土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟

吴谋松; 王康; 谭霄; 黄介生

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土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟

吴谋松, 王康, 谭霄, 黄介生

文章导航 > 水科学进展 > 2013 > 24(4): 543-550

吴谋松, 王康, 谭霄, 黄介生. 土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟[J]. 水科学进展, 2013, 24(4): 543-550.

引用本文:

吴谋松, 王康, 谭霄, 黄介生. 土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟[J]. 水科学进展, 2013, 24(4): 543-550.

WU Mousong, WANG Kang, TAN Xiao, HUANG Jiesheng. Water movement in soil freezing and thawing cycles and flux simulation[J]. Advances in Water Science, 2013, 24(4): 543-550.

Citation:

WU Mousong, WANG Kang, TAN Xiao, HUANG Jiesheng. Water movement in soil freezing and thawing cycles and flux simulation[J]. Advances in Water Science, 2013, 24(4): 543-550.

土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟

吴谋松¹,
王康^1,2,,
谭霄¹,
黄介生¹

1.
武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室, 湖北武汉 430072;
2.
中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100038

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51179203);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2010CB951102)

详细信息

作者简介:
吴谋松(1989-),男,河南信阳人,博士研究生,主要从事土壤水动力学研究。E-mail:mswu027@sina.com

通讯作者:
王康,E-mail:wwangkang@163.com

中图分类号: S152.73

Water movement in soil freezing and thawing cycles and flux simulation

1.
State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
2.
State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

Funds: The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51179203) and the National Basic Research Program of China (No.2010CB951102).

摘要: 为研究季节性冻土在冻融过程中水热盐的运移规律,在野外开展了一维及二维冻土水热盐运移试验,并通过Br离子示踪法及建立冻土水盐通量计算模型对土壤冻融过程中水盐的通量变化特性进行了计算分析。基于Hangen-Poiseuille孔隙通量方程,耦合孔隙冰柱体对水力传导度的影响机理,提出了冻土水流通量模型。结果表明,冻结过程中,液态水在水势和温度梯度作用下在冻结锋处聚集,形成通量峰值,冻融过程中自地表和最大冻深位置分别向下和向上的融化过程中,一维与二维试验水流通量变化对比表明,冻融过程中水流通量受到中间层冻土和地下水顶托的影响。冻土通量模型能够有效地描述冻土中不同温度条件下水流通量特性,从微观的角度很好地解释了土壤冻结过程中冰水共存状态下土壤中水流通量变化规律。
- 冻土 /
- 运移试验 /
- 通量模拟 /
- 毛管束模型
Abstract: One dimensional and two dimensional field experiments were conducted to investigate soil water flux in frozen soil, based on tracer concentration changes and water balance analysis. A capillary bundle model was developed to incorporate the Hangen-Poiseuille law into the flow analysis in frozen soil. The model demonstrated how the soil water flux changes as function of liquid soil water content and hydraulic conductivity. Results showed that the effect of water potential and temperature gradient caused liquid water to accumulate near the freezing front to form the maximum water flux. Water flux was influenced by the intermediate frozen soil layer blockage and groundwater movement during the thawing of soil from two directions: the surface downward and the bottom upward. The capillary bundle model well described water flow in the frozen soil under various temperature conditions and was a useful tool to characterize water movement in the water-ice and soil system.
- frozen soil /
- transport experiment /
- flux simulation /
- capillary bundle model

[1]	刘扬李, 周祖昊, 刘佳嘉, 王鹏翔, 李玉庆, 朱熠明, 姜欣彤, 王康, 王富强. 基于水热耦合的青藏高原分布式水文模型——Ⅱ.考虑冰川和冻土的尼洋河流域水循环过程模拟 . 水科学进展, 2021, 32(2): 201-210. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.02.005
[2]	赵兰浩, 管策, 张海容, 李同春. 坝前冒泡现象的水气两相运移机理数值模拟 . 水科学进展, 2020, 31(1): 91-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.010
[3]	周鸿翔, 郑延丰, 吴劳生, 陈铖, 曾令藻. 孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟 . 水科学进展, 2020, 31(3): 422-432. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.012
[4]	吴谋松, 黄介生, 谭霄, 伍靖伟. 不同地下水补给条件下非饱和砂壤土冻结试验及模拟 . 水科学进展, 2014, 25(1): 60-68.
[5]	夏源, 吴吉春, 张勇. 改进时间分数阶模型模拟非Fick溶质运移 . 水科学进展, 2013, 24(3): 349-357.
[6]	陆胤昊, 叶柏生, 李翀. 冻土退化对海拉尔河流域水文过程的影响 . 水科学进展, 2013, 24(3): 319-325.
[7]	李娜, 任理. 连续时间随机游动理论模拟多孔介质中溶质运移的研究进展 . 水科学进展, 2012, 23(6): 881-886. doi: CNKI: 32.1309.P.20121101.1755.002
[8]	章少辉, 许迪, 李益农, 白美健. 一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型——Ⅱ.模型验证 . 水科学进展, 2011, 22(2): 196-202.
[9]	章少辉, 许迪, 李益农, 白美健. 一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型——Ⅰ.模型建立 . 水科学进展, 2011, 22(2): 189-195.
[10]	钱进, 王超, 王沛芳, 侯俊, 艾小榆. 河岸带表土层氮素非饱和入渗运移规律模拟 . 水科学进展, 2011, 22(4): 568-573.
[11]	杨永刚, 肖洪浪, 赵良菊, 邹松兵, 尹振良. 马粪沟流域不同景观带水文过程 . 水科学进展, 2011, 22(5): 624-630.
[12]	辛沛, 金光球, 李凌. 潮汐作用下盐沼孔隙水流动及溶质运移模拟 . 水科学进展, 2009, 20(3): 379-384.
[13]	张丛志, 张佳宝, 徐绍辉, 张辉. 反应性溶质在不同质地饱和土柱中运移的数值模拟 . 水科学进展, 2008, 19(4): 552-558.
[14]	陆乐, 吴吉春, 王晶晶. 多尺度非均质多孔介质中溶质运移的蒙特卡罗模拟 . 水科学进展, 2008, 19(3): 333-338.
[15]	王慧芳, 邵明安. 土石混合介质中非反应性阴离子运移试验研究 . 水科学进展, 2007, 18(2): 164-169.
[16]	周余华, 叶伯生, 胡和平. 土壤冻融条件下的陆面过程研究综述 . 水科学进展, 2005, 16(6): 887-891.
[17]	张德生, 沈冰, 沈晋, 王全九. 非均匀土壤中溶质运移的两区模型及其解析解 . 水科学进展, 2003, 14(1): 72-78.
[18]	郑德凤, 赵勇胜, 王本德. 轻非水相液体在地下环境中的运移特征与模拟预测研究 . 水科学进展, 2002, 13(3): 321-325.
[19]	任理, 李春友, 李韵珠. 粘性土壤溶质运移新模型的应用 . 水科学进展, 1997, 8(4): 321-328.
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土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟

