不同初始含水率砂土水-汽-熱耦合遷移數(shù)值模擬

郭 毅，晉 華，桂金鵬

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

干旱半干旱地區(qū)，晝夜溫差較大，溫度波動引起的液態(tài)水流動和水汽輸送會對土壤水分的時空分布產(chǎn)生顯著影響[1,2]。通常情況下，干旱區(qū)近地表土壤表層的含水量很低，水汽通量成為總水分通量的重要組成部分[3-5]。而且，水汽遷移同時攜帶了大量能量，進而影響了土壤內的溫度分布。例如，Cahill等研究發(fā)現(xiàn)在裸土頂層2 cm處，40%到60%的熱通量傳遞是由水蒸氣遷移產(chǎn)生的[6]。土壤的水熱狀態(tài)會對發(fā)生在土壤內物理，生物和化學過程產(chǎn)生重要影響[7]。因此，有必要對干旱區(qū)土壤水-汽-熱耦合遷移規(guī)律展開研究。

Penman[8]首次提出了基于Fick定律的土壤中水蒸氣遷移理論。隨后，Philip和de Vries[9]建立了溫度梯度和含水率梯度雙重作用下的水-汽-熱耦合遷移數(shù)學模型，即PDV模型，并引入了水汽擴散增強因子解釋溫度梯度驅動的水蒸氣通量。Milly[10]改進了PDV模型，在模型使用基質吸力代替了體積含水率，考慮了土壤的非均質性。Nassar等[11]對PDV模型進行了擴展，提出了土壤水分、熱量和溶質耦合作用的傳輸方程。Bittelli等[12]進行了裸土條件下熱量，液態(tài)水和水汽傳輸?shù)膶嶒炑芯亢蛿?shù)值模擬。國內學者也在該領域做了大量的研究。例如，蔡樹英[13]通過室內土柱蒸發(fā)試驗，對PDV模型進行了驗證，并與等溫模型進行了對比。Liu Wei等[14]進行了自然環(huán)境下熱量、水分和氣體傳遞的數(shù)值模擬，分析了環(huán)境溫度、相對濕度、太陽輻射和風速等參數(shù)對水熱遷移的影響。王華軍等[15]對砂土和壤土進行了考慮水蒸氣遷移的數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)兩種土質在低飽和度時，水蒸汽遷移效應明顯?！?br>