东北黑土地冻融土壤水热迁移SHAW模型模拟研究

日期（月-日）
3-18 3-3 4-2
（2） 30cm
10.00
5.00
温度（℃）
0.00
-5.00
实测温度 模拟温度
-10.00 2-16 11-3 12-3 11-18 12-18 1-17 1-2 2-1 3-3
日期（月-日）
3-18 4-2
(3) 50cm
图 2 2010~2011 年冻融期间不同土层土壤温度的模拟值与实测值比较
10
5
温度（℃）
0
-5
-10
-15 11-3
实测温度 模拟温度
1-2 1-17 2-1 2-16 3-3 11-18 12-3 12-18
日期（月-日）
3-18 4-2
（1）10cm
5.00
温度（℃）
0.00
-5.00
-10.00 11-3
实测温度 模拟温度
2-16 11-18 12-3 12-18 1-2 1-17 2-1
表1 节点深度 孔隙大小分布指数 b 2.5 2.5 2.5 2.5 2010－2011 年率定后的土壤特性参数 空气进入势 ψe 饱和导水率 （cm/hr） 2.72 2.67 1.81 2.55 土壤干容重 ρb （kg/m
3）
饱和体积含水率 （cm3/cm3） 0.46 0.46 0.46 0.46
土壤含水率的模拟和实测值对比结果（图 1）表明：土壤含水率的模拟值和实测值基本 接近， 但 0.3m 左右的土层， 模拟值与实测值存在明显差异， 大体上被过高估计； 在 0.4m 处， 实测值与模拟值吻合度较好；且土壤在冻融过程中，冻土区的含水率较表层土壤含水率大。 从土壤温度的模拟值和实测值对比（图 2）可以看出，不同深度土壤温度实测值与模拟值变 化趋势基本一致，能够体现土壤温度的季节性变化。模型在土壤表层模拟有些误差，例如在 10cm 的土层中，地温从 11 月 18 日到 1 月 2 日与 2 月 16 日到 3 月 18 日，模拟值的模拟效 果不是那么特别理想。但是随着深度的加大，实测值与模拟值基本吻合。
（m）
0 0.1 0.3 0.5
（m）
-0.04 -0.04 -0.05 -0.04
1020 1020 1100 1100
0 0
含水率（cm3/cm3) 0.1 0.2
含水率（c m3/cm3）
0.3 0.4
0 0 0.1 0.2 0.3 0.4
10
10
30
深度（cm)
20 深度（cm)
20
30
40
2 材料与方法 2.1 研究区概况
本研究区域位于内蒙古兴安盟突泉县西南部的溪柳乡境内旱作耕地，地处北纬 46°36′18″， 东经 121°13′7″， 海拔 499.7m， 属于典型的半干旱地区。 该区域多年平均气温 5℃， 多年平均降水量为 400mm，主要集中在夏、秋季节（7~9 月） ，冬、春季以西北风和北风为 主，夏、秋季以东南风为主，年平均风速 3.3m/s，大风、扬沙、沙尘暴天气发生频繁，且主 要发生在干旱少雨、风大的 3~5 月。土壤为黑钙土，土层厚度薄、土壤退化肥力弱，土壤 30～50cm 以下存在钙积层。研究区域主要以农业生产为主，主要种植玉米、高粱、马铃薯、 葵花籽、大豆、绿豆等。试验区周边宽旷，无影响气流运动的高大建筑物，试验区属于我国 土壤季节性冻融区，基本满足本试验的基本条件。
东北黑土地冻融土壤水热迁移 SHAW 模型模拟研究
赵靖丹 1，李瑞平 1*，刘铁军 2
（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.水利部牧区水利 科学研究所，内蒙古呼和浩特 010020）
摘要：冻土是东北自然现象综合影响的产物。以兴安盟突泉县典型黑土地冻融土壤为研究对象，利用野外 实测提供的气象及土壤水热资料，结合 SHAW（Simultaneous Heat And Water）模型，对冻土区土壤水热特 征进行了模拟研究，并与观测结果进行了对比。结果表明， （1）土壤水分的模拟结果与实测结果基本接近。 （2） 土壤温度的模拟值与实测值相对比， 土壤表层模拟结果有些误差， 在较深层次模拟结果较好。 总体上， SHAW 模型可以适用于突泉县冻融土壤水热迁移的模拟研究。 关键词：东北黑土地；冻土； SHAW 模型； 土壤水分； 土壤温度
物为媒介的有机质矿化作用， 从而对土壤的水盐组成和溶质的迁移产生一定的影响。 通过冻 融作用改善土壤结构，提高土壤微生物活性和养分的有效性，有利于耕作和促进植物生长， 但也可通过含水量的重新分布和径流淋失而导致土壤养分损失[2-9]。 SHAW（Simultaneous Heat And Water）模型是研究雪融和土壤冻结、融化比较有效和详 该模型已经被证明能精确模拟土壤、 气候和表面条件很大范围内的冻结 细的模型之一[10-12]。 深度，能够模拟复杂冬季冻结现象对水分、溶质迁移的影响，溶质对冻结形式的影响，以及 冻融有关的侵蚀。 以兴安盟突泉县典型黑土地冻融土壤为研究对象， 在 2010~2012 年间， 利用野外实测与 室内试验提供的气象及土壤水热资料，结合 SHAW 模型对冻土区土壤水热特征进行了模拟 研究，为进一步认识东北地区黑土地冻融土壤水热迁移特征提供基础理论依据。
Abstract:Frozen soil is a common phenomenon in the northeast environment..It is the reasult of effects made by
natural phenomenon in northeast China. With The typical freezing and thawing soil of TuQuan county in XingAn Meng as the research object, using the weather and hydrothermal data provided by field survey, combined with S HAW model(Simultaneous Heat And Water) , we made simulation research on hydrothermal characteristics of fro zen soil,and then compared it with observations. Results show that (1)Simulation results of soil moisture are basicly closed.Some soil layer moisture simulation results are not ideal, but the other depths of soil layer simulati on results are relatively good. (2) The comparison between measured values and simulation values of soil temperat ure shows that some error exists in soil surface simulation and results in deeper layers are good. Overall, the SHA W model can be applied to simulation of freezing and thawing soil hydrothermal migration inTuQuan county.
