冻融条件下土壤水分运动规律的主要研究内容
本论著是国家自然科学基金项目“水分在非饱和冻融土壤中入渗和保持的研究”、山西省水利厅农村科研费资助项目“冻融条件下地面灌溉效果及灌水技术参数研究”以及太原理工大学青年基金项目“季节性冻融过程中土壤水热耦合迁移的数值模拟及其应用研究”的综合研究成果。项目选择山西省汾河灌区为试验基地，以大量的田间土壤水分入渗和灌水试验为依据，结合冻融土壤水热盐耦合迁移的数值模拟方法，对冻融条件下土壤水分运动规律及其应用进行了系统性研究。主要内容如下。
（1）田间试验。田间试验包括入渗试验、冬灌灌水试验及土壤水热盐迁移试验。入渗试验土壤包括3种土壤质地，8种土壤结构。冬灌灌水试验对1种土壤质地、3种土壤结构进行。所有试验都在山西省汾河灌区进行，试验地点分别是山西省中心灌溉试验站、山西省汾河灌区汾东灌区和山西省汾河灌区三坝灌区。土壤水热盐迁移试验在汾河灌区三坝灌区进行，主要监测自然条件下土壤水分、温度、盐分剖面的动态变化。
（2）土壤冻结、融化规律研究。以室内外实验结果为依据，探讨3种土壤质地、5种含水率及含盐量条件下土壤冻结温度（冰点）的变化规律，分析冻融过程中土壤的温度场特征及其影响因素。
（3）冻融土壤水分入渗规律研究。以不同地表处理条件下的系列入渗试验为依据，对冻融土壤水分入渗的基本特性、阻渗机理、主要影响因素等进行全面分析。
（4）用冻融土壤常规土壤物理参数确定入渗模型参数的方法和模型研究。在对影响冻融土壤入渗特性因素充分分析研究的基础上，找出影响冻融土壤入渗特性的主导因素，建立用冻融土壤常规土壤参数确定入渗模型参数的经验模型。
（5）冻融土壤系统水分迁移规律的研究。在分析季节性冻融期雪层及土壤在冻融过程中水分、温度变化特点及其相互关系的基础上，分别建立了雪层及冻融土壤介质中水、热、盐运动基本微分方程，根据基本方程推导出雪层中的水、热迁移方程、冻土中的水热盐耦合迁移方程及反映负温下土壤未冻水含水率变化的联系方程。结合地、气间水、热交换数学模型，构成全面描述自然条件下考虑地气间水热交换的一维雪、冻融土壤系统水、热、盐耦合迁移数学模型。比较目前常用的数值计算方法，选择适合于模型求解的隐式有限差分方法，采用Newton-Raphson迭代技术建立了相应的数值模拟模型，并采用室内、外试验结果对该模型及其计算方法的正确性和可靠性进行检验和校正。以山西省汾河灌区为背景，用上述模型研究土壤的季节性冻融过程及冻结规律、冻融过程中土壤含水率的变化规律、不同潜水位条件下土壤水分迁移规律、潜水蒸发规律以及不同初始含水率条件下土壤的储水保墒规律、冻融期土壤初始含水率、冬灌对土壤墒情的影响。
（6）冬灌地面灌溉过程和技术参数研究。采用冬灌灌水试验和地面灌溉水流数值模拟相结合的方法，揭示冬灌地面畦灌的灌水过程和灌溉效果特点，建立冬灌灌水技术参数优化模型，并对提高冬灌灌水效果的灌水技术进行研究。
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