Avance de la investigación sobre el movimiento del agua en suelos helados
Debido a la particularidad de los medios de suelo congelado y la importancia del movimiento de la humedad del suelo en ellos, el estudio del movimiento del agua en suelos congelados ha atraído la atención de muchos países del mundo. Las siete conferencias internacionales sobre permafrost que se han celebrado han cubierto este aspecto respectivamente. El Departamento de Investigación de Carreteras de EE. UU. y organizaciones similares en otros países han organizado reuniones especiales relevantes en muchas ocasiones. La UNESCO ha organizado especialmente un taller sobre cuestiones de agua y suelo en zonas frías. etc. Según estadísticas incompletas, además de China, más de diez países, como la antigua Unión Soviética, Estados Unidos, Canadá y Suecia, realizan actualmente este tipo de investigaciones. En los últimos 20 años, investigadores de diversas disciplinas relacionadas han realizado estudios multifacéticos sobre la migración del agua y el calor del suelo durante el proceso de congelación y descongelación desde diferentes ángulos y propósitos de investigación, y han logrado muchos resultados importantes.
1. Descripción general de la investigación del permafrost
La investigación del permafrost incluye la física del permafrost, la química del permafrost, la mecánica del permafrost, la ingeniería del permafrost, la ciencia ambiental del permafrost, etc. El problema de la migración de agua y calor durante la congelación y descongelación del suelo pertenece al ámbito de investigación de la física de suelos congelados. La física del suelo congelado es el contenido de investigación básico de la ciencia del suelo congelado. Su alcance de investigación incluye: las propiedades físicas básicas, la estructura y la estructura del suelo congelado, la migración del agua, la formación de hielo y las heladas durante la congelación y descongelación del suelo, la migración de la sal y la expansión de la sal. .
A finales del siglo XIX se iniciaron investigaciones más sistemáticas sobre el permafrost. En 1890, Rusia estableció el Comité de Investigación del Permafrost y comenzó a realizar investigaciones relativamente extensas sobre el permafrost. Después de entrar en el siglo XX, durante la era soviética, la investigación sobre el permafrost se desarrolló rápidamente (Tretovich, 1985; Friedman, 1982). El contenido de la investigación involucró la física del permafrost, la mecánica del permafrost, la mejora hidrotermal del suelo y la estabilidad, etc. En Estados Unidos, Canadá y otros países, desde el siglo XX, el desarrollo y utilización de los recursos naturales ha promovido directamente el desarrollo continuo de la permacultura.
La primera Conferencia Internacional sobre Permafrost (ICOP) celebrada en 1963 marcó una nueva etapa en la investigación del permafrost. Desde entonces, el ICOP se celebra cada cinco años desde 1973 para intercambiar resultados de investigaciones de varios países en el campo del permafrost. En la cuarta ICOP celebrada en 1983, China, Rusia, Estados Unidos y Canadá iniciaron el establecimiento de la Asociación Internacional de Permafrost (IPA).
La investigación sobre el permafrost en mi país comenzó tarde, pero se ha desarrollado rápidamente y ahora se encuentra entre las más avanzadas del mundo. Las principales unidades de investigación de mi país incluyen: el Instituto Lanzhou de Glaciación y Permafrost, la Academia China de Ciencias, institutos de diseño e investigación científica en conservación del agua, carreteras, ferrocarriles, construcción y otras industrias, y colegios y universidades relacionados.
China estableció la División de Permafrost de Glaciares de la Sociedad Geográfica China en 1982 y celebró la Conferencia Nacional de Permafrost de Glaciares para intercambiar resultados de investigación en campos relacionados en el país y en el extranjero, lo que desempeñó un papel importante en la promoción del desarrollo del permafrost. Gran efecto de promoción.
2. Investigación sobre el intercambio de agua y calor entre la interfaz tierra y aire.
Desde la perspectiva del proceso de equilibrio energético, diversos fenómenos físicos que ocurren en la atmósfera inferior ocurren básicamente en la capa subyacente. superficie (como suelo, vegetación, superficie del agua, etc.). Las diferentes superficies subyacentes tienen diferentes propiedades físicas. En la capa de aire cercana a la superficie y en la capa superior del suelo adyacente a la superficie subyacente se producen complejos procesos de intercambio de materiales y energía, que tienen un impacto importante en las características y reglas de formación del microclima.
