基于冻土关键变量原位分离测定的农田冻融水热参数模型检验与修正

It is of great importance to deeply understand the mechanism of the effect of ice and liquid water content on hydraulic and thermal properties in frozen soil due to its facilitating not only the exploration of the mechanism of coupled water and heat transfers in soil and their exchanges with environment, but also weather forecast, precision management and high-efficiency utilization of water resource in agriculture. With this intention, this proposal will focus on the dynamics of hydraulic and thermal parameters (soil unsaturated hydraulic conductivity, soil water characteristics, soil thermal conductivity and soil heat capacity) during the freeze-thaw process based on the breakthrough of in-situ determining ice and liquid water content in frozen soil. For validating the hydraulic and thermal parameters models corrected in frozen soil, the model-based simulation will be also involved to be compared with the in-situ measurement results. The expecting outcomes will be benefit to the improvement of the theoretical/empirical parameter models and be in support of in-situ estimating hydraulic and thermal properties in frozen soil.

深入了解冻土冰水含量对土壤冻融过程水热特性变化的作用机制无论是对冻融过程土壤水热耦合作用机理及其与外界环境的质能交换规律的探究，还是对我国越冬期农业气象预报和水资源精细管理与高效利用都具有重要的理论价值与现实意义。为此，本申请在解决农田环境下土壤冻融过程冰水含量同腔共射原位测定这一技术难题的基础上，与前人建立的土壤冻融过程水热耦合模型相结合，以模型中的水热参数为研究对象，通过对比试验测量的解译结果与模型仿真结果深入研究冰水含量对冻土水热参数（非饱和导水率、土壤水分特征曲线、热导率与热容量）的作用机制，并探讨水热参数模型在冻土与非冻土中的异同，作为理论研究成果为检验冻土水热参数修正模型的合理性提供理论依据，作为应用性成果不仅为土壤冻融水热耦合模型预测精度的提高与适用范围的扩展提供农田应用案例，也为冻土水热参数的原位测定提供方法指导。

深入了解土壤冻融过程冰水含量变化及其对土壤水力特性变化的作用机制无论是对冻融过程土壤水热耦合作用机理及其与外界环境的质能交换规律的探究，还是对我国越冬期农业气象预报和水资源精细管理与高效利用都具有重要的理论价值与现实意义。为此，本项目陆续开展了以下重要研究工作：.1. 提出了一种冻土未冻水含量原位智能监测与校正方法，研制了一套用于观测越冬期土壤未冻水含量变化规律的三维智能监测系统，不仅在低温与冰存在的环境下提高了未冻水含量的测量精度，还将测量区域扩大至三维空间，拓展了该方法及监测系统的应用范围。.2. 与前人建立的土壤冻融过程水热耦合模型相结合，提出了一种原位估测冻土非饱和导水率的新方法，并发现冻土非饱和导水率受到土壤冻结速率的影响，土壤冻结速率越快，非饱和导水率越大，从而提高了非饱和导水率的估测精度。.3. 提出了一种传感空间灵敏度范围测定和温度校正方法，明确了传感器的适用范围，降低了电路板温度系数和介电温度效应对传感器测量精度造成的影响，传感器的测量精度由0.0138 cm3 cm-3提高到0.0026 cm3 cm-3，得到了明显改善。.4. 提出了一种农田环境下冻土水热参数越冬期模型参数原位估算方法。该方法可取代田间取样并在实验室测定土壤参数的传统做法，比参数辨识法所使用的模型结构简单，不破坏土壤结构，节省了人力和时间成本。.5. 提升了越冬期地表土壤冰-水-气相互转化与能量交换模型的估算精度。将越冬期土壤水分冻结胁迫系数引入到蒸散模型中，Penman-Monteith模型的精度由0.697 mm提高到0.252 mm。 .本项目研究成果为检验土壤冻融过程水热模型及其参数估算的合理性提供理论依据，而作为应用性成果不仅为土壤冻融水热耦合模型预测精度的提高与适用范围的扩展提供农田应用案例，也为冻土水力参数的原位估测提供方法指导。