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利用热脉冲-TDR技术确定饱和土壤中水流通量及其与热弥散和溶质弥散的关系

郜建英  
【摘要】:土壤水流通量决定着土壤中渗漏、径流和化学物质的迁移过程。由土壤孔隙水流速率差异引起的热弥散和溶质弥散对于了解水热盐耦合运移非常重要。本研究以玻璃珠、砂壤土和砂质粘壤土为材料,通过室内一维稳态流饱和土柱实验,以热脉冲和Cl~-为示踪剂,利用热脉冲-时域反射技术(热脉冲-TDR)同时测定温度变化以及溶质的穿透曲线,对热脉冲技术确定水流通量(J)的不同方法进行了评价,明确了热脉冲技术估计的水流通量与实际水流通量之间差异的原因,提出了利用放大因子F_α(Amplification factor)校正壁效应的影响。在未消除壁效应的实验条件下,利用饱和土壤热传输和溶质运移模型的解析解,反求得到了热弥散系数(λ_d)和溶质弥散系数(D):建立了不同质地下λ_d、D与水流通量之间的关系;比较了不同水流通量下热弥散度(β)与溶质弥散度(κ)的大小。主要研究结果如下: 第一,对热脉冲技术估计水流通量的最大无量纲温差法(MDTD)、温度比率法(T_d/T_u)和时间法(t_d、t_u)进行了比较。MDTD法和T_d/T_u法估计的水流通量与通过收集出流液测定的水流通量存在很好的线性关系(r~20.98)。两种方法估计水流通量值均低于出流液测定值,但T_d/T_u计算的水流通量比MDTD法更加精确。利用t_d和t_u不能估计水流通量。 第二,在填装土柱上的研究结果表明:土壤和土柱的接触面间存在明显的优势流现象。这种优势流所形成的壁效应是导致热脉冲技术估计水流通量误差的主要原因。壁效应的影响可以通过放大因子F_α来校正。土壤质地越细,壁效应的影响越大,F_α越大。对于砂壤土和砂质粘壤土F_α值分别为1.12和1.24。利用F_α校正壁效应的影响后,热脉冲技术估计水流通量的误差在5%以内。壁效应对水流通量的影响解释了Ochsner等(2005)关于“减小对流”的假设。在传导一对流热传输方程中加入热弥散项不能显著改善模型的预测结果。 第三,热脉冲技术估计的最低水流通量与土壤质地有关。对于玻璃珠、砂壤土和砂质粘壤土,最低水流通量分别为6.630×10~7、1.010×10~(-6)和1.657×10~(-6)m s~(-1)。 第四,λ_d随J的增加成线性关系增加,土壤质地越细,λ_d越大。溶质弥散系数也随J的增加成线性增加。 第五,β与J呈显著的幂函数关系。当J0.7×10~(-5)m s~(-1)时,β随J的增加而显著减小:当J0.7×10~(-5)m s~(-1)时,β仅随土壤质地变化。在相同水流通量下,不同质地土壤β关系为:砂质粘壤土(0.074~0.084cm)砂壤土(0.042~0.051cm)玻璃珠(0.038~0.047cm)。溶质弥散度也主要依赖土壤质地:砂质粘壤土(0.2~0.3cm)砂壤土(0.1~0.2cm)玻璃珠(0.04~0.05cm)。 第六,β与κ的大小与水流通量范围有关。在水流通量较低时β远高于κ;水流通量达到一定程度(0.7×10~(-5)m s~(-1))时,κ与β为同一数量级,但κ比β略大。


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1 郜建英;利用热脉冲-TDR技术确定饱和土壤中水流通量及其与热弥散和溶质弥散的关系[D];中国农业大学;2005年
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