[发明专利]一种现场模拟冻结土壤环境的仿真系统和方法

说明书

本发明涉及一种现场模拟冻结土壤环境的仿真系统和方法，包括：盛放土柱的筒形容器，所述圆筒形容器的底部设有称重传感器，土柱上部为未扰动的原状土壤，土柱下部为填充制备土壤的边界控制层，土柱中以及采集箱外的环境土壤中以不同的深度均匀分布多个水势传感器、水分传感器，制备土壤中均匀分布渗滤管和调温管。本发明通过对冻土冻融过程中土壤温度、土壤含水量的物理控制，通过控制监测土柱的水热平衡，实现与环境土壤相同的土柱边界水热状态，专门制备的边界控制层为土柱的土壤蒸发渗透过程提供与环境土壤一致的水热传输条件，实现监测土柱中的非饱和导水率的控制，致使现场冻结土壤环境的模拟仿真得以实现。

技术领域

本发明涉及一种现场模拟冻结土壤环境的仿真系统和方法，是一种水文测量的系统和方法，是一种寒区冻土下垫面地表蒸散发的测试实验系统和方法。

背景技术

冻结土壤有别于农田土壤的特殊性在于它的复杂多相和多成分体系，它是由固、液和气三相物质组成的复杂非均匀体系，其基本成分是矿物骨架或有机骨架、冰、未冻水和气体。土壤在冻结过程中，会发生从水到冰的相变过程，冰的存在极大的改变了土壤的水力学参数和热力学参数。主要原因在于冰的导热系数是水的4倍左右，在冻结过程中逐步增加冻结土壤层的热量传导；同时，冰的形成过程中会降低土体的液态水含量并增大体积，从而减少土壤的孔隙度，导致毛细效应和下渗率降低，总体上逐步降低了冻结土壤的导水率；这是冻结土壤与融土导水率产生不同的主要原因。

基于已存在土壤结构，土壤的温度梯度、含水量梯度、水势梯度、溶质浓度梯度差异均可引起水分在土内的迁移。冻结土壤中，由于水的固态相介入，土壤的温度、含水量、孔隙度较之冻结前发生了巨大的变化，从而改变了土壤的结构和多项参数梯度，从而直接改变了土壤导水率。

一方面：土壤蒸发的水分源自经由土壤孔隙中的水分，其不仅受潜在蒸发力的限制，主要受控于土壤水分的多寡及土壤物化学性质。蒸发过程中，土壤水分需要要克服水分子之间的内聚力，同时要克服土壤颗粒对水分子的吸附力。本质上土壤蒸发是土壤失去水分的干化过程。

另一方面：寒冷地区土壤中的水分在冷季常常以固态形式存在，并且冻结时间较长、并且对温度高度敏感。寒区水文观测中不仅要遵守常规水文观测规范和气象观测规范，而且还要有一套独特的水文过程观测方法。冻土地表蒸发过程如下：气温低于零度时，土壤中的水分开始从地表向下开始逐渐冻结。在这一水分冻结相变过程中，未冻含水量和含冰量处于一个动态平衡，使得可以迁移的水分发生急剧变化；同时冰体膨胀的过程破坏了土壤的结构还堵塞了过水通道；从而影响了冻结土壤下垫面的地表蒸散发观测。

当前蒸散发量估算和观测方法很多，但针对寒区冻结土壤下垫面的蒸散发仍然是目前科学研究和监测的难题。寒区由于低温环境、地形复杂、下垫面植被单一且分布不均，大孔径闪烁仪、涡动相关、梯度气象和波文比法等观测设备的监测容易受到地形、低温及层流的影响。

称重法利用水量平衡原理通过蒸渗仪（Lysimeter）重量变化和下渗水量来计算观测。目前的第三代蒸渗技术实现了底部潜水水位边界层控制功能，消除了土柱主体在常规状态下的内外土壤水分含量的差异。但是，在寒冷地区影响蒸散发量大小的因素还受限于土壤温度变化带来的影响，主要原因是冻土地表蒸散发过程的供水条件在土壤冻结融化过程中发生着变化。在没有温度环境仿真以及水分相变的情况下，已有的蒸渗技术在冻土区应用时会引起监测土体内部的水热条件与当地实际情况存在差异，从而导致观测数据产生极大的偏差。

随着冻土物理研究的发展和深入，土壤水分冻融特征曲线的变化过程的监测分析方法和技术日益成熟，通过不同类型土壤的实验室内土壤冻结融化过程分析研究，如何通过监测土体的水热环境控制，实现观测土体内的水热物理参数仿真成为实现冻土地区地表蒸散发原位测量的重要课题。

发明内容