在西北干旱、半干旱地区,包气带中的水分除来自大气降水外,还部分来自水汽的凝结。此类地区年降雨量少、蒸发强,凝结水对该类地区的植被生态具有至关重要的作用。浅层包气带中,土壤水以液态水、汽态水不断相互转换的形式运移,并伴随着蒸发、凝结产生的质能变化。包气带中这种土壤水-汽-热的耦合运移是凝结水形成和消散的主要机制。本论文旨在理解浅层包气带水-汽-热耦合运移规律,以掌握土壤孔隙中水汽运移机制。研究此种耦合运移规律,需进行场地观测试验,对土壤湿度、温度、土壤负压以及微气象因素进行观测(如:空气温度,湿度,风速,日照,太阳辐射,降雨以及蒸发等)。本文研究数据来自一个室外沙坑试验和一个沙漠野外观测试验。室外沙坑试验观测到的浅层包气带地温与含水量变化表明了温度梯度对水汽运移起到主控作用,温度梯度向下,土壤含水量增加,反之,则含水量减少。为进一步分析该试验条件下的土壤水-汽-热运移及分布规律,采用HYDRUS-1D模型对试验过程进行了模拟,模拟结果与实测结果吻合较好。利用该模拟结果,本文将土壤水-汽-热耦合运移的时间信息和空间信息进行同步分析,描述了土壤水分昼夜运移模式,讨论了水汽通量与液态水通量的昼夜变化规律,为了验证该变化规律的普遍性,本文进一步开展了沙漠野外观测试验并开发了新的数值模型。常规的浅层包气带水-汽-热耦合运移模型,是基于传统的PdV理论发展起来的,只考虑了水汽在土壤中的扩散过程。事实上,水汽的运移机制还包括对流和弥散。若考虑水汽的对流和弥散,土壤气压必须作为一个可变的状态变量。本文在PdV理论的基础上,增加了土壤空气流动方程,建立了土壤水-汽-空气-热耦合运移模型,全面分析了水汽运移的扩散、对流和弥散机制。利用巴丹吉林沙漠的试验数据,将新建立的模型应用于计算该试验场地的蒸发通量,并对比新模型计算结果与PdV理论计算结果之间的差异。对比结果表明新模型的计算结果更接近实际观测的地表蒸发通量,特别是在土壤较为湿润的时候。在此基础上,为了了解新模型比PdV理论更接近实际观测的具体原因,根据三个状态变量(土壤基质势、土壤温度以及土壤空气压强),分析讨论了梯度驱动与水力渗透系数的综合作用。PdV理论低估了等温液态水通量是其误差的主要来源,本文从理论上和数值模拟方法上完善了包气带水-汽-热耦合运移机制的研究。
