非饱和土壤冻融过程中水、热耦合运移数值模拟研究

根据冻结条件下非饱和土壤水分运动和热量迁移的基本方程,推求冻土水热耦合迁移的数学模型。采用Grank-Nicolson格式的有限差分法,计算结果表明土壤水分、温度的计算值与实验值吻合较好。     

冻土水热运动的数值模拟

本文在建立冻土水热耦合迁移的数学模型基础上,采用全隐式有限差分格式并用线性化迭代方法求解。边界条件处理采用半控制容积法,时间步长根据迭代情况自动调节,求解过程中为防止振荡过大采用松驰迭代等措施。通过计算与实验结果对比,取得较好效果,表明采用的数学模型及数值计算方法可靠。用此模型模拟了非实验状态下（历时３０ｄ及表面温度降至－２０°Ｃ）的土壤冻结过程。模拟显示温度分布随冻结历时的加长而变缓,最后趋于线性分布,随上、下表面温差的加大而变陡;水分分布基本形状并不随时间及上、下表面温差而变,只是冻深及上迁水量随历时加长、温差加大而增大。     

冻土水热运动的数值模拟

本文在建立冻土水热耦合迁移的数学模型基础上，采用全隐式有限差分格式并用线性化迭代方法求解。边界条件处理采用半控制容积法、时间步长根据迭代情况自动调节，求解过程中为防止振荡过大采用松驰迭代等措施。通过计算与实验结果对比，取得较好效果，表明采用的数学模型及数值计算方法可靠。     

不同滴灌水温在灰漠土中水热耦合模拟与验证

【目的】滴灌条件下不同灌溉水水热状况对土壤水热状况的影响规律,根据土壤水、热运动基本方程,建立了地表滴灌水、热运移数学模型。【方法】采用正交试验设计,设计不同滴灌水温水平及其组合,共计40个试验处理。利用 HYDRUS-1D 软件建立的数学模型进行了数值求解,与实测数据结果进行验证。【结果】建立新疆灰漠土土壤含水量与压力水头的模拟方程(1)公式;(2)e^l_n0.328 9Q－0.063 81.560 5(h<0),确定土壤的水力学参数和热特性参数。【结论】利用该数学模型对地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件模拟预测。从模型的数值模拟值和实测结果对比验证显示,地表滴灌条件下低水温(10℃)和高水温(30℃)对土壤表层影响比较大,而且在早春增加一定的灌水温度,有利于作物苗期的生长。     

小拱坝体形优化计算方法

 拱坝应力分析采用有限元方法，建立以坝体混凝土方量最小为目标函数，满足安全的条件下有效降低坝体体积的拱坝优化数学模型。计算表明，优化收敛条件的判断以及体形优化计算等一系列工作都可以自动完成，无须人工干预，智能化程度较高，优化后的坝体应力更趋于均匀。     

埋地管道相应启动过程的数值模拟计算

研究了埋地管道周围温度场与水分场的变化关系对管道建设的影响,认为采用数值计算是预测埋地管道周围温度场的有效手段.以我国广泛分布的冻土为背景,对冻结条件下非饱和土壤水、热耦合运移问题进行了研究.探讨了冻结过程中土壤的冻结特性,建立了土壤水、热耦合运移的数学模型,并用有限差分法对土壤冻结过程进行了数值模拟计算.     

刨花板中水分扩散系数和表面交换系数的分离方法

水分扩散系统和表面交换系统是描述刨花板中水分迁移的重要参数,要更精确地模拟刨花板的水分迁移过程。精确分离Ｄ和Ｓ是关键。文中采用非线性单纯形法在单一吸附曲线的条件下。求出最佳的Ｄ和Ｓ组对。通过用平方和的负均值法对此法与 现行通用的两种方法的计算结果进行比较,结果此法大大提高了计算精度。     