La superficie subyacente se calienta debido a la absorción de la radiación directa del sol y la radiación dispersa del cielo (radiación de onda corta), y también se enfría por la radiación de onda larga. La diferencia entre la radiación de onda corta y la radiación efectiva de onda larga es la radiación neta obtenida por la superficie subyacente. Durante el día, la radiación solar de onda corta es generalmente mayor que la radiación efectiva de onda larga. La radiación neta obtenida por la superficie subyacente calentará el aire cerca del suelo y la capa superior del suelo a través del flujo de calor sensible ascendente y el flujo de calor del suelo descendente. respectivamente, por la noche, la superficie subyacente La radiación neta de la superficie es negativa y necesita depender de las capas de aire y suelo cercanas a la superficie para complementar el calor; Por lo tanto, las condiciones de temperatura de la atmósfera cercana a la superficie y de las capas superiores del suelo se ven fuertemente afectadas por la superficie subyacente.
La superficie subyacente es la principal fuente de vapor de agua en la atmósfera inferior. Cuando se produce evapotranspiración desde la superficie subyacente y se transporta vapor de agua a la atmósfera, también se consume una gran cantidad de calor latente de evaporación. El calor latente de evaporación también es un componente importante del equilibrio térmico de la superficie subyacente. Cuando se produce condensación en la superficie subyacente, se liberará el correspondiente calor latente. Este proceso de circulación de la humedad, que depende de la superficie subyacente, también juega un papel importante en la formación del microclima.
La distribución vertical de la temperatura y la humedad en la atmósfera cercana a la Tierra está relacionada con el equilibrio de calor y humedad. Por lo tanto, el transporte de calor hacia arriba y hacia abajo y el transporte de humedad de la superficie subyacente también determinan la distribución de la temperatura y la humedad en la atmósfera cercana a la Tierra. la atmósfera cercana a la Tierra. Factores básicos para las características climáticas de la capa superior del suelo. El intercambio de agua y calor entre la interfaz tierra y aire sirve como condición límite superior para la transferencia de agua y calor en suelos congelados y descongelados, y es esencial para estudiar la ley de la transferencia de agua y calor del suelo utilizando métodos de física matemática.
Los métodos actuales utilizados para determinar el flujo de intercambio de calor del agua entre la tierra y el aire son principalmente métodos micrometeorológicos, incluido el método aerodinámico, el método de balance de energía, el método de balance de energía-aerodinámico y la ley de correlación de vorticidad, etc. Todos estos métodos tienen cierto valor de aplicación en la producción real, pero cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas. Entre ellos, el método integral que combina el equilibrio energético y la aerodinámica tiene en cuenta las características de la superficie subyacente y la atmósfera cercana a la superficie. Tiene buenos antecedentes y bases físicos y es un método básico para comprender el proceso de cambio dinámico del calor del agua superficial. El intercambio y sus factores que influyen, ha sido ampliamente utilizado en el estudio de los procesos de migración acoplados del agua y el calor del suelo.
Sin considerar la cantidad de intercambio de calor en la dirección horizontal del suelo, la ecuación del balance de energía (calor) de la superficie subyacente basada en la ley de conservación de la energía es:
La variación estacional de la humedad en el movimiento del suelo en suelos insaturados de congelación y descongelación.
En la fórmula, Rn es la radiación neta; G es el flujo de calor de la superficie del suelo; LE es el flujo de calor latente de evaporación del suelo; es el flujo de calor sensible.
El flujo de calor latente superficial LE y el flujo de calor sensible H están relacionados con las condiciones hidrotermales y el microclima cercano a la superficie, y generalmente se calculan utilizando el modelo de impedancia. Penman utilizó por primera vez este método para estudiar la evaporación potencial en 1948 y propuso la famosa fórmula de Penman. En el modelo de cálculo de la evapotranspiración potencial sólo se considera la impedancia aerodinámica ra de la capa límite atmosférica. Monteith propuso el concepto de resistencia a la evaporación superficial rs en 1963, que abrió una nueva forma de calcular la evaporación del agua del suelo no saturada.
La impedancia aerodinámica ra depende de la distribución de la velocidad del viento en el aire cercano a la superficie. Cuando el perfil de velocidad del viento se aproxima a una distribución logarítmica, se puede considerar aproximadamente que la impedancia de transferencia de calor y vapor de agua y la impedancia de transferencia de momento ra en esta capa son iguales, y sus valores se pueden calcular con base en la capa límite de turbulencia atmosférica. teoría.
Afectado por el efecto de flotabilidad provocado por la diferencia de temperatura entre el suelo y el aire, el perfil logarítmico de la velocidad del viento ya no se cumple. En este momento, la impedancia de transferencia de calor, vapor de agua y la impedancia de transferencia de momento ya no son iguales y es necesario corregir el modelo de cálculo. Camillo y Gurney (1986) utilizaron factores de corrección de estabilidad atmosférica para expresar este efecto. Estos dos factores de corrección están relacionados con la longitud. Monin-Obukhov (1991) utilizaron este método en un modelo de pronóstico acoplado del contenido de humedad del suelo y de la superficie. Se ha corregido la temperatura para predecir la estabilidad atmosférica.
