利用熱脈沖-TDR技術(shù)確定飽和土壤中水流通量及其與熱彌散和溶質(zhì)彌散的關(guān)系.pdf

1、土壤水流通量決定著土壤中滲漏、徑流和化學(xué)物質(zhì)的遷移過程。由土壤孔隙水流速率差異引起的熱彌散和溶質(zhì)彌散對于了解水熱鹽耦合運移非常重要。本研究以玻璃珠、砂壤土和砂質(zhì)粘壤土為材料，通過室內(nèi)一維穩(wěn)態(tài)流飽和土柱實驗，以熱脈沖和Cl-為示蹤劑，利用熱脈沖-時域反射技術(shù)(熱脈沖-TDR)同時測定溫度變化以及溶質(zhì)的穿透曲線，對熱脈沖技術(shù)確定水流通量(J)的不同方法進行了評價，明確了熱脈沖技術(shù)估計的水流通量與實際水流通量之間差異的原因，提出了利用放大因子

2、Fa校正壁效應(yīng)的影響。在未消除壁效應(yīng)的實驗條件下，利用飽和土壤熱傳輸和溶質(zhì)運移模型的解析解，反求得到了熱彌散系數(shù)(λd)和溶質(zhì)彌散系數(shù)(D)；建立了不同質(zhì)地下λd、D與水流通量之間的關(guān)系；比較了不同水流通量下熱彌散度(β)與溶質(zhì)彌散度(κ)的大小。主要研究結(jié)果如下： 第一，對熱脈沖技術(shù)估計水流通量的最大無量綱溫差法(MDTD)、溫度比率法(Td/Tu)和時間法(td、tu)進行了比較。MDTD法和Td/Tu法估計的水流通量與通過

3、收集出流液測定的水流通量存在很好的線性關(guān)系。兩種方法估計水流通量值均低于出流液測定值，但Td/Tu計算的水流通量比MDTD法更加精確。利用td和tu不能估計水流通量。 第二，在填裝土柱上的研究結(jié)果表明：土壤和土柱的接觸面間存在明顯的優(yōu)勢流現(xiàn)象。這種優(yōu)勢流所形成的壁效應(yīng)是導(dǎo)致熱脈沖技術(shù)估計水流通量誤差的主要原因。壁效應(yīng)的影響可以通過放大因子Fa來校正。土壤質(zhì)地越細，壁效應(yīng)的影響越大，F(xiàn)a越大。對于砂壤土和砂質(zhì)粘壤土Fa值分別為1.

4、12和1.24。利用Fa校正壁效應(yīng)的影響后，熱脈沖技術(shù)估計水流通量的誤差在5％以內(nèi)。壁效應(yīng)對水流通量的影響解釋了Ochsner等關(guān)于“減小對流”的假設(shè)。在傳導(dǎo)-對流熱傳輸方程中加入熱彌散項不能顯著改善模型的預(yù)測結(jié)果。 第三，熱脈沖技術(shù)估計的最低水流通量與土壤質(zhì)地有關(guān)。對于玻璃珠、砂壤土和砂質(zhì)粘壤土，最低水流通量分別為6.630x10-7、1.010x10-6和1.657x10-6ms-1。 第四，λd隨J的增加成線性關(guān)系

5、增加，土壤質(zhì)地越細，λd越大。溶質(zhì)彌散系數(shù)也隨J的增加成線性增加。 第五，β與J呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。當J＜0.7x10-5ms-1時，β隨J的增加而顯著減??；當J＞0.7x10-5ms-1時，β僅隨土壤質(zhì)地變化。在相同水流通量下，不同質(zhì)地土壤β關(guān)系為：砂質(zhì)粘壤土＞砂壤土＞玻璃珠。溶質(zhì)彌散度也主要依賴土壤質(zhì)地：砂質(zhì)粘壤土＞砂壤土＞玻璃珠。第六，β與κ的大小與水流通量范圍有關(guān)。在水流通量較低時β遠高于κ；水流通量達到一定程度時，κ與