地下水埋深对淮北平原冬小麦耗水量影响试验研究

研究地下水埋深对淮北平原冬小麦耗水量的影响,对浅埋区农业水管理具有重要意义。基于2017—2020年五道沟水文水资源实验站大型称重式蒸渗仪群,模拟不同地下水埋深下冬小麦蒸散发变化过程,以蒸散量表征小麦耗水的变化,识别影响小麦耗水的关键环境因子,探索不同情景小麦耗水特征。全生育期内各地下水埋深0.5,1.0,2.0,3.0 m下小麦蒸散量依次为510.50,499.33,567.88,727.88 mm,各埋深下表层10 cm处土壤含水率与蒸散量相关系数依次为?0.42,?0.69,?0.53,?0.43;依据太阳辐射量划分3类典型日,典型日内蒸散强度为:强辐射日约0.30 mm/h、弱辐射日约0.07 mm/h、微弱辐射日约0.03 mm/h;蒸散峰历时依次为:5:00—20:00、7:00—17:00和9:00—17:00;太阳辐射强时,地下水埋深对蒸散强度峰值出现的时间影响较小,而太阳辐射过弱时,地下水埋深大会阻滞能量传输,蒸散强度峰值滞后;表层土壤水是蒸散发的主要来源,尤其在1.0,2.0 m埋深下表层土壤水对蒸散发贡献率更高;太阳辐射、净辐射和土壤热通量正向驱动小麦耗水,表层土壤水分、平均气温和空气湿度反向驱动。     

Temperature distribution in karst systems: the role of air and water fluxes

A better understanding of heat fluxes and temperature distribution in continental rocks is of great importance for many engineering aspects (tunnelling, mining, geothermal research, etc.). This paper aims at providing a conceptual model of temperature distribution in karst environments which display thermal ‘anomalies’ as compared with other rocks. In temperate regions, water circulation is usually high enough to ‘drain‐out’ completely the geothermal heat flux at the bottom of karst systems (phreatic zone). A theoretical approach based on temperature measurements carried out in deep caves and boreholes demonstrates, however, that air circulation can largely dominate water infiltration in the karst vadose zone, which can be as thick as 2000 m. Consequently, temperature gradients within this zone are similar to the lapse rate of humid air (～0.5 °C 100 m^?1). Yet, this value depends on the regional climatic context and might present some significant variations.     

Sensible and latent heat flux response to diurnal variation in soil surface temperature and moisture under different freeze/thaw soil conditions in the seasonal frozen soil region of the central Tibetan Plateau

The relationship between sensible and latent heat flux and diurnal variation in soil surface temperature and moisture under four freeze/thaw soil conditions was investigated using observed soil temperature and moisture and simulated sensible and latent heat flux. The diurnal range of latent heat flux had a similar temporal change pattern as that of unfrozen soil water at depths of 0–3 cm during the freezing stage. Also, there was a better relationship with the diurnal range of unfrozen soil water at depths of 3–6 cm during the thawing stage. Diurnal variation in latent heat flux was significant and depended mostly on solar radiation during the completely thawed stage. However, while diurnal variation in solar radiation during the completely frozen stage was significant, for latent heat flux it was quite weak due to low unfrozen soil water content. Thus, diurnal variation in latent heat flux depended mostly on unfrozen soil water content during this stage. During the freezing and thawing stages, diurnal variation in latent heat flux was also significant and depended mostly on diurnal variation in unfrozen soil water content. However, the impacts of air temperature change from solar radiation on latent heat flux could not be ignored.     

The solar dynamo and integrated irradiance variations in the course of the 11-year cycle

Abstractthe effect of the large-scale magnetic fields generated by the solar dynamo on the radiation flux issuing from the convection zone is studied. A governing equation describing convective heat transfer is obtained in the framework of mean-field magnetohydrodynamics, with account for the influence of magnetic fields and differential rotation on the energy budget of the convection zone. The principal effects are illustrated using a one-dimensional numerical model. Calculations indicate that the influence of large-scale magnetic fields can modulate the solar irradiance with a relative amplitude of ～0.07%.     