Es difícil determinar la resistencia a la evaporación superficial rs. Actualmente no existe ninguna predicción teórica ni datos experimentales. Lin Jiading y Sun Shufen (1983) creían que para el mismo suelo, el cambio en la resistencia a la evaporación está relacionado principalmente con el contenido de humedad superficial del suelo θ, y es proporcional a una cierta función de potencia negativa de θ, y basándose en los datos medidos, se dio expresión a la experiencia de rs. Camillo y Gurney (1986) creían que rs puede considerarse como un parámetro de ajuste, y rs puede ajustarse comparando los datos medidos con los resultados de la simulación, de modo que los resultados calculados y experimentales sean consistentes. En consecuencia, también propusieron la correspondiente relación empírica entre rs y θ.
En el estudio de la migración de agua y calor del suelo, la ecuación del balance de energía superficial (o combinada con otras ecuaciones) generalmente se trata como una condición de límite superior. En determinadas condiciones meteorológicas, de tiempo y de lugar, cada componente de la ecuación del balance energético de la superficie es función del contenido de humedad, la temperatura y el gradiente de temperatura de la superficie. En general, se puede considerar que la humedad superficial del suelo permanece constante en un corto período de tiempo, por lo que la ecuación del balance energético es sólo función de la temperatura superficial y su gradiente, que puede tratarse de manera diferente. Una es considerar la ecuación como una ecuación implícita no lineal de la temperatura de la superficie y resolverla para obtener la temperatura de la superficie. La otra es calcular el flujo de calor de la superficie a través del calor latente y el calor sensible y usarlo como límite de segundo tipo; de la condición de la ecuación de calor.
3. Investigación experimental sobre el movimiento de la humedad del suelo durante la congelación y descongelación
1) Investigación experimental en interiores
La investigación sobre el movimiento de la humedad del suelo comenzó en Darcy, Francia. En 1856, basándose en la prueba de filtración de arena saturada, derivó la famosa ley de Darcy según la cual el flujo de filtración es proporcional al gradiente hidráulico.
En 1931, Richards aplicó esta ley al agua del suelo no saturado y creía que el flujo de agua del suelo insaturado ql se puede expresar como:
El movimiento del agua en un suelo estacional insaturado de congelación y descongelación
En la fórmula, Ψ y Ψm son el potencial hídrico total del suelo y el potencial mátrico del suelo respectivamente; K (Ψm) es la conductividad hidráulica insaturada del suelo.
En el proceso de investigación de suelos congelados, el flujo de agua generalmente adopta la expresión anterior, pero el potencial matricial del suelo congelado no es fácil de medir en la actualidad. Suponiendo que existe una correspondencia uno a uno entre el potencial mátrico del suelo y el contenido de agua no congelada del suelo congelado, el flujo de agua en el suelo congelado también se puede expresar mediante el gradiente del contenido de agua no congelada θu:
La variación estacional de la humedad en el suelo congelado. Movimiento en suelos insaturados de congelación y descongelación.
En la fórmula, D (θu) es la difusividad del agua del suelo.
En la década de 1980, el Laboratorio de Ingeniería e Investigación de Regiones Frías del Ejército de EE. UU. (CRREL) llevó a cabo una serie de experimentos en interiores para explorar el mecanismo de migración del agua en suelos congelados. Nakano et al. (1982, 1983, 1984a, 1984b, 1984c) y Nakano y Tice (1987) realizaron estudios experimentales en interiores sobre la migración del agua en condiciones isotérmicas y creyeron que el flujo de migración del agua depende del contenido total de humedad del suelo (incluida el agua no congelada). y hielo) gradiente.
Konrad y Morgenstern (1981) realizaron experimentos de migración de agua en suelo congelado bajo diferentes gradientes de temperatura, basándose en los resultados de las pruebas, concluyeron que el flujo de migración de agua es proporcional al gradiente de temperatura ΔT, es decir:
p>Movimiento de agua en suelos de congelación y descongelación estacionalmente insaturados
El parámetro SP se denomina potencial de segregación y está relacionado con las condiciones de prueba específicas, la velocidad de congelación del suelo y el contenido de humedad del suelo. tasa y otros factores. La complejidad de este parámetro limita enormemente su aplicación.
Desde la década de 1970, el Instituto Lanzhou de Glaciación y Permafrost de la Academia China de Ciencias ha llevado a cabo investigaciones sobre las características de congelación del suelo, la migración de agua en condiciones de congelación, la formación de hielo y las heladas, la migración y la expansión de la sal. Un gran número de estudios experimentales en interiores (Xu et al., 1985; Xu Xuezu y Deng Yousheng, 1991; Xu Xuezu et al., 1995; Chen y Wang, 1985, 1991). Según los resultados de su investigación, la migración de agua en suelos congelados está relacionada con el gradiente de potencial suelo-agua en el borde congelado, y este gradiente depende principalmente de factores como las propiedades del suelo, las condiciones límite, la velocidad de congelación y la velocidad de las heladas. .
