不同積雪覆蓋條件下季節(jié)性凍融黑土水熱遷移數(shù)值模擬.pdf

1、積雪覆蓋作為中國(guó)北方高寒黑土區(qū)土壤凍融期最普遍的上邊界條件，直接影響土壤水分和熱量的分布、遷移過程及土壤溫度、凍結(jié)深度、凍結(jié)速率等。通過野外試驗(yàn)，對(duì)哈爾濱地區(qū)的季節(jié)性凍融黑土在裸地、自然積雪、壓實(shí)積雪、加厚積雪4種不同覆蓋條件下的土壤水分、溫度變化規(guī)律進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，根據(jù)田間試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用對(duì)比分析及統(tǒng)計(jì)方法對(duì)壤季節(jié)性凍融過程中氣候條件的變化規(guī)律、積雪厚度及降雪的變化規(guī)律、土壤剖面溫度、總含水量及液態(tài)含水量的變化規(guī)律以及具有不同積雪密度

2、、厚度等特性的積雪覆蓋對(duì)土壤溫度、含水量的影響等問題進(jìn)行了詳細(xì)探討，并利用SHAW模型對(duì)不同積雪覆蓋條件下的土壤季節(jié)性凍融過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。從時(shí)間、空間角度分析了不同深度土壤含水率及溫度變化。得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)在積雪總量一定的情況下，積雪的消融速率與氣溫、太陽輻射量密切相關(guān)。不同厚度和密度的積雪，在消融時(shí)間上相差較小，積雪密度和厚度對(duì)消融速率的影響較弱。由于雪的低熱導(dǎo)性，積雪覆蓋對(duì)土壤具有良好的緩沖、絕熱和保墑作用

3、。在僅存在積雪自身沉降造成的密度增大情況下，積雪的厚度越大保護(hù)效果越好，土壤含水率對(duì)氣溫變化的響應(yīng)及土壤解凍時(shí)間依次延后，延后程度隨土壤深度增加而增大;當(dāng)人為改變積雪密度時(shí)，相較于單純?cè)黾臃e雪厚度，密度大的積雪可以更好地保護(hù)土壤，使氣溫對(duì)土壤的直接影響更小。當(dāng)遇到冬季降雪量較小情況時(shí)，可以考慮采用人為壓實(shí)積雪的方法，加強(qiáng)對(duì)土壤的保護(hù)作用。積雪可以減緩?fù)寥赖膬鼋Y(jié)速度，影響土壤內(nèi)部水分再分布過程。在土壤的凍結(jié)過程中，液態(tài)水會(huì)向凍結(jié)鋒面遷移，

4、在穩(wěn)定凍結(jié)階段由于凍結(jié)面移動(dòng)較緩慢，凍結(jié)鋒面處土壤總含水率增大、水分聚集現(xiàn)象明顯。
　　(2)無積雪覆蓋時(shí)，由于土壤這種多孔介質(zhì)受環(huán)境溫度影響較大，不同時(shí)期土壤的溫度變化較為劇烈。而存在積雪覆蓋區(qū)域，由于積雪的大比熱容性及其對(duì)能量的吸收，導(dǎo)致凍結(jié)期環(huán)境溫度降低時(shí)，土壤的溫差變小，減少熱量散失;穩(wěn)定凍結(jié)期，積雪的存在為土壤積蓄能量，土壤溫度相對(duì)較高;消融解凍期，積雪對(duì)能量具有一定的反射及儲(chǔ)存作用，因此，積雪覆蓋條件下土壤溫升較慢。積

5、雪覆蓋隔絕了土壤與環(huán)境之間的能量交換，在越冬期保持了土壤溫度，同時(shí)，自然降雪、加厚積雪、壓實(shí)積雪處理的土壤溫度曲線依次變得平緩。其中，壓實(shí)積雪處理的保溫效果最為明顯，優(yōu)于加厚積雪，說明積雪對(duì)能量的反射、儲(chǔ)存及熱量傳導(dǎo)作用受積雪密度的影響更大。
　　(3) SHAW模型可以良好的模擬季節(jié)性凍融土壤的水熱耦合遷移過程，能夠精確模擬不同積雪覆蓋條件下土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)土壤含水率變化規(guī)律的模擬也取得了較好的模擬結(jié)果。當(dāng)改變積雪密度及厚

6、度等重要積雪特性參數(shù)時(shí)，雪層受到擾動(dòng)后整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，會(huì)出現(xiàn)密度不均勻等情況，會(huì)使模擬結(jié)果誤差增大，但模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律仍然一致。
　　綜上所述，通過系統(tǒng)研究不同積雪覆蓋條件下凍融土壤水分、熱量的動(dòng)態(tài)變化并利用SHAW模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了不同積雪覆蓋條件下季節(jié)性凍土區(qū)雪被覆蓋條件下的土壤水熱耦合運(yùn)移規(guī)律、描述了凍融過程中的土壤水分及熱量的動(dòng)態(tài)變化，研究結(jié)果對(duì)于合理提高寒區(qū)土壤水熱資源利用效率、制定冬春季節(jié)儲(chǔ)水