3.2 模型的检验
Key words: Soil in the northeast；freezing soil; SHAW model; soil moisture; soil temperature
1 引言
土壤冻融是土壤表层通过地面与大气间热交换的产物。 季节冻融土是指年均温高于 0℃ 的暖土冻结，在冬季季节转换过程中对土壤作用频繁[1]。气象因素的周期性变化，形成季节 冻结和融化层热学性质的差异，导致土水体系的季节性冻融。在冻结和融化交替期间，大气 与表层土壤间的热交换造成冻结层与融化层水分的相变， 同时改变了地温的分布特征和大气 与地层间的热交换量。 冻融作用对土壤水分、密度、有机质和土壤的机械组成等因素都有不同程度的影响。其 产生的影响主要表现为：改变土壤结构、含水量分布和水热运动，影响微生物活性和以微生
2.3 模型简介
SHAW 模型由 Flerchinger 等人建立 [13] ，该模型描述垂直方向 1 维的 SVAT （ soil
vegetation atmosphere Transfer） 物理系统。有助于我们更好地理解季节性冻融过程中的冻 融土壤系统（包括雪层覆盖） 。此模型可有选择的输出水量平衡（降雨量，拦截降雨量，蒸 发蒸腾量，冠层、雪层、残积层和土壤层储水量的变化，深层渗漏量，径流，表面积水和累 积蒸发量等） 、地表能量传输（冠层、雪层、残积层和土壤层的净辐射和长波辐射，潜热和 显热等） 、冻深（冻结、融化深度和含冰率） 、剖面含水率、剖面温度等。 SHAW 模型包括已知大气边界的上边界（包括气温、风速、湿度、太阳辐射和降水） 和已知土壤边界的下边界之间垂向系统中的水、 汽、 热和溶质通量， 建立包括雪层、 残积层、 冻土层、未冻层（融土层）在内的层状土壤系统。系统内每个物理层均按土壤结构及冻融性 质等条件分为若干个小薄层，每一小薄层均用一个节点表示[6-8]。利用该模型可计算每个时 间步长内节点间的能量、 水分和溶质通量， 每个节点的平衡方程均采用隐式有限差分格式写 出。
2.2 野外试验测定内容与方法
野外试验于 2010~2011 年和 2011~2012 年两个冻融季进行， 试验观测内容和观测方法如 下： （1）土壤水分观测 样地埋设 70cm 深的 TDR 管，在土壤冻融期间，取有代表性的 7 天，每天使用 TDR 管每隔 10cm 观测一次土壤体积含水量。 （2）土壤温度观测 地温采用温度传感器自动采集。传感器分为八个通道，可以测得表 层以下 80cm 的地温数据，埋设深度为 5、10、15、30、50、70、90、110cm 深度的土层里。 设定为每隔 30 分钟采集记录一次数据。5 个月后取回室内下载地温数据，然后再将其埋入 土层。 （3）气象数据测定 气象数据采用 NV4500 气象监测仪，分别测定每天的气象指标（分 距离地面 1m 和 2m 两组数据） ，包括风速、温度、湿度、气压等实测数据。
收稿日期：
；修订日期：
Hale Waihona Puke 基金项目：国家自然科学基金项目（51369018） ；内蒙古自治区自然科学基金项目（2011BS0301） ； 作者简介：赵靖丹（1991-） ，男，汉族，内蒙古巴彦淖尔市人，硕士研究生，从事节水灌溉理论与新技术 研究 *通讯作者：李瑞平（1973-） ，男，汉族，内蒙古呼和浩特市人，博士，教授，硕士生导师，主要从事节水 灌溉理论与新技术应用研究 呼和浩特 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，010018。Email： nmglrp@
3 结果与分析 3.1 模型的率定
将模拟点 2010~2011 年的气象、试验场地、土壤剖面的初始含水率、温度资料的初始土 壤特性参数输入 SHAW 模型后，模拟冻融条件下土壤含水率、温度的时空变化，并与实测 值进行比较。根据误差出现的时间和空间规律，针对性地调整有关参数（主要是分子扩散相 关参数 τ 和溶质弥散相关参数 κ） ，实现模拟结果最大程度地接近实测结果，一般原则是使 二者之间差的平方和最小。 这时的参数组合确定为模型的参数 （见表 1） 。 图 1~2 分别为 SHAW 模型率定完成后 2010~2011 年冻融期间土壤水分和温度的模拟值与实测值的比较。
实测含水率 （cm3/cm3) 模拟含水率 （cm3/cm3)
40
实测含水率 （cm3/cm3) 模拟含水率 （cm3/cm3)
50 （1）321天
50
（2）92天
图 1 2010~2011 年冻融期间土壤含水率的模拟值与实测值比较 （2010 年 11 月 17 日和 2011 年 4 月 2 日）