Avance de la investigación sobre el movimiento del agua en suelos helados
1. Descripción general de la investigación de suelos congelados
La investigación sobre el permafrost incluye la física del suelo congelado, la química del suelo congelado, la mecánica del suelo congelado, la ingeniería del suelo congelado, la ciencia ambiental del suelo congelado y otras disciplinas. El problema de la migración de agua y calor durante la congelación y descongelación del suelo pertenece al ámbito de investigación de la física de suelos congelados. La física del suelo congelado es el contenido de investigación básico de la ciencia del suelo congelado. Su alcance de investigación incluye: las propiedades físicas básicas, la estructura y la estructura del suelo congelado, la migración del agua, la congelación y las heladas durante la congelación y descongelación del suelo, la migración de la sal y la expansión de la sal.
La investigación sistemática en geociencias se inició a finales del siglo XIX. En 1890, Rusia estableció el Comité de Investigación del Permafrost y comenzó a realizar investigaciones relativamente extensas sobre el permafrost. Después de entrar en el siglo XX, durante la era soviética, la investigación en geociencias se desarrolló rápidamente (Cuitovich, 1985; Friedman, 1982). Su contenido de investigación involucra la física de los suelos congelados, la mecánica de los suelos congelados, el mejoramiento hidrotermal del suelo, la estabilidad de la ingeniería, etc. En Estados Unidos, Canadá y otros países, desde el siglo XX, el desarrollo y utilización de los recursos naturales ha promovido directamente el desarrollo continuo de la permacultura.
La Primera Conferencia Internacional sobre Permafrost celebrada en 1963 marcó una nueva etapa en la investigación del permafrost. Desde entonces, el ICOP se celebra cada cinco años desde 1973 para intercambiar resultados de investigaciones sobre suelos congelados de varios países. En la cuarta ICOP celebrada en 1983, se propuso crear la Asociación Internacional de Permafrost (IPA), creada por China, Rusia, Estados Unidos y Canadá.
La investigación sobre suelos congelados de mi país comenzó tarde, pero se ha desarrollado rápidamente y ahora ha saltado a las filas internacionales avanzadas. Las principales unidades de investigación nacionales incluyen: Instituto Lanzhou de Glaciación y Permafrost, Academia China de Ciencias, conservación de agua, autopistas, ferrocarriles, institutos de investigación y diseño de la industria de la construcción e instituciones relacionadas de educación superior.
En 1982, mi país estableció la División de Glaciares y Permafrost de la Sociedad Geográfica China y celebró una Conferencia Nacional sobre Glaciares y Permafrost para intercambiar resultados de investigación en campos relacionados en el país y en el extranjero, lo que promovió en gran medida el desarrollo del permafrost. .
2. Investigación sobre el intercambio de agua y calor en la interfaz entre el suelo y el aire.
Desde la perspectiva del proceso de equilibrio energético, diversos fenómenos físicos en la atmósfera inferior se forman básicamente bajo la influencia de la superficie subyacente (como el suelo, la vegetación, la superficie del agua, etc.). ). Las diferentes superficies subyacentes tienen diferentes propiedades físicas. Entre la capa de gas cercana a la superficie y la capa superior del suelo adyacente a la superficie subyacente se producen procesos complejos de intercambio de materiales y energía, lo que tiene un impacto importante en las características y reglas de formación del microclima.
La superficie subyacente se calienta absorbiendo la radiación directa del sol y la radiación dispersa del cielo (radiación de onda corta), y se enfría mediante radiación de onda larga. La diferencia entre la radiación de onda corta y la radiación efectiva de onda larga es la radiación neta obtenida por la superficie subyacente. Durante el día, la radiación solar de onda corta es generalmente mayor que la radiación efectiva de onda larga, y la radiación neta obtenida de la superficie subyacente calentará el aire cerca de la superficie y la parte superior del suelo a través del flujo de calor sensible ascendente y el flujo de calor del suelo descendente, respectivamente. La radiación neta de la superficie subyacente es negativa durante la noche y es necesario depender del aire y las capas de suelo cercanas a la superficie para complementar el calor. Por lo tanto, las temperaturas de la atmósfera cercana a la superficie y de la capa superior del suelo están fuertemente influenciadas por la superficie subyacente.