De acuerdo con los resultados de la investigación experimental anterior, las fuerzas impulsoras de la migración de humedad del suelo insaturado de congelación y descongelación incluyen principalmente el gradiente de contenido de humedad del suelo (gradiente de potencial hídrico del suelo) y el gradiente de temperatura (Nakano, 1991). ser independientes unos de otros. También puede haber dependencia mutua.
Hasta ahora, los estudios sobre problemas de flujo de agua en suelos congelados han adoptado en su mayoría métodos similares al flujo de agua en suelos no saturados, es decir, introduciendo el concepto de potencial hídrico del suelo (Hillel, 1980; Lei Zhidong et al., 1988). Hazlo desde una perspectiva energética. De esta manera, las áreas congeladas y no congeladas del suelo se pueden analizar de manera unificada, y es conveniente utilizar métodos matemáticos y físicos para realizar investigaciones unificadas sobre la migración acoplada de agua y calor en suelos congelados.
2) Investigación experimental al aire libre
La investigación experimental al aire libre incluye principalmente pruebas de infiltración de campo, pruebas de calor del agua y migración de sal y están relacionadas con la utilización eficiente de los recursos hídricos agrícolas y la mejora de la salinización del suelo. pruebas sobre cuestiones relacionadas con la prevención y el control de heladas en edificios de ingeniería.
La investigación experimental sobre las características de infiltración del suelo congelado-descongelado comenzó en la década de 1960. Stoeckjer y Wetzlllan (1960) creían que las características de infiltración de los suelos congelados-descongelados están relacionadas con el tipo de congelación del suelo. El suelo congelado se divide en tres tipos: congelación similar al cemento, congelación porosa y congelación granular. El suelo congelado similar al cemento tiene en su mayoría una estructura de grano fino con un alto contenido de humedad. Está compuesto por muchas lentes de hielo delgadas y complejas y, a menudo, es denso y masivo, similar al suelo de cemento. El suelo granular congelado tiene partículas gruesas, bajo contenido de humedad y cristales de hielo que se acumulan alrededor de las partículas del suelo pero se separan entre sí. Las características del suelo congelado poroso se encuentran entre las dos anteriores. Sthecker y Weitzman (1960) utilizaron un infiltrómetro de anillo único para medir la tasa de infiltración de tres tipos de suelo congelado. La tasa de infiltración del suelo homogéneo, suelo congelado similar al cemento, era extremadamente pequeña, y la tasa de infiltración del suelo congelado granular era. más alto que el del suelo no congelado.
Boombny y Wang (1969) midieron la permeabilidad de muestras de suelo con diferentes contenidos de humedad inicial bajo condiciones de congelación rápida en interiores y encontraron que cuando la diferencia entre el contenido de humedad saturada y el contenido de humedad inicial del suelo es inferior a 0,13 m3/m3, el El suelo congelado es similar al cemento. Al congelarse, su permeabilidad es insignificante.
La mayoría de los estudiosos creen que el principal factor que afecta las características de infiltración del suelo congelado es el contenido de humedad durante la congelación. Kane y Stein (1983) utilizaron un infiltrómetro de doble anillo para realizar pruebas de infiltración bajo diferentes condiciones de contenido de humedad en suelos estacionalmente congelados en Alaska, EE.UU. Los resultados mostraron que la curva de infiltración en suelos estacionalmente congelados era similar a la del suelo no congelado. El suelo inicial Cuanto mayor sea el contenido de humedad, menor será la tasa de infiltración. Lee y Molnau (1982) analizaron los resultados de las pruebas de infiltración y encontraron que la tasa de infiltración estable del suelo tiene una fuerte correlación negativa con el contenido de humedad del suelo durante el período de congelación.
La textura del suelo también tiene un gran impacto en las características de infiltración. La textura del suelo agrícola sueco es principalmente arcillosa pesada y su tasa de infiltración varía entre 0,004 y 5,0 mm/min (Kapotov, 1972; Engelmark, 1987). La baja tasa de infiltración se debe principalmente a la baja permeabilidad causada por la textura pesada del suelo y el alto contenido de hielo. El alto contenido de hielo no solo se ve afectado por el alto contenido de humedad del suelo durante el período de congelación, sino también por la infiltración y recongelación del material derretido. agua de nieve durante el período de congelación y descongelación. La alta tasa de infiltración es el resultado de la formación de grietas verticales macroscópicas después de que la arcilla se congela (Thunholm y Lundin, 1989).