喜马拉雅东构造结地区地热成因分析

喜马拉雅东构造结地区是现今地球上构造活动最强烈、地貌演化最快的地区之一,属于地中海—喜马拉雅地热带,水热活动强烈。基于喜马拉雅东构造结的地热地质背景,采用野外调查、水化学和稳定同位素测试分析等手段,初步分析嘉黎地区深部地下热水发育特征及成因模式。结果表明,该区域地下热水均来自大气降水或冰雪融水,补给高程位于4 500 m以上,推测补给区位于研究区西北部片麻岩山区;区内地下热水均为未成熟水,热水补给水源沿断裂循环至深部热储,随后受热对流上升至地表出露成温泉,热水上升至浅表部与冷水发生混合,冷热水最大混合比可达91%;采用二氧化硅温度计、阳离子温度计以及硅-焓模型估算出热储温度最高达380 ℃,热水在雅鲁藏布江结合带内循环深度达到6 900 m。研究区深部热源主要来自雅鲁藏布江结合带及附近深大断裂,地表热显示主要受控于结合带两侧的次级张扭性断裂。本研究初步揭示了喜马拉雅东构造结嘉黎地区地热成因模式,可为该区重大工程建设和高温热害防治提供指导。     

鄂尔多斯盆地北部风积沙覆基岩型包气带结构的生态意义

风积沙覆基岩型包气带结构在鄂尔多斯盆地北部分布面积最广.在其结构及其属性特征分析基础上,重点解析了结构内垂向上土壤水分的富集规律;以沙蒿为例,对喜沙耐旱植被的生长与风积沙厚度、地下水水位埋深间的关系进行了探讨.认识到风积沙覆基岩型包气带结构有利于土壤水富集,是鄂尔多斯盆地北部沙蒿、沙柳等耐旱喜沙植被分布与生长的决定性因素,对维系盆地北部生态系统有重要作用;而地下水位埋深与沙蒿等耐旱植被生长间的关系并不密切.在进行盆地北部地下水资源评价及开发方案制定过程中,应对风积沙覆基岩型包气带的生态意义给予重视.     

用VIC模型模拟黑河上游流域水分和能量通量的时空分布

受地形起伏影响, 山区流域的水分和能量通量时空分布差异很大. 利用水文模型VIC (variable infiltration capacity)对黑河上游流域的水文和能量时空分布进行了模拟, 并通过观测对模拟结果进行了验证. 结果表明:VIC模型能够较合理地模拟研究区径流过程, 对净辐射的计算也较准确, 模拟得到的部分水分通量和能量通量(感热、潜热和土壤热通量)在趋势上较一致, 但在数量上存在偏差. 积雪过程对研究区的水文和能量循环有重要影响, VIC模型对积雪的模拟偏差较大, 导致了每年4月左右的模拟径流偏低, 也没有模拟出积雪融化导致的土壤含水量上升; 同时, 积雪模拟的不准确也明显影响到能量通量的模拟. 在研究区, 土壤水分变化受土壤冻融影响明显, VIC模型对气温较高、不发生冻融过程的7-9月土壤水分变化模拟较好, 但是在其他月份, 对积雪及表层土壤消融导致的土壤水分迅速增加和土壤冻结导致的土壤水分迅速减少两个过程的模拟比较差; VIC模型能够给出水分和能量各通量的时空分布, 较好地揭示研究流域各个通量的空间异质性及相互影响.     