La superficie subyacente es la principal fuente de vapor de agua en la atmósfera inferior. La evaporación se produce desde la superficie subyacente y, mientras el vapor de agua se transporta a la atmósfera, también se consume una gran cantidad de calor latente de evaporación. El calor latente de evaporación también es un componente importante del equilibrio térmico de la superficie subyacente. Cuando se produce condensación en la superficie subyacente, se liberará el correspondiente calor latente. Este proceso de circulación del agua, que depende de la superficie subyacente, también juega un papel importante en la formación del microclima.
La distribución vertical de la temperatura y la humedad en la atmósfera cercana a la superficie está relacionada con el equilibrio de calor y humedad. Por lo tanto, el transporte de calor y humedad desde arriba y hacia abajo de la superficie subyacente también es el factor básico. que determina las características climáticas de la atmósfera cercana a la superficie y el factor de las capas superiores del suelo. Como condición límite superior para el intercambio de agua y calor en suelos congelados y descongelados, el intercambio de agua y calor en la interfaz tierra-aire es crucial para estudiar las leyes del intercambio de agua y calor en el suelo utilizando métodos matemáticos y físicos.
Los métodos actuales para determinar el flujo de intercambio de calor del agua en la interfaz tierra-aire son principalmente métodos micrometeorológicos, incluidos métodos aerodinámicos, métodos de balance de energía, métodos aerodinámicos de balance de energía y métodos relacionados con la vorticidad. Estos métodos tienen cierto valor de aplicación en la práctica de producción, pero cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas. Entre ellos, el método integral que combina el equilibrio energético y la aerodinámica tiene en cuenta las características de la superficie subyacente y la atmósfera cercana a la superficie, y tiene una buena base y antecedentes físicos. Es un método básico para comprender el proceso de cambio dinámico del intercambio de calor del agua superficial y sus factores que influyen, y ha sido ampliamente utilizado en el estudio de los procesos de migración acoplados al calor y al agua del suelo.
Independientemente de la capacidad de intercambio de calor horizontal del suelo, la ecuación del balance de energía (calor) de la superficie subyacente se obtiene según la ley de conservación de la energía:
Movimiento del agua en temporada suelo insaturado congelado-descongelado
Donde Rn es la radiación neta; g es el flujo de calor superficial del suelo; LE es el flujo de calor latente por evaporación del suelo; h es el flujo de calor sensible.
El flujo de calor latente superficial LE y el flujo de calor sensible h están relacionados con las condiciones hidrotermales y el microclima cercano a la superficie, y generalmente se calculan utilizando el modelo de impedancia. Penman utilizó por primera vez este método para estudiar la evapotranspiración potencial en 1948 y propuso la famosa fórmula de Penman. En el modelo de cálculo de la evapotranspiración potencial sólo se considera la impedancia aerodinámica ra de la capa límite atmosférica. Monteith propuso el concepto de resistencia a la evaporación superficial rs en 1963, que abrió una nueva forma de calcular la evaporación del agua del suelo no saturada.
La impedancia aerodinámica ra depende de la distribución de la velocidad del viento en el aire cercano a la superficie. Cuando el perfil de velocidad del viento es aproximadamente logarítmico, se puede considerar aproximadamente que la impedancia de transferencia de calor y vapor de agua de esta capa es igual a la impedancia de transferencia de momento ra, y sus valores se pueden calcular con base en la teoría de la capa límite de turbulencia atmosférica. .
Debido a los efectos de flotabilidad provocados por las diferencias de temperatura entre la Tierra y la atmósfera, el perfil logarítmico de la velocidad del viento ya no es válido. En este momento, la impedancia de transferencia de calor, vapor de agua y la impedancia de transferencia de momento ya no son iguales y es necesario corregir el modelo de cálculo. Camillo y Gurney (1986) utilizaron un factor de corrección de estabilidad atmosférica para expresar este efecto, que está relacionado con la longitud de Monin-Obukhov. Acs et al. (1991) utilizaron este método para corregir la estabilidad atmosférica en el modelo de predicción acoplado del contenido de humedad del suelo y la temperatura de la superficie.
