不同初始含水率砂土水-汽-熱耦合遷移數值模擬

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，晝夜溫差較大，溫度波動引起的液態水流動和水汽輸送會對土壤水分的時空分布產生顯著影響[1,2]。通常情況下，干旱區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等研究發現在裸土頂層2 cm處，40%到60%的熱通量傳遞是由水蒸氣遷移產生的[6]。土壤的水熱狀態會對發生在土壤內物理，生物和化學過程產生重要影響[7]。因此，有必要對干旱區土壤水-汽-熱耦合遷移規律展開研究。

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，液態水和水汽傳輸的實驗研究和數值模擬。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]進行了自然環境下熱量、水分和氣體傳遞的數值模擬，分析了環境溫度、相對濕度、太陽輻射和風速等參數對水熱遷移的影響。王華軍等[15]對砂土和壤土進行了考慮水蒸氣遷移的數值模擬研究，發現兩種土質在低飽和度時，水蒸汽遷移效應明顯。……