含水率和干密度对黄土热参数影响的试验研究

黄土的热参数是黄土灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而含水率和干密度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在常温下开展热参数试验,探讨黄土热参数随含水率及干密度的变化规律。研究结果表明:黄土试样含水率一定时,干密度越大,其导热系数、比热容及热扩散系数也越大;黄土试样的导热系数和比热容随含水率的增大基本呈线性规律增大;当含水率较低时,热扩散系数随含水率的增大而增大;当达到一定含水率时,热扩散系数随含水率的增大而减小;继续增大含水率,热扩散系数趋于稳定。含水率对黄土热参数的影响程度大于干密度对其热参数的影响程度。在热工计算中,可根据土体含水率和干密度动态地选择热参数。     

灌水定额对玉米膜孔灌土壤水氮运移特性影响试验研究

通过玉米膜孔灌测坑试验,分析了灌水定额条件下的膜孔灌农田土壤垂直剖面水氮分布规律。经研究表明：灌水定额越大,土壤含水量越大,分布范围越广,土壤80~100 cm层的含水量越高;灌水定额越大,土壤表层（0~20.0 cm）含水量变化越大,硝态氮含量越小,变化越大,对深层80~100 cm硝态氮含量影响越大;随灌水定额的增加,硝态氮累积峰越靠下,低、中、高灌水定额的硝态氮累积峰分别出现在30 cm4、0 cm5、0 cm左右,高灌水定额时,增加了硝态氮的淋失,不利于作物对水氮的吸收。     

北京平原区第四系热物性参数特征及对浅层地热能开采的影响因素分析

【研究目的】 岩土热物性是影响浅层地热能资源评价及利用的重要参数。【研究方法】 在北京平原区各冲洪积扇采集了695件第四系岩土样品进行热物性及土工参数测试,分析了热物性参数特征及其对浅层地热能开采的影响。【研究结果】 北京平原区第四系岩土热导率平均值为1.465~2.022 W/(m·K),热扩散率平均值为0.450×10^-6~0.841×10^-6 m²/s,比热容平均值为2.323~3.080 MJ/(m³·K),热导率（λ）与热扩散率（κ）值存在一定的线性关系,相关方程为λ =1.6973κ + 0.6127。第四纪松散沉积物颗粒越细,热导率值越低;含水率0~5%范围内,热导率随含水率增加迅速增大,含水率5%~20%范围内,热导率增加变缓并趋于稳定,含水率20%~40%范围内,热导率随含水量增大而降低;在天然状态下,热导率随着密度的增加而增大,随着孔隙比的增加而降低;样品温度在0~40 ℃范围内,热导率随温度升高呈先减小后增大的趋势,20 ℃时热导率最低。【结论】 第四系热物性参数随地质条件变化而变化,热物性参数大小会影响浅层地热能储存、采集和扩散能力,热导率、热扩散率及比热容越大,岩土蓄热和导热能力越强。     

黄土高原地表能量闭合特征及土壤通量参数化

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站)2008年夏季晴天的湍流、 辐射、 土壤温度和通量梯度观测资料, 确定了晴天土壤热参数, 并结合土壤热流量板测量的温度积分法把实际测量通量推算到地表; 讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响; 建立了计算地表土壤热通量的模型. 结果表明: 黄土高原典型沟壑区夏季晴天平均土壤热容量为1.23×10⁶ J5m^-35K^-1; 能量平衡方程中, 以5 cm 埋深处HFP01SC热流量板观测值 (G₅) 表示土壤热通量时, SACOL站地表能量闭合率为75.7%. 采用温度积分法, 将HFP01SC的直接测量结果校正到地表(G_s)后, 地表能量闭合率可以达到81.8%; 0~5 cm土壤层的热量储存对能量平衡的贡献为6.1%. 模型计算得土壤热通量(G_m)与G_s之间的线性回归斜率为0.973(显著性水平为0.1‰). (H+LE)与(R_n-G_m)进行线性回归, 得到地表能量闭合率为81.7%. 表明模型与温度积分法计算计算土壤热通量非常接近, 但通过参数化方法计算时仅需要知道R_n即可.     

青藏高原多年冻土区不同海拔土壤含水量对气候变化的响应--基于ELM模型北大核心CSCD

多年冻土区活动层是地表水和地下水相互转化中十分重要的交换通道,活动层土壤含水量是多年冻土区水文循环中重要的组成部分,其动态变化与寒区生态环境密切相关。在气候变化背景下,深入了解活动层土壤含水量的动态变化特征具有重要意义。本文利用ELM(Extreme Learning Machine)模型对青藏高原腹地不同海拔高度多年冻土区土壤含水量进行模拟分析,结果表明:与BP神经网络模型相比,二输入变量ELM模型的模拟精度更高;ELM模型模拟后1天土壤含水量的NSE值在0.69~0.87之间,其中坡下20 cm深度处模拟NSE取得最大值(0.87),并且模拟精度随着推后时间的增加有所提升,模拟后3天和后7天的NSE值分别在0.76~0.92和0.75~0.93之间;坡下各深度含水量的模拟效果优于坡上。在此基础上,通过设置不同的气候变化情景,研究土壤含水量在气候变化背景下的动态变化规律及响应特征。研究发现,升温导致冻结初期以及融化初期不同深度的土壤含水量均出现增大的趋势,在完全冻结期和完全融化期变化不明显。且随着气温增幅的加大,冻结初期以及融化初期的土壤含水量变化也逐渐增大,深层土壤含水量较浅层土壤含水量的增加更加显著。在降水增加的情景下,降水增加越大,土壤含水量的增加趋势越明显,但整体变化幅度较小;坡上各深度土壤含水量的增加主要发生在融化初期和完全融化期,坡下则主要集中在融化初期,相比于深层土壤,浅层土壤对降水增加的响应更加强烈。     