Es difícil determinar la resistencia a la evaporación superficial rs. Actualmente no existen predicciones teóricas ni datos experimentales. Lin Jiading y Sun (1983) creyeron que para el mismo suelo, el cambio en la impedancia de evaporación está relacionado principalmente con el contenido de humedad superficial del suelo θ, que tiene una relación de función de potencia negativa con θ, y dieron una expresión empírica de rs basada en valores medidos. datos. Camillo y Gurney (1986) creían que rs se puede utilizar como parámetro de ajuste. Al comparar los datos medidos con los resultados de la simulación, se ajusta rs para que los resultados calculados sean consistentes con los resultados experimentales. En consecuencia, también propusieron la relación empírica correspondiente entre rs y θ.
En el estudio de la transferencia de agua y calor del suelo, la ecuación del balance de energía superficial (o combinada con otras ecuaciones) generalmente se trata como la condición de límite superior. En determinadas condiciones de tiempo, lugar y meteorológicas, todos los componentes de la ecuación del balance de energía superficial son funciones del contenido de agua superficial, la temperatura y el gradiente de temperatura. En términos generales, se puede considerar que la humedad superficial del suelo permanece constante durante un corto período de tiempo, por lo que la ecuación del balance energético es sólo función de la temperatura superficial y su gradiente, la cual puede tratarse de diferentes maneras. Una es tratar la ecuación como una ecuación implícita no lineal de la temperatura de la superficie y obtener la temperatura de la superficie resolviendo la ecuación; la otra es calcular el flujo de calor de la superficie a través del calor latente y el calor sensible como la segunda condición de contorno de la ecuación de calor; .
3. Estudio experimental sobre el movimiento del agua en el suelo durante la congelación y descongelación.
1) Investigación experimental en interiores
El estudio de los patrones de movimiento de la humedad del suelo comenzó con Darcy en Francia. En 1856, basándose en experimentos de filtración en arena saturada, derivó la famosa ley de Darcy según la cual el flujo de filtración es proporcional al gradiente hidráulico. Richards aplicó esta ley al agua del suelo insaturado en 1931 y creía que el flujo de agua del suelo insaturado ql se puede expresar como:
Movimiento del agua en suelos estacionales insaturados de congelación y descongelación
Donde ψ y ψ m son el potencial hídrico total y el potencial mátrico del suelo respectivamente; K (ψ m) es la conductividad hidráulica insaturada del suelo.
En el proceso de investigación de suelos congelados, el flujo de agua generalmente adopta la expresión anterior, pero el potencial matricial del suelo congelado es actualmente difícil de medir.
Suponiendo que existe una correspondencia uno a uno entre el potencial mátrico del suelo y el contenido de agua no congelada en el suelo congelado, el flujo de agua en el suelo congelado también se puede expresar mediante el gradiente θu del contenido de agua no congelada:
Irregularidad estacional Movimiento del agua en suelos saturados de congelación y descongelación
Donde D(θu) es la difusividad del agua del suelo.
En la década de 1980, el Laboratorio de Ingeniería e Investigación de Regiones Frías (CRREL) del ejército de EE. UU. llevó a cabo una serie de experimentos en interiores para explorar el mecanismo de migración del agua en suelos congelados. Nakano et al. (1982, 1983, 1984a, 1984b, 1984c) y Nakano y Theis (1987) realizaron estudios experimentales en interiores sobre la migración de humedad en condiciones isotérmicas.
Konrad y Morgenstern (1981) realizaron experimentos sobre la migración de humedad en suelos congelados bajo diferentes gradientes de temperatura. Según los resultados experimentales, el flujo de migración de agua es proporcional al gradiente de temperatura δT, es decir:
Movimiento de agua en suelos de congelación y descongelación estacionalmente insaturados
Entre ellos, el parámetro SP Se llama potencial de segregación y está relacionado con las condiciones de prueba específicas, la velocidad de congelación del suelo, el contenido de humedad del suelo y otros factores. La complejidad de este parámetro limita enormemente su aplicación.
Desde la década de 1970, el Instituto Lanzhou de Glaciación y Permafrost de la Academia China de Ciencias ha llevado a cabo una gran cantidad de estudios en interiores sobre las características de congelación del suelo, migración de humedad, formación de hielo y escarcha, migración de sal y elevación de sal. en condiciones de congelación Investigación experimental (Xu et al., 1985; Xu Xuezu y Deng Yousheng, 1991; Xu Xuezu et al., 1995; Chen y Wang, 1985, 1991). Según los resultados de la investigación, la migración de agua en suelos congelados está relacionada con el gradiente de potencial hídrico del suelo en el borde congelado, que depende principalmente de las propiedades del suelo, las condiciones límite, la velocidad de congelación y la velocidad de elevación de las heladas.
