干旱区包气带水-汽-热运移与潜在蒸发：试验与模拟

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究进展

1.3研究目标与内容

第2章包气带基本概念和理论

2.1基本概念

2.2包气带水流方程.

2.3包气带水分运动参数

第3章试验观测与数据处理

3.1研究区概况

3.2野外试验布置

3.3室内实验

3.4地下水数据处理与分析

第4章基于 Saito 模型的水汽热传输模拟分析

4.1数学模型

4.2模拟结果与分析讨论

第5章干旱区包气带水-汽气-热运移模型

5.1研究概述

5.2包气带水-汽气-热运移模型

5.3模型有限差分求解

5.4模型验证

5.5模型敏感性分析

第6章额济纳三角洲戈壁带与河岸带潜水蒸发估算

6.1基于包气带水-汽气热运移模型的潜水蒸发估算

6.2基于改进的地下水波动法的潜水蒸发估算

6.3基于水热平衡法的潜水蒸发估算

6.4估算结果讨论

第7章结论与展望

7.1主要结论

7.2研究展望

参考文献

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

包气带是指地面与潜水面之间的地带。它与岩石圈、水圈、生物圈和大气密切联系井相互作用.影响着陆地表层的水汽传输、能量分配和物质赋存与运转。陆地表层的水主要由包气带水、地下水、植物水、地表水和大气降水(“五水”)构成并不断循环转化。地表水和大气降水经包气带渗透补纷地下水,而浅层地下水经土壤水分燕发和植被蒸腾转化为大气水，因此，包气带是连接“五水”转换的重要纽带(刘昌明，1997;李云良，2010),包气带水分运动研究是水文学研究的热点。自20世纪初，毛管势理论，土水势理论、湿润锋入渗理论、二相流理论等相继出现并得到发展。在土壤水分运移的早期研究中，包气带水动力学基本理论假定土壤空隙与大气是相道的，即土壤空气压强与大气压力保持平衡,忽略土壤孔隙中气相运动对包气带水分运动的影响(Faybishenko,1995)。基于这个假设,Richards(1931)推导出了包气带水流运动连续性方程,由此包气带水分运动研究由静态定性的经验描述走向了动态定量的机理分析。由于描述土壤人渗、蒸发、溶质运移等过程的包气带水分运移方程均是基于 Richards方程,因此土壤空气压强与大气压保持平衡的假设被广泛应用，这一假设也被称为Richards假设(Celiaand Binning,1992)。

在土壤水分运移过程的早期研究中，认为土壤孔隙中只有液态水运移,Richards方程是在湿润环境条件下得到的(Mandavi et al.,2018)。但随着研究的深人，发现土壤水分运移不仅有液态水，还有气态水;尤其在干旱条件下,气态水成为包气带水分传输的主导形式。千旱区与湿润区在土壤质地、气候条件等存在明显的地带性差异，导致影响包气带水汽传输的主导因素也不同,因此 Richards假设不适用于描述干燥包气带水汽传输过程。已有研究表明:土壤温度和土壤空气是影响干燥包气带水-汽热传输的主导因素(Saito et al,,2006;韩江波等，2014)。Philip 和de Vries(1957)基于 Richards假设，考虑了气态水运移以及土壤温度对液态水、气态水和热量传输的影响,提出了土壤水汽热稠合运移模型(简称PDV模型)。Cahill 和Parlange(1998)将能量-质量守恒方程结果与 PDV模型结果相比较，表明:PDV模型严重低估了试验中的水汽通量，与能量-质量守恒方程计算的水汽通量方向相反。Heitman等(2008)做室内实验发现，当土柱两端温度梯度方向对调时，PDV模型计算结果与实测结果相差甚大。Zeng等(2011a)考虑了水汽对流与弥散作用，建立了浅层包气带水-汽空气热耦合运动模型，试图阐明包气带水-汽-热耦合运动机制。但是Mohanty 和 Yang(2013)发现Zeng等建立模型高估了空气平流作用对等温水力传导率的作用，而且土壤水力特征曲线未延伸到全部范围。

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