基于數(shù)字監(jiān)測的凍結(jié)期土壤溫度變化特征研究

基于數(shù)字監(jiān)測的凍結(jié)期土壤溫度變化特征研究

例如，0以下的各種巖石和土壤中含有一定含量的冷凍土壤，可分為季節(jié)性冷凍土壤和永久性冷凍土壤。國內(nèi)李述訓(xùn)和程國棟對室內(nèi)土壤凍結(jié)、融化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。尚松浩根據(jù)凍土水熱基本方程導(dǎo)出了水熱耦合方程,對不同條件下整個(gè)越冬期長時(shí)間的土壤凍融過程中的水熱遷移進(jìn)行了模擬。雷志棟等模擬了凍結(jié)條件下土壤的水熱耦合遷移規(guī)律,但未考慮氣態(tài)水遷移及熱的對流遷移。鄭秀清采用氣態(tài)水遷移和熱對流遷移的水熱耦合數(shù)值模型,模擬了天然條件下土壤的季節(jié)性凍土過程以及其中的水熱遷移規(guī)律。筆者模擬季節(jié)性凍土,實(shí)驗(yàn)歷時(shí)18個(gè)月。模擬實(shí)驗(yàn)以亞黏土和砂土為研究對象,研究非飽和帶凍結(jié)期土壤溫度變化特征及其影響因素。1實(shí)驗(yàn)方法1.1土壤溫度監(jiān)測與分析模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要由非飽和帶土壤單向凍結(jié)模擬裝置、空氣制冷系統(tǒng)、定水頭供水系統(tǒng)和土壤溫度場自動監(jiān)測系統(tǒng)組成。研究以海爾BC/BD-388A冰柜(制冷功率為160W)為基礎(chǔ),改造為數(shù)控制冷裝置,模擬冬季土壤的凍結(jié)過程。為使水分能夠均勻向上遷移,箱底鋪2cm厚的石英砂。模擬地下水位埋深為87cm。凍結(jié)土壤溫度采用智能溫度傳感器監(jiān)測,數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動采集,采集頻率為1次/min。模擬實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。1.2模擬實(shí)驗(yàn)的對象模擬實(shí)驗(yàn)對象為當(dāng)?shù)夭杉翗?選取亞黏土和砂土兩類土壤為研究對象。土壤顆粒分析結(jié)果及土壤物理性質(zhì)見表1和表2。1.3溫度監(jiān)測系統(tǒng)土壤溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由LTM-8000系列“一線總線”智能模塊、數(shù)字溫度傳感器及監(jiān)測計(jì)算機(jī)組成。溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)連接方式總計(jì)8個(gè)通道,每個(gè)通道最多可以連接64個(gè)傳感器。溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī),LTM-8000系列“一線總線”智能模塊作為下位機(jī),數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測溫元件,設(shè)計(jì)出一種全數(shù)字化的基于“一線總線”的凍結(jié)溫度監(jiān)測系統(tǒng)。土壤溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測界面見圖2。2實(shí)驗(yàn)分析2.1不同地表溫變幅度由圖3可知,在相同氣溫降幅條件下,不同土壤類型對地表溫度的影響表現(xiàn)為兩方面:1)砂土要比亞黏土地表溫度降幅大,且隨氣溫的降低,砂土與亞黏土地表溫差越大;2)土壤地表溫變幅度小于空氣的溫變幅度。空氣的溫變幅度在3℃左右,而土壤的溫變幅度不到1℃。這主要是受到熱傳導(dǎo)率的影響,空氣的熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)大于土壤的熱傳導(dǎo)率,從而導(dǎo)致土壤溫度變幅遠(yuǎn)小于空氣溫度變幅。2.2土壤溫度隨深度的變化氣溫-3～-10℃范圍。如圖4所地,在整個(gè)砂土凍結(jié)期間,氣溫與土壤溫度的變化趨勢一致。深層土壤溫度變化較平緩,而淺層(2,12,27cm)受氣溫影響變化劇烈。2cm深度溫度從13.31℃變化為-1.5℃,12cm深度溫度從13.5℃變化為1.25℃,47cm深度溫度從14.5℃變化為8.5℃,87cm深度溫度從14.68℃變化為11.06℃。由圖4,我們可以得出凍結(jié)期土壤溫度變化具有一定的時(shí)間滯后效應(yīng),其時(shí)間滯后效應(yīng)隨著土壤深度的增加而增大。土壤剖面深度越深,土壤溫度變化越小。砂土凍結(jié)210h,隨著土壤深度的增加,土壤溫度變化曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),越向右偏移。在土壤87cm深度土壤溫度變化曲線已觀察不出有明顯的拐點(diǎn)。2.3不同冷凍時(shí)間土壤深度亞黏土溫度分布特性氣溫-3～-10℃范圍。如圖5所示,在整個(gè)土壤凍結(jié)過程中,同樣的氣溫降幅條件下,2cm深度亞黏土溫度從13.43℃變化為-0.25℃,砂土從13.31℃變化為-1.5℃;12cm深度亞粘土溫度從13.75℃變化為1.62℃,砂土從13.5℃變化為1.25℃;47cm深度亞粘土溫度從14.62℃變化為8.68℃,砂土從14.5℃變化為8.5℃。87cm深度亞黏土溫度從14.68℃變化為11℃,砂土從14.68℃變化為11.06℃。由圖5在相同的土壤深度,剛開始冷凍時(shí)亞黏土和砂土溫度差別不是很大,但隨著冷凍時(shí)間的增加,其溫度差別越來越大。在2cm深度,砂土地表的溫度始終比亞黏土地表溫度低0～2℃,其中2cm深度亞黏土與砂土溫度變化曲線差別最大。但隨著土壤深度的增加,其溫度差別越來越小。至87cm深度時(shí),已沒有明顯的差別。土壤表層溫度差別的不同,主要是受到凍結(jié)期土壤性質(zhì)和氣溫變幅的影響。凍結(jié)期土壤性質(zhì)主要由土壤顆粒組成決定,土壤顆粒組成,影響土壤的熱傳導(dǎo)率。砂土粒徑小于0.01mm僅占11.3%,而亞黏土粒徑小于0.01mm占22%,這是影響凍結(jié)期砂土和亞黏土溫降速率不同的本質(zhì)因素。溫降速率還受到土壤含水率的影響,土壤87cm深度,由于受到地下水位的影響,土壤為飽和含水率狀態(tài),因此土壤深度越深,溫降速率差別并不明顯。3亞黏土整理后土壤溫度隨時(shí)間的變化通過模擬實(shí)驗(yàn),我們總結(jié)出非飽和帶凍結(jié)期同樣的氣溫降幅條件下,空氣溫度的變幅(3℃)遠(yuǎn)大于土壤表面溫度的變幅(1℃),砂土要比亞黏土地表溫度降幅大;凍結(jié)期土壤溫度變化具有一定的時(shí)間滯后效應(yīng),其時(shí)間滯后效應(yīng),隨著土壤深度的增加而增大;凍結(jié)期砂土和