碎石含量及分布对土石混合介质中水热运移的影响研究

Influencing by natural soil-forming processes, human activities and other factors, stony soils keeping a certain amount of rock fragments is a widespread soil mass structure. Although water and thermal transports are the key process in soil for material migration and energy transmission, this process in stony soils still needs more explorations and demonstrations because of rock fragments dependence. In this project, we will take the soils containing rock fragments as the research object, and adopt laboratory experiments, field observation and numerical model simulation to analyze the effect of the rock fragments content and distribution on soil water movement, heat transport and their coupling migration. The objectives are to (1) analyze the effect of rock fragments content on soil structure and porosity distribution, (2) clarify the influence pathways of rock fragments content on soil water, soil thermal and their coupling transport under coverage, inter-layer and mixture conditions, (3) reveal the influence mechanism of rock fragments content and distribution on soil water and heat flowing process and (4) construct the parameter model to describe the water and heat transport process in stony soil. The results will enrich the theory of water and heat flow in stony soils or other heterogeneous porous media, and provide scientific supports for exploitation, utilization and protection on stony land resources.

受自然成土过程及人类活动等因素的影响，土壤中因含有一定量碎石而形成的土石混合介质是一种广泛分布的土体结构。水、热运移作为土壤中物质迁移和和能量传输的关键过程，其在土石混合介质中的运移特征及受碎石影响程度和作用机制尚不明确。基于此，本研究拟以含碎石土壤作为研究对象，采用室内模拟分析、小区定点观测和数值模型模拟相结合的方法，研究碎石在不同含量及分布状态下对土壤中水、热动态过程的作用机制：分析碎石含量变化对土壤结构及孔隙分布的影响；阐明碎石在覆盖、隔层和嵌入等分布状态下对土壤水、热通量及其耦合运移过程的作用途径；揭示并量化碎石含量及空间分布特征对土壤水、热动态运移过程的影响规律；构建土石混合介质水热耦合运移的参数模型。研究成果一方面将丰富土石混合介质等非均质结构下土壤水、热运移的研究理论，同时可为裸岩石砾地等含砾石土地资源的开发、利用和保护提供有效的科学依据。

科学合理的开发后备土地资源是缓解耕地面积紧缺、确保粮食安全的重要途径之一。土石山区、裸岩石砾地等含碎石土地是一类重要的耕地后备资源，具有分布范围广，表土碎石含量高，开发利用难度大等特点。针对这一实际问题，本项目通过室内模拟分析和田间中试实践相结合，深入开展了含碎石土壤的结构特征以及由此引起的对土壤水分、热量等土壤物理过程的影响；在模型模拟的基础上利用蒙脱卡罗统计方法对模型参数进行了不确定性分析。基于模拟实验结果建立了田间中试试验基地并对富含碎石的滨海土壤进行了改良探索。研究结果表明：.（1）碎石含量的增加能显著提高土体的当量容重，但随着碎石含量的增加当量容重的增长率逐渐降低。碎石致密性和较低的孔隙量是提高土壤容重的关键因素。与此同时，碎石含量的增加也提高了碎石与碎石之间的大孔隙，这种结果就在一定程度上增加了土壤的总孔隙含量。.（2）土体中碎石夹层的存在降低土壤水分的入渗效率，这一变化受碎石夹层位置的影响，即累积入渗量随隔层位置的下移而逐渐增大，Philip入渗模型能够较好的拟合含碎石夹层的土壤水分入渗过程。.（3）土体渗透性随着碎石含量的增加而降低。碎石含量的增加提高了土体中大孔隙的含量，但降低了有效孔隙和总孔隙的含量以及孔隙的连通性。这一变化在碎石含量较低时表现更加显著，因此对于含板结土壤和致密土壤的改良具有一定的指导意义。.（4）基于蒙脱卡罗的高斯替代模型能够高效准确的对非均质土壤的水分运动参数进行识别，且反演过程更为高效。模型参数不确定分析结果显示，含碎石夹层土壤水分运动参数的率定和验证均有较好的表现，模拟结果可清晰的展示出土壤层间结构对非饱和水分入渗过程的作用影响。.（5）对含碎石滨海盐碱地的改良中试试验表明，合理的碎石含量能够有效改善盐碱地易板结的特性，降低盐分的聚集作用，与其他改良措施相结合，显著提高了土壤的生产力条件。.