1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室, 湖北武汉 430072;

2. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100038

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51179203);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2010CB951102)

作者简介:
吴谋松(1989-),男,河南信阳人,博士研究生,主要从事土壤水动力学研究。E-mail:mswu027@sina.com

通讯作者: 王康,E-mail:wwangkang@163.com

收稿日期: 2012-09-18
刊出日期: 2013-07-25

中图分类号: S152.73

关键词:

冻土 /

运移试验 /

通量模拟 /

毛管束模型

摘要: 为研究季节性冻土在冻融过程中水热盐的运移规律,在野外开展了一维及二维冻土水热盐运移试验,并通过Br离子示踪法及建立冻土水盐通量计算模型对土壤冻融过程中水盐的通量变化特性进行了计算分析。基于Hangen-Poiseuille孔隙通量方程,耦合孔隙冰柱体对水力传导度的影响机理,提出了冻土水流通量模型。结果表明,冻结过程中,液态水在水势和温度梯度作用下在冻结锋处聚集,形成通量峰值,冻融过程中自地表和最大冻深位置分别向下和向上的融化过程中,一维与二维试验水流通量变化对比表明,冻融过程中水流通量受到中间层冻土和地下水顶托的影响。冻土通量模型能够有效地描述冻土中不同温度条件下水流通量特性,从微观的角度很好地解释了土壤冻结过程中冰水共存状态下土壤中水流通量变化规律。

English Abstract

Water movement in soil freezing and thawing cycles and flux simulation

1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China;

2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

Funds: The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51179203) and the National Basic Research Program of China (No.2010CB951102).

Received Date: 2012-09-18
Publish Date: 2013-07-25

Keywords:

Abstract: One dimensional and two dimensional field experiments were conducted to investigate soil water flux in frozen soil, based on tracer concentration changes and water balance analysis. A capillary bundle model was developed to incorporate the Hangen-Poiseuille law into the flow analysis in frozen soil. The model demonstrated how the soil water flux changes as function of liquid soil water content and hydraulic conductivity. Results showed that the effect of water potential and temperature gradient caused liquid water to accumulate near the freezing front to form the maximum water flux. Water flux was influenced by the intermediate frozen soil layer blockage and groundwater movement during the thawing of soil from two directions: the surface downward and the bottom upward. The capillary bundle model well described water flow in the frozen soil under various temperature conditions and was a useful tool to characterize water movement in the water-ice and soil system.

吴谋松, 王康, 谭霄, 黄介生. 土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟[J]. 水科学进展, 2013, 24(4): 543-550.

引用本文:

吴谋松, 王康, 谭霄, 黄介生. 土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟[J]. 水科学进展, 2013, 24(4): 543-550.

WU Mousong, WANG Kang, TAN Xiao, HUANG Jiesheng. Water movement in soil freezing and thawing cycles and flux simulation[J]. Advances in Water Science, 2013, 24(4): 543-550.

Citation:

WU Mousong, WANG Kang, TAN Xiao, HUANG Jiesheng. Water movement in soil freezing and thawing cycles and flux simulation[J]. Advances in Water Science, 2013, 24(4): 543-550.

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土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟

作者简介: 吴谋松(1989-),男,河南信阳人,博士研究生,主要从事土壤水动力学研究。E-mail:mswu027@sina.com

通讯作者: 王康,E-mail:wwangkang@163.com

Water movement in soil freezing and thawing cycles and flux simulation

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土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟

1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室, 湖北武汉 430072; 2. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100038

作者简介: 吴谋松(1989-),男,河南信阳人,博士研究生,主要从事土壤水动力学研究。E-mail:mswu027@sina.com

通讯作者: 王康,E-mail:wwangkang@163.com

English Abstract

Water movement in soil freezing and thawing cycles and flux simulation

1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

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作者简介:
吴谋松(1989-),男,河南信阳人,博士研究生,主要从事土壤水动力学研究。E-mail:mswu027@sina.com

通讯作者:
王康,E-mail:wwangkang@163.com

1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室, 湖北武汉 430072;

2. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100038

作者简介:
吴谋松(1989-),男,河南信阳人,博士研究生,主要从事土壤水动力学研究。E-mail:mswu027@sina.com

1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China;

2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China