1
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..................................................4
ГЛАВА1. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МИГРАЦИИ, МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ И ИНФИЛЬТРАЦИИ ВЛАГИ В ПРОМЕРЗАЮЩИХ И ОПАИВАЮЩИХ ПОЧВАХ И ГРУНТАХ.............................6
1.1. Современное состояние вопросов тепло-влагопереноса в промерзающих почвах и фунтах.......................................6
1.2 Установки для экспериментального исследования процессов тепло-влагопереноса в почвах ....................................13
1.3 Теоретические основы и выбор оптимальных условий измерения плотности и влажности почв методом гаммаскопии.................19
1.4. Результаты экспериментов по физическому моделированию процессов миграции и инфильтрации влаги в промерзающих и оттаивающих почвах....................................................23.
1.5. Результаты экспериментов по исследованию морозного пучения водонасыщенных грунтов........................................44
ГЛАВА2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДНО-И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТАЛЫХ И МЕРЗЛЫХ ПОЧВ.................................78
2.1. Определение основной гидрофизической характеристики талых и
мерзлых почв..............................................78
2.2. Определение коэффициентов влагопроводности талых и мерзлых
почв......................................................94
2.3. Использование преобразований подобия для определения воднофизических характеристик почв...............................111
2.4. Определение коэффициентов теплопроводности талых и мерзлых
почв по данным об их воднофизических свойствах............118
3.4. Определение содержания незамерзшей влаги в мерзлых почвах.......................................................123
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО-МАССО-ПЕРЕНОСА В ПРОМЕРЗАЮЩИХ И ОТТАИВАЮЩИХ ПОЧВАХ....................................................130
3.1. Исходные уравнения и параметры математической модели мифации и инфильтрации в талых и мёрзлых почвах...................130
3
3.2. Алгоритм численной реализации модели....................135
3.3. Результаты численных экспериментов по моделированию процесса миграции влаги в промерзающих почвах.........................140
3.4. Результаты численных экспериментов по моделированию процесса инфильтрации в талых и мёрзлых почвах........................146
3.5. Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в мёрзлых почвах при их взаимодействии с растворами солей......160
3.5.1 Основные характеристики тепло- и массопереноса в засоленных
почвах.......................................................164
3.5.2. Результаты расчёта процессов взаимодействия мёрзлого грунта с
раствором соли...............................................166
ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СУММАРНОГО ИСПАРЕНИЯ........................................................177
4.1.Радиационный баланс растительного покрова и поверхности почвы...........................................................179
4.2. Характеристики турбулентного тепло-массообмена в системе почва-растительный покров-атмосфера................................183
4.3. Характеристики тепло-и влагообмена почвенного покрова 188
4.4. Водные свойства растений................................190
4.5. Алгоритм реализации модели испарения....................200
4.6. Тестирование модели испарения...........................203
4.7. Численные эксперименты по оценке влияния различных факторов на
величину испарения...........................................207
ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВНИЯ И ТАЯНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА......................................226
5.1 Исходные уравнения модели................................227
5.2 Физические свойства снежного покрова.....................227
5.3. Алгоритм численной реализации модели....................235
5.4 Результаты численных экспериментов......................238
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................248
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................251
Рис. 1.3 Зависимость относительной погрешности измерения влажности ( д'\А/опт/ г!>УУ) методом гаммаскопии от толщины просвечиваемого слоя почвы.
1 - для источника излучения Се -137; 2 - для Ат - 241;
3 - для метода с двумя источниками Сэ -137 и Ат - 241
2 £Г
ных к естественным. Поэтому опыты по исследованию этого процесса производились в трех вариантах:
- при постоянном уровне грунтовых вод в монолите почвы;
- при свободном понижении уровня воды, вызванном расходом влаги, мигрирующей к фронту промерзания;
- при отсутствии в монолите почвы насыщенной зоны.
Моделирование производилось как на реальных почвах ненарушенной
структуры, так и на модельной среде. В качестве последней использовался мелкозернистый песок плотностью 1.6 г/см куб. Данные о воднофизических свойствах используемых в опытах почв приведены в главе 2.
Была проведена серия из 20 опытов при различных граничных температурных условиях и различной исходной влажности почвы. При моделировании с наличием уровня грунтовых вод исходный профиль влажности устанавливался равновесным. При отсутствии в монолите почвы полностью насыщенной зоны, начальный профиль был тот же, что и в полевых условиях, то есть в период отбора монолита.
Первые опыты по моделированию процесса миграции влаги в песке проводились при постоянном уровне фунтовых вод. В качестве примера в табл.
1.1 и на рис. 1.4 приведены результаты измерения влажности и температуры песка в одном из опытов. Анализ их свидетельствует о том, что в течение первых 190 часов происходило равномерное промораживание песка, то есть температура на верхнем торце монолита была примерно постоянной и равной —4°С. При этом профиль влажности характеризуется плавным возрастанием ее в слое от 0 до 20 см. Затем в период времени, соответствующий резкому понижению температуры поверхности монолита с -4.8°С до -8°С наблюдается значительно меньший рост влажности в слоях, промерзание которых происходило в этот период. Эти наблюдения согласуются с результатами работы [118], где показано, что приращение влажности на границе талой и мерзлой зон имеет обратную зависимость от скорости промерзания, а мифационный поток растет с увеличением этой характеристики.
На рис. 1.5 , 1.6 приведены данные о динамике интенсивности мифаци-онного потока С/ и скорости промерзания V в течение одного из опытов. Как видно изменения С/ и V совпадают по фазе. Следует отметить, что влажность талой зоны в течение опытов с постоянным уровнем фунтовых вод практически не менялась и соответствовала равновесному профилю. Последнее можно объяснить тем, что в талой зоне существуют полностью заполненные капиллярные транзитные пути, верхний мениск воды, в которых находится на границе талой и мерзлой зон. В данном случае мерзлая зона как бы играет роль насоса в гидравлической системе.
Следующие опыты по моделированию мифации влаги в песке проводились в условиях свободного падения уровня грунтовых вод, вызванного подтоком влаги к фронту промерзания. В табл. 1.2 приведены результаты одного из этих опытов. Как видно, характер изменения влажности в мерзлой зоне здесь такой же как и при постоянном уровне фунтовых вод. Однако, влажность в талой зоне понижалась в ходе промерзания и ее профиль смещался относительно равновесного.
Следует отметить, что во всех опытах, которые проводились с песком, основное приращение влажности наблюдалось в слоях с температурой от 0 до
- Київ+380960830922