
    4.1 概述
    4.2 增湿后非饱和重塑黄土抗剪强度结果分析
        4.2.1 增湿后抗剪强度结果统计
        4.2.2 试样抗剪强度沿径向分布规律
        4.2.3 试样抗剪强度沿深度方向分布规律
    4.3 增湿后非饱和重塑黄土强度指标分析
        4.3.1 增湿后强度指标结果统计
        4.3.2 增湿后对土体内摩擦角的影响
        4.3.3 增湿后对土体粘聚力的影响
    4.4 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间所发表的学术论文

(4)黄土丘陵区坡地土壤水热特征及其耦合效应研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景、目的和意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究目的和意义
    1.2 国内外研究动态
        1.2.1 土地利用方式对土壤水分的影响
        1.2.2 土地利用方式对土壤温度的影响
        1.2.3 土壤水热互作效应
        1.2.4 土壤水热耦合运移机理研究进展
    1.3 目前研究存在的不足
    1.4 研究内容和技术路线
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 技术路线
第二章 材料与方法
    2.1 研究区概况
        2.1.1 自然地理
        2.1.2 气候特征
        2.1.3 植被特征
    2.2 试验设计
        2.2.1 试验布设
        2.2.2 监测方案
    2.3 数据分析
第三章 不同坡地利用方式土壤水分变化特征
    3.1 土壤水分时间动态变化
    3.2 土壤储水与亏缺状况
        3.2.1 土壤储水特征
        3.2.2 土壤水分亏缺特征
    3.3 剖面土壤水分特征
    3.4 不同土层土壤水分灰色关联分析
    3.5 不同降雨年型典型降雨后土壤水分衰减特征
        3.5.1 平水年次降雨后土壤水分衰减特征
        3.5.2 干旱年次降雨后土壤水分衰减特征
    3.6 讨论
        3.6.1 不同坡地利用方式对土壤水分的影响
        3.6.2 不同坡地利用方式水分管理建议
    3.7 本章小结
第四章 不同坡地利用方式土壤温度变化特征
    4.1 土壤温度季节变化
    4.2 土壤温度日变化
    4.3 土壤温度日较差分析
    4.4 土壤温度垂直变化
    4.5 讨论
    4.6 本章小结
第五章 不同坡地利用方式土壤水热复杂性分析
    5.1 土壤水分和温度的变异特征分析
        5.1.1 土壤水分变异特征
        5.1.2 土壤温度变异特征
    5.2 土壤水分和温度的分维统计
        5.2.1 小波分维估计法
        5.2.2 土壤水分和温度的分维统计结果
    5.3 基于近似熵的土壤水热序列复杂性测度分析
        5.3.1 近似熵的算法
        5.3.2 土壤水分序列复杂性测度
        5.3.3 土壤温度序列复杂性测度
    5.4 讨论
    5.5 本章小结
第六章 不同坡地利用方式土壤水热对环境因子的响应
    6.1 土壤水分对环境因子变化的响应
        6.1.1 土壤水分与环境因子的二元相关分析
        6.1.2 土壤水分与环境因子的通径分析
        6.1.3 影响土壤水分的环境因子的逐步回归分析
    6.2 土壤温度对环境因子变化的响应
        6.2.1 主要影响因素的灰色关联分析
        6.2.2 土壤温度对气温的响应特征
    6.3 讨论
        6.3.1 土壤水分变化与环境因子的关系
        6.3.2 土壤温度变化对环境因子的响应
    6.4 本章小结
第七章 土壤水热耦合运移数值模拟研究
    7.1 数学模型的建立
        7.1.1 基本假设
        7.1.2 控制方程
        7.1.3 初始条件
        7.1.4 边界条件
        7.1.5 模型的求解
    7.2 研究样地选择
    7.3 模型所需输入的参数
        7.3.1 土壤水分运动参数
        7.3.2 土壤热参数
    7.4 模拟结果及分析
        7.4.1 土壤含水量的模拟结果及分析
        7.4.2 土壤温度的模拟结果及分析
    7.5 模型有效性评价
    7.6 敏感性分析
    7.7 本章小结
第八章 结论与展望
    8.1 主要结论
    8.2 创新点
    8.3 不足与展望
参考文献
致谢
个人简历