青藏工程走廊楚玛尔河高平原区路基边界温度特征

基于青藏高原楚玛尔河地区青藏公路里程K2968+200断面浅层地温监测数据（地表下5 cm）,拟合了边界温度的回归方程,分析了公路路基及铁路路基两侧表层温度的特征.同时对路基坡面温度和理论辐射值的相关性进行了分析.结果表明：边界温度回归方程拟合程度较高,可作为冻土路基数值模拟温度边界选取的参考依据;监测断面公路和铁路路基都表现出显著的阴阳坡差异,公路左右坡面冬季温度差异达11.49℃,年均值差4.77℃,冬季铁路路基左右坡脚温度差异达到5.34℃,年均值差3.33℃,天然地表与气温的差值为5.2℃;根据融化与冻结n系数,位于阳坡一侧的冻结n系数较低且融化n系数大,表现为吸热;阴坡一侧冻结n系数较大,整体呈现出放热效应;路基边坡太阳理论辐射与温度变化趋势基本一致.     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

Advances in Moisture Migration in Vadose Zone of Dryland and Recharge Effects on Groundwater Dynamics

The vadose zone is the zone in between the land surface and above the groundwater table at vertical profile with partial water saturation and under the unsaturation condition, which constitutes the connections among atmospheric water, surface water and groundwater. Soil moisture migration in the vadose zone is a rather complicate process, which controls the rates of groundwater depletion and recharge, and has close hydraulic connections with highly frequent water transfers on the interfaces among the irrigation farmland, sand dunes, wetlands, lakes, and other landscape types. Recent development on soil moisture migration simulations and the application of tracer techniques, geophysical techniques and other geological methods in the vadose zone research, the factors affecting soil moisture migration and groundwater recharge,and soil moisture migration effects on moisture exchange between different landscapes were reviewed in this paper. Several suggestions on the future research were presented here: ① An intense field observation and research database should be initiated and constructed to determine the soil hydraulic parameters, and quantify the influence of moisture migration in vadose zone on the groundwater recharge; ② The proposed observations and researches should learn from the “Critical Zone Observatory”, and focus on the coupling of the soil moisture migration, solute transport and groundwater recharge.     

毛乌素沙地冻融期气态水迁移机理及影响因素

受冰-水间相变影响, 冻融期内土壤水、热传输过程变得复杂, 研究气态水分布特征与运移规律, 可为厘清冻融过程中沙地包气带水文循环机理提供关键信息。通过在毛乌素沙地建立原位监测点, 并利用修改后的Hydrus-1D冻融程序建立包气带水-汽-冰-热耦合数值模型, 对冻融期包气带气态水迁移过程展开研究。结果表明: 模拟与实测土壤水分及温度变化拟合较好, 证实所建立的模型具有良好的精度以及适用性; 对比典型未冻结、初始冻结、向下冻结以及融化时段结果可知, 冻融过程会改变剖面土壤水分、含冰量以及水汽密度分布, 其中水汽密度变化与温度联系紧密; 冻结后, 由温度梯度驱动的非等温气态水通量在总水分通量中的占比超过90%, 表明气态水占据主导地位, 其运移过程对于剖面土壤水分分布以及高含水量带出现有重要影响。     

基于SPH方法的非饱和多孔介质相变耦合研究

在考虑相变的热能平衡方程和非饱和水分迁移质量控制方程的基础上,建立温度场-水分场的耦合模型,并采用一种无网格粒子算法（SPH）进行数值求解。其中,耦合方程中考虑了水流传热以及温度势对水流的直接驱动,在不考虑相变的情况下,该耦合模型可退化为常温下的水-热耦合模型,故可用于模拟冻融循环的相关问题。从求解热能平衡方程中的含冰量出发,实现解耦并对半无限单向冻结条件下介质内非稳态温度场和体积含水率分布场进行模拟,将耦合作用下的温度场与不耦合的解析解进行对比,反映出水分迁移对温度场存在较大影响。最后,求解了路基边坡在季节性周期温度边界下,温度场、水分场分布的演变规律,并评估了边坡阴阳面受热不均对水热两场分布的影响。计算结果基本能反映土冻结相变的实际物理过程,光滑粒子算法可以用于尝试解决冻土领域的其他相关问题。     