De acuerdo con los resultados experimentales anteriores, las fuerzas impulsoras de la migración de humedad del suelo insaturado de congelación y descongelación incluyen principalmente el gradiente de humedad del suelo (gradiente de potencial hídrico del suelo) y el gradiente de temperatura (Nakano, 1991). ser independiente, también puede ser interdependiente.
Hasta ahora, la mayoría de los estudios sobre el flujo de agua en suelos congelados han adoptado un método similar al flujo de agua en suelos no saturados, es decir, introduciendo el concepto de potencial hídrico del suelo (Hillel, 1980; Lei Zhidong et al., 1988). Perspectiva energética. De esta manera, las áreas congeladas y no congeladas del suelo se pueden analizar de manera uniforme, y es conveniente utilizar métodos matemáticos y físicos para estudiar la migración acoplada de agua y calor en suelos congelados.
2) Investigación experimental al aire libre
La investigación experimental al aire libre incluye principalmente pruebas de infiltración de campo, pruebas de migración de agua, calor y sal relacionadas con la utilización eficiente de los recursos hídricos agrícolas y la mejora de la salinización del suelo. y pruebas de campo relacionadas con la lucha contra las heladas en edificios de ingeniería.
La investigación experimental sobre las características de infiltración del suelo congelado y descongelado comenzó en la década de 1960. Stoeckjer y Wetzllan (1960) creían que las características de infiltración del suelo congelado-descongelado están relacionadas con el tipo de congelación del suelo. El suelo congelado se puede dividir en tres tipos: congelación de cemento, congelación de poros y congelación de partículas. El suelo congelado similar al cemento tiene en su mayoría una estructura de grano fino con un alto contenido de humedad. Está compuesto por muchas lentes de hielo delgadas y complejas y, a menudo, es denso y macizo, similar a los suelos de cemento. El suelo granular congelado tiene partículas gruesas, bajo contenido de humedad y cristales de hielo se acumulan alrededor de las partículas del suelo pero están separados entre sí. Las características del suelo congelado poroso se encuentran entre las dos anteriores. Sthecker y Weitzman (1960) utilizaron un infiltrómetro de círculo único para medir las tasas de infiltración de tres tipos de suelo congelado. La permeabilidad del suelo congelado con cemento en suelos homogéneos es extremadamente pequeña y la permeabilidad del suelo congelado granular es mayor que antes de la congelación. Boombny y Wang (1969) midieron la permeabilidad de muestras de suelo con diferentes contenidos de humedad inicial bajo condiciones de congelación rápida y encontraron que cuando la diferencia entre el contenido de humedad saturada del suelo y el contenido de humedad inicial es inferior a 0,13 m3/m3/m3, el suelo congelado está congelado con cemento. Su tasa de penetración es insignificante.
La mayoría de los estudiosos creen que el principal factor que afecta las características de infiltración del suelo congelado es el contenido de agua durante el proceso de congelación. Kane y Stein (1983) utilizaron un infiltrómetro de doble anillo para realizar experimentos de infiltración con diferentes contenidos de agua en suelos congelados estacionalmente en Alaska. Los resultados muestran que la curva de infiltración del suelo estacionalmente congelado es similar a la del suelo no congelado. Cuanto mayor es el contenido de humedad inicial del suelo, menor es la tasa de infiltración. Lee y Molnau (1982) encontraron que la tasa de infiltración estable del suelo durante el período de congelación estaba fuertemente correlacionada negativamente con el contenido de humedad del suelo.
La textura del suelo también tiene un gran impacto en las características de infiltración.
La textura del suelo agrícola sueco es principalmente arcillosa pesada y su tasa de infiltración varía entre 0,004 ~ 5,0 mm/min (Kapotov, 1972; Engelmark, 1987). La baja tasa de infiltración se debe principalmente a la textura del suelo viscoso y que contiene hielo. Un alto contenido de hielo da como resultado una baja permeabilidad, y un alto contenido de hielo no sólo se ve afectado por el alto contenido de humedad del suelo durante el período de congelación, sino también por la infiltración y recongelación del agua de nieve derretida durante el período de congelación y descongelación. La alta permeabilidad es el resultado de fracturas verticales macroscópicas que se forman después de la congelación de la arcilla (Thunholm y Lundin, 1989).