(5)非等温条件下土壤水热耦合迁移数值模拟研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 水热耦合迁移的国内外研究现状
        1.2.1 土壤水势的温度效应研究进展
        1.2.2 土壤水分、热量耦合迁移机理研究
    1.3 研究目标、内容和技术路线
        1.3.1 研究目标
        1.3.2 研究内容
        1.3.3 研究方法及技术路线
第二章 土壤水热耦合迁移参数的确定
    2.1 试验材料
    2.2 土壤参数的测定
        2.2.1 土壤基本物理参数
        2.2.2 试验区土壤颗粒组成分析
    2.3 土壤水分运动参数
        2.3.1 土壤水分特征曲线
        2.3.2 土壤非饱和导水率
        2.3.3 比水容量和土壤水分扩散率
        2.3.4 温度梯度影响下的土壤水分扩散率
    2.4 土壤热参数
        2.4.1 土壤热容量
        2.4.2 土壤热扩散率
        2.4.3 土壤热导率
第三章 非等温条件下一维垂向土壤水热耦合迁移数值模拟研究
    3.1 数学模型的建立
        3.1.1 基本假设
        3.1.2 控制方程
        3.1.3 初始条件
        3.1.4 边界条件
        3.1.5 模型的求解
    3.2 试验数据测定
    3.3 模型参数的确定
        3.3.1 土壤水分运动参数的确定
        3.3.2 土壤热参数的确定
    3.4 模拟结果与分析
        3.4.1 模拟阶段的选取
        3.4.2 土壤含水率模拟结果与分析
        3.4.3 土壤温度模拟结果与分析
    3.5 模型的有效性分析
    3.6 敏感性分析
    3.7 本章小结
第四章 非等温条件下二维土壤水热耦合迁移数值模拟研究
    4.1 数学模型的建立
        4.1.1 基本假设
        4.1.2 控制方程
        4.1.3 初始条件
        4.1.4 边界条件
        4.1.5 模型的求解
        4.1.6 蓄水坑内水位变化过程的求解
        4.1.7 数值求解过程
        4.1.8 模型中时间步长的选择
    4.2 试验数据测定
    4.3 模型参数的确定
        4.3.1 水分运动参数的确定
        4.3.2 土壤热参数的确定
    4.4 模型验证与分析
        4.4.1 蓄水坑内水位变化过程的结果验证
        4.4.2 土壤水分运动湿润锋结果验证
        4.4.3 土壤含水率结果验证
        4.4.4 土壤温度结果验证
    4.5 模型的有效性分析
    4.6 非等温条件下二维土壤水热耦合迁移模型的应用——蓄水单坑灌溉下二维土壤水热分布特性分析
        4.6.1 土壤水分分布特性分析
        4.6.2 土壤温度分布特性分析
    4.7 本章小结
第五章 非等温条件下三维土壤水热耦合迁移数值模拟研究
    5.1 数学模型的建立
        5.1.1 基本假设
        5.1.2 控制方程
        5.1.3 数学模型模拟区域的确定
        5.1.4 初始条件
        5.1.5 边界条件
    5.2 模型的求解
        5.2.1 三维土壤水分运动控制方程的伽辽金方程
        5.2.2 三维土壤热量传输控制方程的伽辽金方程
        5.2.3 四面体单元剖分与基函数的构造
        5.2.4 蓄水坑内水位变化过程的求解
        5.2.5 数值求解过程
        5.2.6 模型中时间步长的选择
    5.3 田间试验数据的测定
    5.4 模型参数的确定
        5.4.1 土壤水分运动参数的确定
        5.4.2 土壤热参数的确定
    5.5 模型验证
        5.5.1 土壤含水率模拟结果验证
        5.5.2 土壤温度模拟结果验证
    5.6 模拟值与实测值相关性分析
        5.6.1 土壤含水率模拟值与实测值相关性分析
        5.6.2 土壤温度模拟值与实测值相关性分析
    5.7 模型的有效性分析
    5.8 蓄水坑灌三维模拟结果分析
        5.8.1 三维土壤含水率分布模拟结果
        5.8.2 三维土壤温度分布模拟结果
    5.9 非等温条件下三维土壤水热耦合迁移模型的应用——不同蓄水坑深下三维土壤水热分布特性
        5.9.1 不同坑深条件下三维土壤含水率预测结果
        5.9.2 不同坑深条件下三维土壤温度预测结果
    5.10 本章小结
第六章 结论和展望
    6.1 主要结论
    6.2 展望
    6.3 创新点
参考文献
致谢
攻读博士期间主要研究工作
    1.攻读博士学位期间参加的科研项目
    2.攻读博士学位期间发表的论文
博士论文独创性说明

(6)不同滴灌水温在灰漠土中水热耦合模拟与验证(论文提纲范文)