常温层温度特征及浅层地温能成因机理研究

常温层温度及深度是浅层地温场的重要指标,工程实践中常用常温层温度来代表地下岩土体原始温度。研究表明常温层温度与年均气温和大地热流密度密切相关,浅层地温能是在太阳能照射和地心热产生的大地热流的综合作用下,存在于地下近表层数百米内的土壤、砂岩和地下水里的低温地热能。据常温层温度特征,将我国浅层地温能分为tH≧15℃、tH=10～15℃和tH≦10℃3种类型。     

试论冻结滞水

冻结滞水指因冬季的冻结作用在包气带冻土层内形成的季节性固态地下水。在冻结期间包气带水具有明显的倒置分带性：（１）冻结滞水带;（２）过渡水分带;（３）支持毛管水汽化输水带。冻结滞水含水率比冻结前一般增加２０％￣３０％,相当于给水度为０．０６的含水层中潜水位下降２．５４￣３．７４ｍ时给出的水量。冻结滞水是干旱、半干旱地区农、林、牧业生产持续发展的可贵的水资源之一。     

毛乌素沙地植被与地下水关系

以植被的种群和盖度、地下水埋深、包气带含水率、地下水矿化度和包气带含盐量等指标,研究毛乌素沙漠腹地地区植被与地下水的关系,确立了研究区优势植被沙蒿（Artemisia）、沙柳（Salix psammophila）和苔草（Carex）的适生地下水埋深、包气带含水率、地下水矿化度和包气带含盐量。研究表明：地下水埋深、包气带含水量对植被种群影响非常敏感,而地下水矿化度和包气带含盐量则为不敏感指标。另外,地下水埋深对以地下水为水分来源的植被盖度较为敏感,而总盖度为不敏感指标。     

青藏高原坡面冻土土壤水分空间变异特性

为深入揭示坡面冻土水分运移规律及其主要影响因子,以青藏高原巴颜喀拉山北坡为例,结合冻融变化过程,研究不同地形条件冻土土壤水分空间变异特征,利用分类回归树模型（CART）和典范对应分析（CCA）识别影响坡面冻土土壤水分空间异质性的主控因子及其相互作用关系。研究结果表明:①受坡面地形与冻融过程影响,冻结期坡面冻土土壤水分侧向流动减弱,以垂直迁移为主,上坡位含量高于下坡位,反之,融化期上坡位含量则低于下坡位。②影响坡面冻土土壤水分的主要环境因子为高程、土壤质地、土壤温度和植被覆盖度,但在不同冻融阶段下其影响因子存在差异,在冻结状态下主要因子为高程、土壤质地和土壤温度,其相对贡献率分别达到19.97%、19.45%和9.56%;在融化阶段下主要因子为高程、植被覆盖度和土壤质地,其相对贡献率分别为37.4%、14.9%和10.7%。③ 0~20 cm浅层深度上影响坡面冻土土壤水分的主要因素为坡度、高程和植被覆盖度,其相关系数分别高达0.941 2、0.903 9和0.563 1;中下层深度上其主要影响因素较为复杂。     

西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度

鉴于包气带蒸发的水分是从地表散失,故查明裸土蒸发规律对研究包气带水分蒸发、潜水蒸发问题具有重要意义。为了查明西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度规律,通过开展裸土含水率观测、包气带负压观测等野外原位试验,结合气象资料,对包气带剖面流场特征进行分析,采用有限差分法对裸土蒸发强度进行计算。结果表明：依据包气带水分在垂向上迁移的不同状态,将裸土区包气带剖面划分为水分向上传输带和水分向下迁移带2个带;西北内陆干旱盆地裸土包气带极限蒸发深度为1.2 m;受外界蒸发能力和包气带向上输水能力交替控制作用,盆地内裸土蒸发出现在4月下半月至9月下半月,其中4月下半月至5月裸土蒸发强度最大,平均蒸发强度达0.56 mm/d;裸土蒸发强度平均仅占水面蒸发强度的3.5%,最大达6.7%。     