Zuzel y Pikul (1987) utilizaron un dispositivo de lluvia simulada para medir las tasas de infiltración de campos de rastrojo, campos de trigo de invierno y campos cultivados antes de las heladas de otoño, las heladas de invierno y los deshielos de primavera. La tasa de infiltración del suelo labrado en tierras homogéneas es la más alta y la de los campos de trigo de invierno es la más pequeña. Al comparar las tasas de infiltración del suelo antes de la congelación y después de la descongelación, los resultados mostraron pocos cambios, lo que indica que las características de infiltración del suelo bajo diferentes prácticas agrícolas no cambiaron debido al proceso de congelación. Pikel, Zuzel y Wilkins (1991, 1992) realizaron experimentos de infiltración en tierras cultivadas y no cultivadas bajo dos espesores diferentes de capas congeladas durante el período de congelación del suelo. Cuando la profundidad del suelo congelado es de 0,12 m (menos que la profundidad de cultivo), la tasa de infiltración del suelo de las tierras cultivadas es mayor que la de las tierras no cultivadas; cuando la profundidad del suelo congelado es superior a 0,35 m, la diferencia en la infiltración del suelo; La proporción de tierra cultivada y tierra no cultivada es muy pequeña.
En áreas donde se distribuye suelo congelado, la congelación del suelo y la capacidad reducida de infiltración del suelo son las principales razones de la escorrentía superficial y la erosión del suelo causada por el derretimiento de la nieve (Kalyuzhnyi, 1980; Zuzer y Pikul, 1987). La escorrentía superficial en Alaska, EE.UU., representa del 25 % al 47 % del agua total del deshielo (Kane y Stein, 1987), mientras que la escorrentía superficial en el norte de Oregón representa del 4 % al 49 % del agua total del deshielo (Zuze, 1982). . Para reducir la erosión del suelo y aumentar la infiltración del suelo, muchos académicos han estudiado los patrones de infiltración del suelo bajo diferentes medidas de gestión de la tierra, proporcionando una base para optimizar las medidas locales de conservación del suelo y el agua.
En los últimos años, el personal científico y técnico de los departamentos e institutos de investigación científicos pertinentes en las áreas de distribución de suelos estacionalmente congelados de mi país, combinados con prácticas de producción locales, han llevado a cabo una gran cantidad de proyectos de campo sobre la migración. de agua y sal congeladas del suelo y la prevención de heladas en estructuras hidráulicas. La investigación experimental y aplicada ha logrado una serie de resultados de investigación significativos. (1988) y Zhu (1993) estudiaron el fenómeno de las heladas en áreas de suelo estacionalmente congeladas. El Instituto de Recursos Hídricos de Mongolia Interior (1987), Wang (1993) y Zhao Donghui (1997) realizaron estudios experimentales sobre la humedad del suelo y la migración de sal durante la congelación. Zhang Zhuanping (1992) estudió las características de acumulación de humedad del suelo bajo dos cuotas de riego después de la congelación en Beijing. Guo Suzhen (1996) realizó un estudio experimental sobre el impacto del tiempo de riego otoñal en la migración del agua y la sal y el entorno agrícola en el área de riego de Hetao en Mongolia Interior. Fan Guisheng, Zheng (1997, 1999, 2000), Zheng (2000, 2001) y Xing (2002) de la Universidad Tecnológica de Taiyuan, con financiación de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales, estudiaron las condiciones de hielo y deshielo en el campo desde la perspectiva del invierno. y gestión del agua de riego de manantiales. Huang Xingfa et al. (1993) observaron el proceso de cambio de la humedad, la temperatura y la salinidad del suelo en invierno y primavera en Yucheng, provincia de Shandong, y analizaron sus patrones de cambio. Shang et al. (1997) estudiaron los patrones de migración del agua y el calor del suelo durante el período de invernada en Beijing.