Zuzel y Pikul (1987) utilizaron un dispositivo de lluvia simulada para medir la tasa de infiltración de campos de rastrojo, campos de trigo de invierno y campos arados antes de la congelación a finales de otoño, durante el período de congelación invernal y durante el período de deshielo primaveral. . La tasa de infiltración de suelos homogéneos es la más alta en los campos arados y la tasa de infiltración en los campos de trigo de invierno es la más pequeña. Al comparar las tasas de infiltración del suelo antes de la congelación y después de la descongelación, los resultados no cambiaron mucho, lo que indica que el suelo bajo diferentes prácticas agrícolas no cambió sus características de infiltración debido al proceso de congelación. Pikel, Zuzel y Wilkins (1991, 1992) realizaron pruebas de infiltración en tierras cultivadas y no cultivadas bajo dos espesores diferentes de capas congeladas durante el período de congelación del suelo. Cuando la profundidad del suelo congelado es de 0,12 m (menos que la profundidad de cultivo), la tasa de infiltración del suelo de las tierras cultivadas es mayor que la de las tierras no cultivadas; cuando la profundidad del suelo congelado es superior a 0,35 m, la diferencia en la infiltración del suelo; La proporción de tierra cultivada y tierra no cultivada es muy pequeña.
En áreas donde se distribuye suelo congelado, la congelación del suelo y la reducción de la capacidad de infiltración del suelo son las principales razones de la escorrentía superficial y la erosión del suelo causada por el derretimiento de la nieve (Kalyuzhnyi, 1980; Zuzel y Pikul, 1987). La escorrentía superficial en la región de Alaska de los Estados Unidos representa del 25% al 47% del agua total del deshielo (Kane y Stein, 1987), mientras que en el norte de Oregón, la escorrentía superficial representa del 41% al 49% del agua total del deshielo ( Zuze, 1982). Para reducir la erosión del suelo y aumentar la infiltración del suelo, muchos estudiosos han estudiado los patrones de infiltración del suelo bajo diferentes medidas de gestión de la tierra, proporcionando una base para la optimización local de las medidas de conservación del suelo y el agua.
En los últimos años, los trabajadores científicos y tecnológicos de los departamentos e institutos de investigación científica pertinentes en las áreas de distribución de suelos estacionalmente congelados de mi país han combinado prácticas de producción local para abordar problemas como la humedad y la migración de sal en suelos congelados y la prevención. y control de heladas en estructuras hidráulicas, realizó una gran cantidad de experimentos de campo e investigaciones de aplicaciones, y logró una serie de resultados de investigación significativos. Zhu Qiang (1988) y Zhu (1993) estudiaron el problema de las heladas en áreas de suelos estacionalmente congelados; el Instituto Científico de Conservación del Agua de la Región Autónoma de Mongolia Interior (1987), Wang (1993) y Zhao Donghui (1997) estudiaron la migración de la humedad del suelo. y sal durante el proceso de congelación. Se realizaron investigaciones experimentales; Zhang Zhuanfang et al. (1992) estudiaron las características de acumulación de humedad del suelo en Beijing bajo dos cuotas de riego. Guo Suzhen (1996) estudió los efectos del tiempo de riego en otoño; transporte de agua y sal y entorno agrícola en el distrito de riego de Hetao en Mongolia Interior. Se realizó un estudio experimental sobre el impacto del impacto; 2000, 2001) y Xing Shuyan (2002) de la Universidad Tecnológica de Taiyuan, con financiación de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales, realizaron un estudio sobre la gestión del agua de riego en invierno y primavera. Desde la perspectiva de la investigación, las características de infiltración del suelo bajo congelación en el campo. y se estudiaron las condiciones de deshielo; Huang Xingfa et al. (1993) observaron los procesos cambiantes de la humedad, la temperatura y la salinidad del suelo en invierno y primavera en Yucheng, Shandong, y analizaron sus patrones cambiantes. ) estudiaron los patrones de migración del agua y el calor del suelo durante el período invernal en Beijing.
4. Investigación teórica sobre el movimiento del agua del suelo congelada-descongelada.
Las investigaciones sobre el flujo de agua y el flujo de calor en el suelo se llevaron a cabo de forma independiente en los primeros días, y cada una de ellas se estableció. su propio sistema teórico y llevó a cabo investigaciones en profundidad sobre métodos de solución en sus respectivos campos de investigación.
Para el problema del flujo de suelo no saturado, la ecuación básica del movimiento inestable del agua del suelo (ecuación de Richards) se puede obtener combinando la ley de Darcy con la ecuación de continuidad del flujo de agua.
Agua. contenido en temporada Movimiento en suelos insaturados de congelación y descongelación
En la fórmula, θ y t son el contenido de humedad del suelo y el tiempo, respectivamente, otros símbolos son los mismos que antes.