青藏高原唐古拉多年冻土区冻融循环过程中的能量平衡特征

青藏高原多年冻土区冻融循环过程对地表能量及其分配的影响研究相对较少,青藏高原唐古拉站多年冻土的实测资料,依据10 cm土壤温度划分浅层土壤冻融循环的各个阶段并结合能量闭合率、地表能量各通量等数据探讨浅层土壤冻融循环过程与地气间水热交换过程之间的影响。结果表明：浅层土壤冻融循环过程各阶段均受气候变化的影响,其融化过程起始时间提前同时冻结过程起始时间推后,完全融化阶段持续时间增加,且逐渐接近完全冻结阶段持续时间;在浅层土壤不同冻融状态下,能量闭合率差值较大,其中完全融化阶段能量闭合状况普遍好于完全冻结阶段;净辐射值在完全融化阶段高于完全冻结阶段,净辐射在完全冻结阶段主要转化为感热通量,在完全融化阶段主要转化为潜热通量,地表土壤热通量在完全融化阶段为正值,在完全冻结阶段为负值。     

冻土水热力耦合研究现状及进展

开展冻土水热力三场耦合研究对解决寒区工程问题具有重要的理论指导意义。归纳了冻土水热力耦合的理论基础,认为目前的水分迁移驱动力假说仍然不能很好地解释水分迁移现象,分凝冰的形成机制及判据仍需进行深入的研究。分类和评价了常见的正冻土水热力耦合模型,发现流体动力学模型虽然能够很好地描述水热迁移现象,但未考虑非连续冰透镜体;而较复杂的刚冰模型虽然考虑了冻结缘内水热迁移耦合现象,但是参数众多;热力学模型从微观角度描述了冻土水热力并考虑孔隙吸力,但仍存在参数众多的问题。同时,对预融膜理论在冻土水热力耦合问题中的应用进行了分析和展望,认为可以借助预融膜理论对冻土水热力耦合中的能量、水分迁移驱动力以及迁移速率等进行描述。最后,基于冻土水热力三场耦合研究现状及存在的问题,提出了冻土水热力耦合研究的总体构想：研究与实际情况相符同时适用于稳态及非稳态的通用数学表达式,开展冻土物理学各个参数的动态变化研究,纳入非饱和土体在冻融过程中的水热力相互作用研究,实现水热力在真正意义上的耦合,同时,加强预融膜理论在大尺度、陆面过程以及水热边界等方面的应用研究。     

冷热混合作用下的岩溶地下热水形成机制新认识

岩溶型地热是地热系统的重要类型,岩溶介质的特殊性使得其形成过程中易与浅循环水系统发生更多的相互作用,而有别于其他介质地热系统。本文以四川盆地边缘的铜锣山背斜岩溶地下热水系统为研究对象,通过野外调查、水文地球化学、环境同位素等方法和手段,结合区内地热地质和岩溶地质条件,系统探讨了岩溶地热系统热水出露过程中的冷、热水混合作用,揭示了冷热混合作用对岩溶地热系统形成模式的遮蔽性,并建立了铜锣山岩溶地下热水成因模式。结果表明,铜锣山岩溶地下热水出露过程中冷热水混合作用极为强烈,冷水混入比高达73% ~89%;冷热水混合会破坏热水携带的地热系统信息,使得补给高程和热储温度分别被低估约78%和45%。铜锣山背斜岩溶地下热水形成模式为大气降水在北部2100~2400 m高程的岩溶裸露山区渗入地下,在深循环过程中被地温增温加热,岩溶热储层温度为128~172 ℃,热水受岩溶和构造控制由北东向南西径流,并沿裂隙和岩溶通道向上径流,在此过程中与岩溶槽谷背斜局部浅循环冷水大量混合,混合后的热水以38~62 ℃的温度自然出露于深切河谷地段或被人工揭露。