建筑室内环境数值方法的研究：三维紊流室内气流动态数值研究

本文尝试用数值计算法取代传统方法研究室内气流组织，采用κ－ε双方程紊流数学模型，用控制容积法离散原始方程，实现了在任意外界条件作用下对室内气流组织的三维紊流数值模拟。作出了速度矢量分布图和温度等值线图。并且，从物理意义和数值方法两方面仔细考虑了边界条件的处理，提出了较好的解决方案。将数值计算结果与可视化实验和理论公式计算数据作比较，发现三者的数据分布规律基本一致，证明了计算结果的正确性和可行性，从     

地下滴灌田间管网水力计算数值模拟

针对目前我国地下滴灌田间管网水力计算和水力特性研究较少,不能满足实际工程计算要求的问题,在前期试验和地下滴灌毛管水力计算数学模型的基础上,采用数值模拟方法,建立了地下滴灌田间管网水力计算数学模型。利用该模型可求解均匀坡、均匀土质、支管与毛管管径不变及均匀出流条件下的地下滴灌田间管网水力特征值。实例计算结果表明,该模型计算偏差小于1/1 000,精度满足实际工程计算要求。     

冻土区热油管道周围土壤水热耦合数值模拟

基于穿越冻土区埋地管道存在冻害破坏的安全问题,建立了多年冻土区埋地热油管道土壤冻融过程中温度场变化的数学模型。以中俄原油管道沼泽发育冻土区敷设管段为例,地表环境温度采用周期性边界条件,考虑土壤冻结过程中相变潜热对温度场的影响,采用多孔介质模型,利用有限容积法,对有、无保温层条件下埋地管道周围土壤温度场进行数值模拟。结果表明:在有保温层的条件下,管壁热流密度明显降低,且波动幅度减小;采用保温材料有利于降低冻土融化速率,防止冻土退化。     

季节性冻土区不同冻结状态对土壤水热变化特征研究

以南疆季节性冻土地区为研究背景,设置冻融期自然裸地土壤和温棚土壤两种处理,对比分析两处理下土壤水热的监测数据,结果发现：温棚具有保温作用能减少热量散失,季节性影响不明显,土壤水热空间分布变化小,表层土受蒸发作用以及土壤入渗影响水热较低。自然裸地中土壤水热迁移规律受冻融条件(土壤冻结状态、气温等)影响较大,土壤水热存在影响与制约关系。冻结前浅层水热较小随土深递增且变幅明显,深层土对太阳辐射影响明显滞后,水热波动小易保持温度且相对较高。冻结期水热均值为最低值,土壤水分高值区整体向下移动15cm左右,冻土层水分蒸发小可积蓄水量,土壤冻结锋面随地表负温的降低向下迁移,同时水分带动下层土壤盐分向冻结层迁移。消融期土壤温度随土深减小,土壤表层水分下渗同时受蒸发作用大量散失仅为8.2%,水分高值区集中于30～70 cm且为冻融期最大。土壤含水率的增加抑制了土壤温度的提升,土壤冻结速率慢时间长,融化速率快融化时间短。该文可为季节性冻土地区土壤冻融规律及春季保墒提供的理论依据。     

干旱区农田土壤呼吸与土壤温湿度的关系

[目的]研究土壤温湿度对土壤呼吸的影响。[方法]利用LI-cor8100土壤呼吸观测系统,连续观测2012年6月18~30日张掖绿洲农田的土壤呼吸速率和土壤温湿度;分析了土壤呼吸速率的日变化规律及土壤呼吸与土壤温湿度之间的关系;评价了现有的土壤呼吸模型。[结果]张掖绿洲农田的土壤呼吸具有明显的日变化规律,该区域土壤呼吸速率与4 cm深度土壤温湿度的相关性最好;土壤呼吸速率与土壤温度之间的相关性要远远好于土壤呼吸速率与土壤水分之间的相关性。[结论]在土壤呼吸模型中,同时考虑土壤温度和土壤水分的土壤呼吸模型的模拟结果要好于只考虑土壤温度或土壤水分的土壤呼吸模型。     