El estudio del flujo de calor del suelo se inició a finales de la década de 1940. La ley de conducción térmica de Fourier se aplicó al sistema suelo-agua. La ecuación básica del flujo de calor en el suelo se puede obtener a partir del principio de conservación de energía:
Movimiento del agua en suelos de congelación y descongelación estacionalmente insaturados
En la fórmula, T, C y λ son la temperatura del suelo, la capacidad calorífica volumétrica y la conductividad térmica, respectivamente.
En 1957, Philip y de Vries fueron pioneros en el estudio del acoplamiento agua-calor del suelo. Basándose en los principios de flujo viscoso y equilibrio térmico del agua líquida en medios porosos, propusieron un modelo de migración acoplada hidrotermal (Philip y de Vries, 1957; de Vries, 1958)
Agua en condiciones de congelación-descongelación estacionalmente insaturadas Movimiento del suelo
Movimiento de agua en suelos de congelación y descongelación estacionalmente insaturados
En la fórmula, q, ql, qv y qh son el flujo total de agua y el agua líquida en el suelo, respectivamente. Flujo, flujo de vapor de agua y flujo de calor; Dθ y DT son la difusividad de la migración de agua causada por el gradiente de humedad y temperatura, respectivamente; ρl y Cl son la densidad y la capacidad calorífica del agua líquida, respectivamente; ;L es el calor latente de cambio de fase a la temperatura de referencia T0.
El modelo anterior considera el efecto del gradiente de temperatura sobre el movimiento del agua, el cambio de fase del agua y el efecto del agua sobre la temperatura.
Basado en el modelo de Philip-de Vries, se han realizado investigaciones más extensas y profundas sobre cuestiones de acoplamiento del agua y el calor del suelo. Kay y Groenvelt (1974) utilizaron el contenido de humedad del suelo θ y la temperatura T como variables independientes en la ecuación del movimiento del agua, y utilizaron el gradiente del contenido de humedad como fuerza impulsora para el movimiento del agua del suelo. Este estudio no reflejó la naturaleza física del movimiento del agua del suelo. , y Aplicable sólo a sistemas de suelos homogéneos e isotrópicos. Sobre esta base, Milly (1982) adoptó la ecuación de acoplamiento de agua y calor del suelo con el potencial matricial del suelo y la temperatura como variables, haciéndola aplicable a suelos heterogéneos, y utilizó el método de elementos finitos para simular el agua y el calor del suelo en condiciones isotérmicas y no. Condiciones isotérmicas. Movimiento de la humedad del suelo. de Vries (1987) proporcionó una revisión exhaustiva de investigaciones previas en esta área. Chung y Horton (1987) estudiaron la migración de agua y calor del suelo en condiciones de cobertura parcial de cultivos. Cai Shuying y Zhang Yufang (1991) utilizaron este modelo para calcular el proceso de evaporación del agua del suelo en diferentes condiciones de temperatura. El estudio de la migración hidrotermal en el continuo suelo-planta-atmósfera (SPAC) es un estudio en profundidad del problema de la migración hidrotermal del suelo, y se han llevado a cabo una gran cantidad de trabajos de investigación (Camillo et al., 1983; Van de Griend y Van Boxel, 1989; Kang Shaozhong, 1994; Wu Qinglong et al., 1996;
La migración del agua y el calor del suelo en condiciones de congelación y descongelación es un proceso físico complejo que involucra múltiples factores. La investigación sobre este tema ha logrado avances importantes en los últimos 30 años. Desde la década de 1960, muchos investigadores y tecnológicos han estudiado este tema y han propuesto varios modelos matemáticos. Estos modelos se pueden dividir a grandes rasgos en dos categorías. El primer tipo es el llamado modelo de mecanismo basado en el modelo de Philip y de Vries (Harlan, 1973). En este modelo, se ignora la interacción entre el hielo y el agua en el suelo, y se cree que el contenido de humedad no congelada en el suelo congelado sólo está relacionado con la temperatura negativa del suelo y no tiene nada que ver con el contenido de humedad total, y es en un estado de equilibrio dinámico con la temperatura negativa. La relación entre el contenido de humedad del suelo no congelado y la temperatura negativa (también conocida como curva característica de congelación del suelo) debe determinarse basándose en experimentos. Actualmente, existen muchas aplicaciones de este tipo de modelo.