0 引言
1 材料与方法
    1.1 材料
    1.2 方法
2 结果与分析
    2.1 地表滴灌水热耦合迁移数学模型
        2.1.1 土壤水分特征曲线确定
        2.1.2 模型方程的建立
        2.1.3 土壤物理参数
        2.1.4不同滴灌温度下的运移模拟参数
    2.2 土壤温度实测与模拟值验证
        2.2.1 土壤水分特征曲线实测与拟合
        2.2.2 土柱滴灌土壤温度模拟与验证
        2.2.3 不同滴灌水温对土壤温度的影响
3 讨论
4 结论

(7)红黏土热物性的水热盐耦合效应研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 选题依据及研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 热物性研究现状
        1.2.2 土壤中水、温度和盐与热导率系数之间的数值模拟的研究现状
    1.3 当前研究中存在的问题
    1.4 本文主要研究内容
第2章 红黏土热物性试验
    2.1 试验土样及其基本物理性质
    2.2 试验仪器及测试原理
    2.3 不同质量含水率对热导率影响的热物性试验
        2.3.1 试验方案
        2.3.2 试验测试结果
        2.3.3 试验结果分析
    2.4 不同温度对热导率影响的热物性试验;
        2.4.1 试验方案
        2.4.2 试验结果分析
    2.5 不同盐浓度对热导率影响的热物性试验;
        2.5.1 试验方案
        2.5.2 试验结果
        2.5.3 试验结果分析
    2.6 本章小结
第3章 微观试验
    3.1 试验仪器及其测试原理
    3.2 试验方案
    3.3 试验结果
    3.5 本章小结
第4章 水热耦合作用机制下的热导率模型
    4.1 常温下热导率理论模型
        4.1.1 Kersten公式
        4.1.2 .Johansen经验模型
    4.2 不同温度下热导率理论模型
        4.2.1 高温下土壤热导率的模拟及评价
        4.2.2 IPCHT模型参数的取值与讨论
        4.2.3 IPCHT模型模拟结果与评价
        4.2.4 不同质地土壤考虑传质增强因子?的修正
    4.3 本章小结
第5章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
附录1
附录2
附录3
附录4
致谢
个人简历及申请学位期间的研究成果

(8)不同水分供应条件下夏玉米农田SPAC系统水热传输模拟(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景、意义与目的
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 作物叶面积指数的高光谱监测研究进展
        1.2.2 作物需水量研究进展
        1.2.3 根系吸水模型研究进展
        1.2.4 土壤水热传输研究进展
    1.3 有待进一步解决的问题
    1.4 研究目标与研究内容
第二章 研究方法与试验方案
    2.1 研究方法与技术路线
    2.2 研究区概况
    2.3 试验处理方案
    2.4 试验观测项目与方法
        2.4.1 土壤温湿度的测定
        2.4.2 作物蒸发蒸腾量的测定
        2.4.3 棵间土壤蒸发测定
        2.4.4 作物生理生态指标的测定
        2.4.5 水热参数计算公式
第三章 夏玉米生理生态参数估算模型
    3.1 基于高光谱遥感的夏玉米叶面积指数估算模型
        3.1.1 不同水分供应条件下夏玉米叶面积指数响应规律
        3.1.2 夏玉米冠层高光谱特征分析
        3.1.3 夏玉米冠层光谱、导数光谱与叶面积指数的相关分析
        3.1.4 植被指数与夏玉米叶面积指数的回归分析
    3.2 基于水分胁迫系数的夏玉米气孔导度估算模型
        3.2.1 气孔导度模型及改进
        3.2.2 结果与分析
    3.3 小结
第四章 夏玉米蒸发蒸腾量变化规律
    4.1 夏玉米蒸发蒸腾量日变化规律
        4.1.1 不同天气类型条件下夏玉米蒸发蒸腾量日变化规律
        4.1.2 灌水前后夏玉米蒸腾及蒸发蒸腾量日变化规律
        4.1.3 夏玉米不同生育阶段蒸腾日变化规律
        4.1.4 夏玉米蒸腾速率与环境因素的相关性
    4.2 夏玉米蒸发蒸腾量季节变化规律
        4.2.1 夏玉米土壤蒸发与蒸发蒸腾变化规律
        4.2.2 夏玉米蒸发蒸腾与作物系数变化规律
        4.2.3 夏玉米作物系数与环境因子的响应关系
    4.3 不同水分供应条件下夏玉米蒸发蒸腾与作物系数变化规律
    4.4 夏玉米土壤蒸发比例影响因素
    4.5 小结
第五章 夏玉米农田土壤-植物-大气系统水热传输模拟
    5.1 土壤-植物-大气水热传输模型构建
        5.1.1 土壤水热耦合运移模型(STEMMUS模型)
        5.1.2 根系吸水源汇项的参数化
        5.1.3 蒸发蒸腾量参数化
        5.1.4 模型数值求解
        5.1.5 评价指标
    5.2 宏观根系吸水模型结果分析
        5.2.1 土壤含水率变化规律及模型模拟
        5.2.2 根区土壤储水量变化规律及模型模拟
        5.2.3 土壤温度变化规律及模型模拟
        5.2.4 小时尺度玉米蒸发蒸腾量变化规律及模型模拟
        5.2.5 日尺度玉米蒸发蒸腾、土壤蒸发变化规律及模型模拟
        5.2.6 玉米蒸发蒸腾累积量变化规律及模型模拟
        5.2.7 玉米蒸发蒸腾量组分与蒸发比例变化规律及模型模拟
    5.3 微观根系吸水模型结果分析
        5.3.1 土壤含水率变化规律及模型模拟
        5.3.2 土壤温度变化规律及模型模拟
        5.3.3 小时尺度玉米蒸发蒸腾量变化规律及模型模拟
        5.3.4 日尺度玉米蒸发蒸腾、土壤蒸发变化规律及其模型模拟
        5.3.5 玉米蒸发蒸腾累积量变化规律及模型模拟
        5.3.6 玉米蒸发蒸腾量组分与蒸发比例变化规律及模型模拟
    5.4 小结
第六章 非充分灌溉条件下SPAC模型的适用性研究
    6.1 土壤含水率变化规律及模型模拟
    6.2 日尺度玉米棵间土壤蒸发变化规律及模型模拟
    6.3 玉米蒸发蒸腾累积量变化规律及模型模拟
    6.4 玉米蒸发蒸腾量组分与蒸发比例变化规律及模型模拟
    6.5 灌水前后土壤含水量与根系吸水速率垂直变化规律
    6.6 小结
第七章 主要结论与展望
    7.1 主要结论
    7.2 论文创新点
    7.3 论文不足之处及有待进一步研究的主要问题
附录
参考文献
致谢
作者简介