蒸发条件下蓄水坑灌法单坑土壤水分运动数值模拟及分析

通过室内试验与计算机数值模拟相结合的方法建立蒸发条件下土壤水分运动数学模型,采用交替方向隐式差分法进行求解,利用试验资料总结土壤蒸发率与表土（0～5 cm）含水率经验关系为对数曲线关系,并利用拟合关系式作为数学模型的边界条件。经验证,计算机数值模拟结果与实测结果吻合较好,表明利用该方法模拟蒸发条件下蓄水单坑土壤水分运动的问题是可行的。     

组合预测方法及其在土壤水分预测中的应用

本文简要介绍了当前较为流行的一种新的预测方法—组合预测方法及最优权数的计算。并利用此方法对预测土壤水分含量的两个单一预测模型进行综合处理,得到了土壤水分含量的组合预测模型,从统计分析和回归检验中可以看出,组合预测模型较原两个单一预测模型的预测精度有较大的提高。     

坐水播种时耕层土壤水分再分布的数值分析

利用朝阳县的旱地土壤取得基本参数后,应用数学模型计算了坐水播种时耕层土壤水分再分布时的土壤湿润状况参数,通过数值分析揭示了坐水播种湿润锋运动和土壤含水率的变化规律。结果显示:湿润锋运动速度和土壤含水率的变化速度都是由快逐渐减慢,所形成的湿润区近似一个球冠体;土壤含水率中的最大值出现在沟底附近;并提出可以用历时7 d的土壤湿润状况参数作为衡量坐水播种灌水质量的指标。     

甘肃旱地黄土含水量与土壤电阻关系研究

基于土壤湿度电阻法测量基本原理,设计了一种通过直接测量土壤电阻获得土壤含水量的测量装置,对甘肃旱地黄土土壤含水量与土壤电阻关系进行试验研究,揭示了黄土土壤含水量与土壤电阻关系的基本变化规律,通过对实测值进行拟合得到黄土土壤含水量与土壤电阻关系的数学模型。结果表明:在土壤质量含水量w≥8.5%时,土壤电阻值与土壤含水量的关系稳定且重复精度高;当w<8.5%时,随着土壤含水量的减小,土壤电阻值急剧增加。     

日光温室土壤温度变化特征和预报模型研究

[目的]研究日光温室内土壤温度变化规律及其预报模型。[方法]利用徐州地区标准日光温室内外气温和温室内多层次土壤温度观测资料,分析了温室内各层土壤温度的年变化和日变化,并对温室内土壤温度的预报模型进行了模拟和检验。[结果]温室内土壤温度年变化和日变化均呈单峰曲线,下层温度变化振幅小于上层。温室内各层土壤温度（最高值、最低值和平均值）与当日温室外同类型气温的相关性最为密切。以当日和前一日温室外日平均气温、日最高气温、日最低气温为预报因子,建立了温室内同类型不同层次土壤温度预报模型。温室内各层日平均温度的模拟效果优于对应层的最高温度的模拟效果,劣于对应层日最低温度的模拟效果;下层土壤日最高温度和日平均温度的模拟效果优于上层;实测土壤温度在15～30℃模拟效果较好,其他温度段模拟值较实测值偏低。[结论]该研究为日光温室内植物的生长发育环境提供理论依据。     

基于AMSR-E数据的土壤湿度监测研究

[目的]通过建立AMSR-E土壤湿度监测模型,实现土壤湿度的实时监测。[方法]利用1961～2006年广西蒸发量、逐日降雨量、日平均最高气温、日最小相对湿度、≤5mm降雨日数等气象观测数据,以及AMSR-E土壤湿度数据,通过逐步回归的统计方法,基于GIS技术进行土壤湿度实时监测研究,并对其监测结果进行验证。[结果]2005年9月23日广西土壤湿度值较低的区域主要分布在桂东北地区和桂中地区,包括桂林市、柳州市、来宾市等市大部分地区,以及贺州市、贵港市、南宁市、河池市、百色市等市的局部地区。[结论]基于地面气象观测数据的AMSR-E土壤湿度统计模型适用于土壤湿度的实时监测。