Harlan (1973), Taylor y Luthin (1978), O'neillomd y Miller (1985), etc. han simulado numéricamente la migración hidrotermal en condiciones de congelación del suelo. James y Norum (1980) la simularon con un modelo esencialmente similar al. Hanlan's estudió los cambios dinámicos de temperatura, contenido de humedad y contenido de hielo en el estado congelado de columnas de suelo horizontales y los comparó con los resultados de pruebas en interiores. Fukuda y Nakagawa (1985), Flerchinger y Saxton (1989) y Lundin (1990) utilizaron un modelo de mecanismo para simular la transferencia de agua y calor en el sistema de suelo congelado. En el caso del intercambio de calor sensible entre el suelo y el aire se consideró. modelo, pero no se consideró el intercambio de calor latente ni la evaporación superficial. Aunque el flujo de calor latente entre el suelo y la atmósfera es menor que el flujo de calor sensible en invierno, son de la misma magnitud. Ignorar el calor latente de evaporación inevitablemente tendrá un cierto impacto en los resultados del cálculo.
El segundo tipo de modelo aplica los principios termodinámicos de procesos irreversibles para describir el agua del suelo y el flujo de calor, lo que se denomina modelo termodinámico (Kay y Groenevelt, 1974; Groenevelt y Kay, 1974; Kung y Steenhuis, 1986). Este modelo es consistente con el modelo mecanicista en el área no congelada del suelo, y la diferencia está solo en el área congelada. El modelo considera la migración de agua, vapor y calor bajo la influencia del gradiente de temperatura y el gradiente de potencial del agua (incluidos los trifásicos sólido, líquido y gaseoso). El modelo supone que el hielo y el agua en el suelo congelado están en equilibrio, sus potenciales químicos son iguales y se supone que la presión del hielo es 0. Ignorando la influencia de la gravedad, usando la ecuación de Clapeyron, podemos obtener:
El movimiento estacional de congelación y descongelación del agua en el suelo
En la fórmula: pw es la presión del agua; Hf y vl son el calor latente de congelación y el volumen específico de agua, respectivamente; temperatura.
Según esta relación, el gradiente de potencial hídrico del suelo se puede representar mediante el gradiente de temperatura. Por lo tanto, la única cantidad desconocida en la zona de congelación es la temperatura T. Los flujos de agua, vapor y calor son funciones. de temperatura y gradiente de temperatura. Combinando estas relaciones de flujo con los principios de conservación de masa y energía, se puede obtener un modelo termodinámico de migración acoplada de agua y calor en suelos congelados. En comparación con el modelo de mecanismo, este modelo no necesita determinar la relación entre el contenido de humedad no congelada y la temperatura negativa. Sin embargo, la ecuación de Clapeyron se introdujo en el proceso de derivación del modelo. En general, se cree que este tipo de modelo sólo es aplicable a un rango de temperatura limitado cerca de la temperatura de congelación del suelo. La aplicabilidad de este modelo a temperaturas negativas más bajas aún no ha sido probada. sido verificado experimentalmente.
Kung y Steenhuis (1986) utilizaron un modelo termodinámico para simular el proceso de congelación del suelo cuando un extremo de la columna de suelo cayó repentinamente a una temperatura negativa, y los resultados fueron consistentes con las reglas experimentales. Los resultados del cálculo muestran que la cantidad de migración de vapor de agua es dos órdenes de magnitud menor que la cantidad de migración de agua líquida, y la transferencia de calor por convección también es dos órdenes de magnitud menor que la transferencia de calor conductiva. Por lo tanto, ignorando la migración del vapor de agua durante el proceso de congelación del suelo, la transferencia de calor por convección tiene un pequeño impacto en los resultados del cálculo.
Shen y Ladanyi (1987) agregaron un modelo de campo de estrés del suelo al modelo de acoplamiento de agua y calor del suelo congelado. El modelo consideró la migración de agua y calor y la deformación del suelo, y utilizó el método de diferencias finitas y el método de diferencias finitas, respectivamente. El método unitario simuló el proceso de congelación del suelo saturado, y su perfil de temperatura y la elevación del suelo por escarcha fueron consistentes con los resultados de la prueba.
La investigación nacional sobre la migración combinada de agua y calor en suelos helados comenzó relativamente tarde. Yang Shixiu (1988) utilizó un modelo de mecanismo para simular el proceso de congelación de columnas de suelo horizontales y verticales, y analizó cualitativamente el impacto del contenido de humedad inicial del suelo sobre las heladas del suelo. El Instituto Lanzhou de Glaciación y Permafrost de la Academia China de Ciencias (1989) estudió la humedad del suelo, la temperatura y los problemas de estrés en el campo durante el proceso de congelación. Ye Boxeng y Chen Xiaobai (1990) y Hu Heping (1990) introdujeron la ecuación de Clapeyron en el modelo de mecanismo de migración hidrotermal para estudiar el problema de la migración hidrotermal en suelos congelados. Este método de tratamiento no solo tiene el problema de aplicabilidad de la ecuación de Clapeyron anterior. , pero también existe un problema de compatibilidad entre esta ecuación y la curva característica de congelación del suelo. Li Shuxun y Cheng Guodong (1995) realizaron una simulación numérica del proceso de congelación y descongelación del suelo interior. Lei Zhidong et al. (1998, 1999) simularon la ley de migración acoplada del agua y el calor en el suelo en condiciones de congelación, pero no consideraron la migración de agua gaseosa ni la migración convectiva de calor. Zheng Xiuqing (2001) utilizó un modelo de simulación numérica de acoplamiento hidrotermal que incluía la migración de agua gaseosa y la migración por convección de calor para simular el proceso estacional de congelación y descongelación del suelo en condiciones naturales y las reglas de migración de agua y calor, y logró buenos resultados.