(9)干旱地域地下水浅埋区土壤水分变化规律研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 研究的目的和意义
    1.3 国内外研究进展
        1.3.1 土壤水资源的定义
        1.3.2 土壤水分运动的研究进展
        1.3.3 地下水浅埋区土壤水分研究
        1.3.4 石河子垦区与水有关研究现状
        1.3.5 存在问题
    1.4 论文研究的主要内容与技术路线
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 技术路线
第二章 土壤水热运移的基础理论
    2.1 土壤水的形态与能态
        2.1.1 土壤含水率
        2.1.2 土壤水的形态
        2.1.3 土壤水的能态
    2.2 土壤水分运动的影响因素
        2.2.1 土壤结构
        2.2.2 土壤温度及孔隙中气体
        2.2.3 降水及蒸发
        2.2.4 地形地貌
        2.2.5 地表植被情况
        2.2.6 地下水
    2.3 土壤水热运移的基本方程
        2.3.1 土壤水分运动方程
        2.3.2 土壤热传输的基本方程
        2.3.3 土壤水热耦合运移方程
    2.4 土壤水热参数
        2.4.1 土壤水参数
        2.4.2 土壤热参数
    2.5 求解方法
第三章 研究区概况及试验方案设计
    3.1 研究区概况
        3.1.1 地理位置及气候
        3.1.2 土壤质地
        3.1.3 土壤的盐渍化
    3.2 野外试验方案及设计
        3.2.1 地下水位监测
        3.2.2 土壤水监测
        3.2.3 气象监测
    3.3 土壤基本物理性质的测定
        3.3.1 土壤基本物理性质
        3.3.2 土壤水分运动参数
        3.3.3 土壤热运动参数
    3.4 小结
第四章 研究区水热动态特征分析
    4.1 气温和土壤温度变化特征
    4.2 土壤水分变化特征
        4.2.1 非冻期土壤水分
        4.2.2 冻融期土壤水分
        4.2.3 降水条件下土壤水分的变化
    4.3 地下水埋深变化及对土壤水的影响
        4.3.1 地下水埋深变化
        4.3.2 地下水埋深对土壤水的影响
    4.4 小结
第五章 研究区水热规律的经验公式
    5.1 土壤温度变化规律的经验公式
    5.2 土壤水分变化规律的经验公式
    5.3 地下水埋深变化规律的经验公式
    5.4 小结
第六章 地下水浅埋条件下土壤水分运动的数值模拟
    6.1 方法及原理
        6.1.1 控制方程
        6.1.2 参数方程
        6.1.3 定解条件
        6.1.4 时空离散
        6.1.5 气象驱动数据
        6.1.6 求解方法
    6.2 精度验证
        6.2.1 土壤温度的模拟验证
        6.2.2 土壤含水率的模拟验证
    6.3 结果分析
        6.3.1 气压对入渗结果的影响
        6.3.2 气压对蒸发影响
        6.3.3 通量分析
        6.3.4 水量平衡分析
    6.4 本章小结
第七章 研究结论及展望
    7.1 结论
    7.2 创新点
    7.3 展望
参考文献
致谢
作者简介

