科尔沁沙地坨甸相间地区GSPAC系统水分运移野外试验模拟与分析

论文摘要

本文依托国家自然科学基金项目“科尔沁沙地坨甸相间地区大气—水文—生态过程耦合试验模拟（50669002）”,在科尔沁沙地坨甸相间地区选定研究区域,以GSPAC（Groundwater—Soil—Plant—Atmosphere Continuum）系统理论为基础,将地下水—土壤—植被—大气作为统一的连续体,利用两年的野外试验数据,以连续的、系统的、动态的观点和定量的方法研究GSPAC系统内不同地貌类型（沙坨地和草甸地）、不同植被覆盖（天然牧草和人工植被）情况下水分的运移规律。本论文完成的主要研究成果如下:（1）研究坨甸相间地区的大气水对土壤水及地下水的转化和运移规律;（2）对研究区特殊的小型湖泊的水面蒸发强度进行模拟研究。构建适合坨甸相间地区小型湖泊水面蒸发强度模拟的EL-DMD模型;（3）对土壤水向大气水的转化关系进行研究,分析坨甸相间地区土壤蒸发的特点,运用主成分分析法进行沙地土壤蒸发能力气象影响因子的研究,对不同地貌形态、不同植被类型的土壤的蒸发作用进行模拟评估;（4）通过对沙坨地及草甸地日土壤凝结水（Condensation water）的观测试验,分析科尔沁沙地CW的形成和转化规律,以月为时段分析CW与空气温度变差ΔTa、空气相对湿度变差ΔRHa的变化响应关系,并提出了研究区土壤凝结水量补给的CwL-DMD模型。本文的创新点有:（1）对科尔沁沙地坨甸相间地区的沙地和草地地貌类型分别进行了不同降雨事件后土壤剖面水分的运移研究,并对两种地貌类型的水分运移规律及土壤水吸力变化情况做了比较分析和研究;（2）将主成分分析法应用于沙地土壤蒸发能力的影响因子的研究,将影响沙地土壤蒸发能力的影响因子归结为三个主成分;（3）提出了适合坨甸相间小型湖泊水面蒸发强度模拟的EL-DMD模型,模型充分考虑了小型湖泊的周边环境对湖泊水面蒸发的影响,把沙坨地与小型湖泊地的温度差ΔTD-L以及草甸地的相对湿度RHM均作为模型影响因子,该模型较好的反映了坨甸相间的地貌形态对小型湖泊水面蒸发强度的影响效应;（4）从土壤凝结水形成的机理分析入手,将凝结水补给量分两部分进行模拟。用计算模型模拟了研究区试验样地凝结水的补给量WCW,通过与实测值的对比分析,验证了模型的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 选题背景、研究意义
• 1.2 研究动态
• 1.2.1 GSPAC 系统水分运移机理研究
• 1.2.2 GSPAC 系统水分运移的研究方法
• 1.2.3 土壤水分模拟研究进展
• 1.2.4 土壤蒸发的测定研究
• 1.2.5 水面蒸发计算模型的研究进展
• 1.2.6 凝结水量的研究
• 1.3 主要研究内容、技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究的技术路线
• 1.4 创新点
• 2 研究区基本概况及野外试验项目概述
• 2.1 研究区基本概况
• 2.1.1 自然地理位置
• 2.1.2 地形地貌特征
• 2.1.3 气象特征
• 2.1.4 植被群落特征
• 2.1.5 土壤特征
• 2.2 野外试验项目概述
• 2.2.1 野外试验点布设
• 2.2.2 观测项目概述
• 3 GSPAC 系统大气水向土壤水及地下水的转化模拟研究
• 3.1 试验研究方案概述
• 3.1.1 试验点选择
• 3.1.2 研究方法
• 3.1.3 试验数据获得与整理
• 3.2 降雨入渗补给机理分析
• 3.2.1 入渗过程的一般分析
• 3.2.2 地表入渗条件
• 3.2.3 非饱和土壤水分运动方程
• 3.3 坨甸相间地区降雨入渗过程野外数据模拟分析
• 3.3.1 降雨事件后沙坨地土壤水分变化
• 3.3.2 降雨事件后草甸地土壤水分变化
• 3.3.3 沙坨地与草甸地土壤水分变化异同点分析
• 3.4 降雨入渗补给条件下土壤水分运动的数值模拟
• 3.4.1 土壤水分运动的基本方程和定解条件
• 3.4.2 数学模型的离散化及方程的求解
• 3.4.3 模型参数的推求
• 3.4.4 野外实测资料验证数学模型
• 3.5 降雨入渗补给地下水规律探析
• 3.5.1 沙坨地降雨对地下水的补给
• 3.5.2 草地降雨对地下水的补给
• 3.6 本章小结
• 4 GSPAC 系统中地表水与大气水转化关系研究
• 4.1 试验研究方案概述
• 4.1.1 样地选取
• 4.1.2 研究方法
• 4.2 小型湖泊水面蒸发强度试验研究与模拟分析
• 4.2.1 水面蒸发现状模型
• L-DMD 模型的构建'>4.2.2 E_L-DMD模型的构建
• 4.2.3 模型参数的确定
• 4.2.4 模型检验
• E_L 模拟'>4.3 科尔沁沙地坨甸相间地区小型湖泊日水面蒸发量W_EL模拟
• 4.3.1 小型湖泊水域面积的动态模拟
• E_L'>4.3.2 小型湖泊日水面蒸发量W_EL
• 4.4 本章小结
• 5 GSPAC 系统土壤水向大气水的转化关系研究
• 5.1 试验研究方案概述
• 5.1.1 试验点选择
• 5.1.2 研究方法
• 5.1.3 试验数据的获得与分析
• 5.2 坨甸相间地区土壤蒸发能力气象影响因子研究
• 5.2.1 主成分分析法简介
• 5.2.2 确定土壤蒸发的气象影响因子的主成分
• 5.2.3 结果分析
• 5.3 科尔沁沙地坨甸相间地区土壤蒸发模型
• 5.3.1 参考土壤蒸发模型
• S-DMD'>5.3.2 构建坨甸相间地区土壤蒸发模型 E_S-DMD
• 5.4 本章小结
• 6 坨甸相间地区土壤凝结水的形成与转化模拟研究
• 6.1 试验研究方案概述
• 6.1.1 试验点选择
• 6.1.2 观测方法
• 6.1.3 观测数据的分析整理
• W 野外试验结果分析'>6.2 科尔沁沙地坨甸相间地区土壤凝结量C_W野外试验结果分析
• 6.2.1 凝结发生的时段分析
• 6.2.2 连通与不连通的 MLS 水分变化规律
• W 的区别'>6.2.3 沙坨地与草甸地C_W的区别
• 6.2.4 科尔沁沙地不同利用方式下土壤凝结量的月变化规律
• 6.3 地下水浅埋区凝结水对地下水补给量计算模型
• 6.3.1 机理分析与模型建立
• 6.3.2 模型检验
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介