La salinidad del suelo tiene una gran influencia en las condiciones de congelación del suelo y en su migración de agua. Como señalaron Cary et al (1979), cuando la sal en la solución del suelo se acumula en el borde de congelación, la presión osmótica en. El frente de congelación dificultará en gran medida la migración de la humedad. Incluso si el contenido de salinidad del suelo es muy bajo, el potencial osmótico y el transporte de sal tienen una fuerte influencia en el transporte hidrotermal del suelo. Flercinger y Saxton (1989) del Servicio de Investigación de Ingeniería Agrícola del USDA establecieron un modelo de simulación numérica para la migración hidrotermal en el sistema nieve-rastrojo-suelo, teniendo en cuenta la influencia de la sal en la migración hidrotermal. Lian Guoping y Zeng Dechao (1988) establecieron por primera vez en China un modelo matemático del movimiento del agua, el calor y la sal en suelo congelado. Sobre esta base, Huang Xingfa et al. agua del suelo, calor y sal durante el período de congelación y logró buenos resultados.
Con base en los avances de la investigación nacional y extranjera sobre la infiltración y migración del agua congelada del suelo desde la década de 1960, se han realizado ciertas investigaciones sobre el problema del movimiento del agua congelada y descongelada del suelo en términos de teoría y cálculo. Métodos y experimentos en interiores y exteriores, tenemos una cierta comprensión de sus leyes de movimiento y hemos logrado avances gratificantes. Sin embargo, debido a la complejidad del tema en sí, las limitaciones de los instrumentos y equipos de prueba y el retraso en la investigación, la mayoría de los estudios. Simule el proceso de congelación y descongelación del suelo interior. Dado que las condiciones límite de este tipo de columna de suelo de prueba simulada son relativamente simples y muy diferentes del proceso de congelación en condiciones naturales, es difícil aplicarlo a la producción real. La cuestión de los patrones de movimiento del agua en sistemas de suelos congelados y descongelados en condiciones naturales requiere una investigación más profunda. En términos de infiltración y migración de agua en el suelo, existen los siguientes problemas que deben resolverse con urgencia:
(1) La investigación sobre las reglas generales de la infiltración de suelos congelados en el campo carece de exhaustividad y sistematicidad. Aunque la investigación sobre pruebas de infiltración de suelo congelado en el país y en el extranjero ha logrado ciertos avances, debido a diferentes propósitos de investigación y factores únicos a considerar, la mayor parte de la investigación está dirigida a la evaluación o predicción de recursos hídricos regionales en glaciares y áreas cubiertas de nieve.
(2) No hay suficiente investigación ni comprensión sobre los factores que influyen dominantemente en la infiltración de agua del suelo por congelación y descongelación. Como la comprensión de los investigadores sobre el impacto de la temperatura del suelo en la capacidad de infiltración del suelo congelado.
(3) La investigación sobre el modelo de infiltración de agua del suelo congelado no es lo suficientemente profunda. Aunque es muy difícil desarrollar un mejor modelo teórico que describa la infiltración de agua congelada en el suelo en el campo basándose en los métodos de investigación actuales, todavía es posible proponer un modelo empírico relacionado con la infiltración del suelo congelado. Sin embargo, hasta ahora, se han realizado pocos estudios sobre modelos de infiltración de agua en suelos congelados.
(4) Todavía faltan investigaciones sobre la migración de agua y calor durante el proceso de congelación y descongelación a largo plazo del suelo durante todo el período de invernada en condiciones naturales basadas en las condiciones reales de producción, especialmente en las características de retención de humedad del suelo congelado y descongelado y las diferentes condiciones superficiales Estudio de las características de retención de humedad del suelo durante el período de invernada en determinadas condiciones.
(5) La teoría de la migración de la humedad del suelo en condiciones de congelación y descongelación no es lo suficientemente perfecta, y la comprensión de su mecanismo físico objetivo interno no es lo suficientemente profunda. Los métodos de cálculo numérico rápidos y efectivos necesitan más investigación. combinado con la producción Los resultados reales de la investigación sobre cuestiones de migración de agua y calor durante la congelación y descongelación del suelo en condiciones naturales son relativamente débiles.