贵州主要岩石地层热物性参数特征及影响因素分析

岩石热物性是地表、地球内部温度分布及热传递研究不可缺少的参数,贵州乃至西南地区均尚未开展过系统性、区域性的岩石热物性参数研究工作。为给贵州及相邻区域开展地热、油气成藏以及岩土工程等研究工作提供依据和参考,本次采集了贵州主要地层的14种岩类,共计433件岩石样品,并进行热导率、比热容及热扩散率的测试,分析了不同岩石的热物性参数特征及影响因素。研究表明：贵州地区岩石热导率的实测平均值在1. 516±0. 264~5. 066±0. 521W/(m·K)之间,比热容的实测平均值在0. 272±0. 042~0. 603±0. 096kJ/(kg·℃)之间,热扩散系数的实测平均值在0. 752±0. 331~2. 854±0. 368mm2/s之间。区内岩石热物性与其矿物成分、结构、含水量等因素有关,其中,岩石年龄越老,热导率和热扩散系数越高;岩石的热导率和热扩散系数与高热导率矿物含量存在正相关关系,而比热容则相反;随着岩石中矿物颗粒粒度的增大,岩石热导率和热扩散系数也随之增加,而比热容与矿物颗粒粒度的关系则不明显;含水量对岩石的热物性影响较大,饱水条件下岩石的热导率比干燥条件下的热导率增加幅度在2%~17%,热扩散系数增加的幅度集中在1%~16%,而比热容则减少,减少幅度在3. 08%~21. 79%。     

黑河高山草甸冻土带水热传输过程

以黑河源区高山草甸冻土带的基本气象参数、植被参数和土壤水热性质参数为输入条件,利用CoupModel模型计算了试验点两个完整年度日尺度上的各种基本水热状况,计算结果较符合实测值(7层地温和土壤液态含水量平均R2分别为0.95和0.83).利用模型输出的土壤热通量和土壤水迁移分析了试验点季节性冻土区的水热传输过程:在土壤层开始冻结期,下层土壤液态水向冻结锋面集结,集结期向上的地热通量急剧增加;在冻结期,土壤热传导主要与上下层的土壤温度有关,土壤水迁移基本处于零通量状态;在融化期,在融化锋面未出现液态水分集结现象,融化层土壤水热传输过程迅速改变并与非冻结土壤一致,向下的地热通量急剧增加.     

温度对黄土热参数影响的试验研究

黄土的热参数是黄土冻融灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而温度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度的原状黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在不同温度下开展热参数试验,探讨黄土的热参数随温度的变化规律。研究结果表明:随着温度的降低,试样的导热系数变化曲线大致可分为缓慢增大、迅速增大和基本稳定3个阶段;比热容随温度的降低先增大后减小,最后趋于稳定;热扩散系数则随温度的降低先减小后增大,当温度低于-20℃时保持基本稳定;含水率越大,温度对试样热参数的影响越显著。土体处于未冻结和冻结两种状态下的热参数相差较大。干密度主要通过土体内部矿物质和自由水的含量对热参数产生影响。在黄土冻融灾害成因机制研究和热工计算中,可根据土体温度、含水率和干密度的变化动态选择热参数,而判断土体是否处于冻结状态是确定热参数的关键。     

青藏高原唐古拉地区暖季土壤水分对地表反照率及其土壤热参数的影响

为了研究青藏高原暖季土壤水分对冻土区地表热状况的影响,选取2010-2012年5-9月在青藏高原唐古拉气象场获取的气象及其活动层数据,分析了表层土壤水分对地表反照率以及土壤热参数的影响.结果表明：唐古拉站暖季表层土壤含水量集中在0.15～0.27之间,地表反照率值集中在0.14～0.24之间,日平均土壤热导率的波动范围在0.9～2.0 W·m^-1·K^-1之间,土壤热容的波动范围主要集中在0.8×10⁶～1.8×10⁶ J·m^-3·K^-1之间,而土壤热扩散率则主要集中在0.6×10^-6～2.2×10^-6 m2·s^-1之间.土壤水分对地表反照率影响较大,随着土壤水分的增长,地表反照率呈现出明显的减小趋势.土壤水分对地表反照率的影响还受到植被生长周期的影响,土壤水分和地表反照率之间的关系在植被枯萎期和生长期有明显的差异性.唐古拉地区土壤热参数也明显受到土壤水分变化的影响,随着土壤水分的增加,土壤热导率、热容和热扩散率都为增大趋势,但是土壤水分对土壤热导率的影响较为显著,而对土壤热扩散率的影响则不显著.     

北极夏季海冰表面积雪层内水分含量的时空分布

根据中国第二次北极科学考察实测雪冰温度剖面数据,用一维热传导方程描述雪层温度场,优化辨识了雪层有效热扩散系数和热源。将零热源项作为积雪层中含水和不含水雪层的边界,确定出相应含水和不含水雪层的有效热扩散系数。结合干雪、水物理参数建立雪层内含水量的评估方法并给出北极夏季雪冰温度测试期间雪层内水分含量与温度的关系以及水分变化的时空分布。