非饱和带冻结期土壤温度变化试验研究

吕薛锋,杨军耀

(1.陕西省水土保持勘测规划研究所,西安710004;2.太原理工大学水利科学与工程学院,太原030024)

冻土具体是指0℃以下,并含有冰的各种岩石和土壤,可分为季节性冻土和常年性冻土。国内李述训和程国栋[1]对室内土壤冻结、融化过程进行了数值模拟。尚松浩[2]根据冻土水热基本方程导出了水热耦合方程,对不同条件下整个越冬期长时间的土壤冻融过程中的水热迁移进行了模拟。雷志栋[3]等模拟了冻结条件下土壤的水热耦合迁移规律,但未考虑气态水迁移及热的对流迁移。郑秀清采用气态水迁移和热对流迁移的水热耦合数值模型,模拟了天然条件下土壤的季节性冻土过程以及其中的水热迁移规律[4]。笔者模拟季节性冻土,实验历时18个月。模拟实验以亚黏土和砂土为研究对象,研究非饱和带冻结期土壤温度变化特征及其影响因素。

1 实验方法

1.1 模拟试验装置介绍

模拟实验装置主要由非饱和带土壤单向冻结模拟装置、空气制冷系统、定水头供水系统和土壤温度场自动监测系统组成。研究以海尔 BC/BD-388A冰柜(制冷功率为160 W)为基础,改造为数控制冷装置,模拟冬季土壤的冻结过程。为使水分能够均匀向上迁移,箱底铺2 cm厚的石英砂。模拟地下水位埋深为87 cm。冻结土壤温度采用智能温度传感器监测,数据由计算机自动采集,采集频率为1次/min。模拟实验装置见图1。

图1 非饱和带冻结期土壤温度变化室内模拟试验装置

1.2 模拟实验对象

模拟实验对象为当地采集土样,选取亚黏土和砂土两类土壤为研究对象。……