(10)浅层包气带水—汽—热耦合运移规律及其数值模拟研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 引言
    1.1 选题意义
    1.2 研究背景
    1.3 本文研究要解决的关键问题
    1.4 技术路线
    1.5 论文结构
第二章 浅层包气带水汽热运移的沙坑试验
    2.1 概述
    2.2 试验场地及仪器
    2.3 土壤水分特征曲线
    2.4 地温变化规律
        2.4.1 地表温度
        2.4.2 深层土壤温度
    2.5 土壤含水量变化规律
        2.5.1 含水量变化特征
        2.5.2 含水量影响因素分析
    2.6 本章小结
第三章 浅层包气带水汽热运移模式分析
    3.1 概述
    3.2 数学模型
        3.2.1 基本方程(PdV 模型)
        3.2.2 初始及边界条件
    3.3 模拟结果
    3.4 分析讨论
        3.4.1 温度及其梯度
        3.4.2 温度梯度水分通量
        3.4.3 基质势及其梯度
        3.4.4 基质势梯度水分通量
        3.4.5 土壤水分昼夜运移模式
    3.5 本章小结
第四章 二相水汽热耦合运移模型
    4.1 概述
    4.2 二相水-汽-热耦合运移模型
        4.2.1 控制方程
        4.2.2 参数方程
    4.3 有限元模型
    4.4 模型内涵分析
        4.4.1 土壤空气流动
        4.4.2 土壤水汽热耦合运移
    4.5 数值模型验证与试验
        4.5.1 模型验证
        4.5.2 模拟试验分析
    4.6 本章小结
第五章 基于水-汽-空气-热耦合的蒸发机制研究
    5.1 概述
    5.2 沙漠场地观测试验
        5.2.1 巴丹吉林沙漠概况
        5.2.2 试验仪器及数据
        5.2.3 巴丹吉林沙漠土壤物理特征
    5.3 数值模型标定与结果
        5.3.1 边界条件
        5.3.2 气象驱动数据
        5.3.3 模型标定
        5.3.4 地表蒸发通量
    5.4 结果与分析
        5.4.1 蒸发的气流效应
        5.4.2 驱动力分析
        5.4.3 驱动力与渗透系数的联合分析
    5.5 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 总结
    6.2 主要结论
    6.3 局限性与展望
附录:符号
缩写
参考文献
致谢
作者简介

四、非恒温条件下土壤中水热耦合运移过程的数学模拟(论文参考文献)

  • [1]非饱和土体水热耦合作用机制数值模拟研究[D]. 李腾风. 昆明理工大学, 2020(04)
  • [2]内陆河灌区枸杞生产水分转化过程与模拟[D]. 王嘉昕. 西北农林科技大学, 2020(02)
  • [3]增湿作用下重塑黄土水-热迁移及强度规律研究[D]. 李仁杰. 兰州交通大学, 2020(01)
  • [4]黄土丘陵区坡地土壤水热特征及其耦合效应研究[D]. 唐敏. 西北农林科技大学, 2019(08)
  • [5]非等温条件下土壤水热耦合迁移数值模拟研究[D]. 任荣. 太原理工大学, 2018(10)
  • [6]不同滴灌水温在灰漠土中水热耦合模拟与验证[J]. 吉恒莹,李磐,付彦博,冯耀祖. 新疆农业科学, 2018(02)
  • [7]红黏土热物性的水热盐耦合效应研究[D]. 范理云. 桂林理工大学, 2017(06)
  • [8]不同水分供应条件下夏玉米农田SPAC系统水热传输模拟[D]. 虞连玉. 西北农林科技大学, 2016(08)
  • [9]干旱地域地下水浅埋区土壤水分变化规律研究[D]. 朱红艳. 西北农林科技大学, 2014(03)
  • [10]浅层包气带水—汽—热耦合运移规律及其数值模拟研究[D]. 曾亦键. 中国地质大学(北京), 2012(07)

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非恒温条件下土壤水热耦合传输的数学模拟
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