4. Estudio teórico sobre el movimiento del agua en el suelo durante la congelación y descongelación.
La investigación sobre el flujo de agua y el flujo de calor en el suelo se realizó de forma independiente en la etapa inicial. Establecieron sus propios sistemas teóricos y realizaron una investigación en profundidad sobre los métodos de solución en sus respectivos campos de investigación.
Para el problema del flujo de suelo no saturado, combinando la ley de Darcy con la ecuación de continuidad del flujo de agua, se puede obtener la ecuación básica del movimiento inestable del agua del suelo (ecuación de Richards).
Movimiento del agua en suelos estacionales insaturados de congelación y descongelación
donde θ y t son el contenido de humedad del suelo y el tiempo, respectivamente, otros símbolos son los mismos que antes.
La investigación sobre el flujo de calor del suelo comenzó a finales de la década de 1940. Aplique la ley de conducción de calor de Fourier al sistema suelo-agua y obtenga la ecuación básica del flujo de calor del suelo basada en el principio de conservación de energía:
Movimiento del agua en suelos de congelación y descongelación estacionalmente insaturados
donde t, c y λ son la temperatura del suelo, la capacidad calorífica volumétrica y la conductividad térmica respectivamente.
En 1957, Philip y de Vries iniciaron una investigación sobre el acoplamiento agua-calor del suelo.
Basándose en los principios del flujo viscoso y del equilibrio térmico del agua líquida en medios porosos, propusieron un modelo de transferencia de acoplamiento agua-calor (Philip y de Vries, 1957; De Vries, 1958)
Congelación estacional insaturada Movimiento del agua en suelo descongelado
Movimiento del agua en suelo congelado-descongelado estacionalmente insaturado
Donde q, ql, qv y qh son el flujo total de agua, el estado líquido y el flujo de agua en el suelo, respectivamente. Flujo de agua, flujo de vapor de agua y flujo de calor; Dθ y DT son la difusividad de la migración de agua causada por el agua y el gradiente de temperatura, respectivamente; ρl y Cl son la densidad y la capacidad calorífica del agua líquida, respectivamente; ; l es el calor latente de cambio de fase a la temperatura de referencia T0.
El modelo anterior tiene en cuenta el efecto del gradiente de temperatura sobre el movimiento del agua, el cambio de fase del agua y el efecto del agua sobre la temperatura.
Basado en el modelo de Philip-de Vries, se han llevado a cabo investigaciones más amplias y profundas sobre cuestiones de acoplamiento del agua y el calor del suelo. Kay y Groenvelt (1974) consideraron la humedad del suelo θ y la temperatura T como variables independientes en la ecuación del movimiento del agua, y el gradiente de humedad como la fuerza impulsora del movimiento del agua en el suelo. Este estudio no refleja la naturaleza física del movimiento del agua del suelo y sólo es aplicable a sistemas de suelo homogéneos e isotrópicos. Milly (1982) adoptó la ecuación de acoplamiento hidrotermal del suelo con el potencial y la temperatura de la matriz del suelo como variables, haciéndola adecuada para suelos heterogéneos, y utilizó el método de elementos finitos para simular el movimiento de la humedad del suelo en condiciones isotérmicas y no isotérmicas. De Vries (1987) proporcionó una revisión exhaustiva de investigaciones previas en este campo. Chung y Horton (1987) estudiaron la transferencia de agua y calor del suelo en condiciones de cobertura parcial del cultivo. Cai Shuying y Zhang Yufang (1991) utilizaron este modelo para calcular el proceso de evaporación de la humedad del suelo a diferentes temperaturas. El estudio del transporte hidrotermal a lo largo del continuo suelo-planta-atmósfera (Special Purpose Acquisition Corporation) es la profundidad del transporte hidrotermal del suelo, y se han realizado muchos trabajos de investigación (Camillo et al., 1983; van de Grind y Van Bossel , 1989; Kang, 1994; Wu Qinglong y otros, 1996;
La migración del agua y el calor del suelo en condiciones de congelación y descongelación es un proceso físico complejo de múltiples factores, y se han logrado avances importantes en la investigación sobre este tema durante los últimos 30 años. Desde la década de 1960, muchos científicos y técnicos han estudiado este problema y han propuesto varios modelos matemáticos, que pueden dividirse a grandes rasgos en dos categorías. El primer tipo es el llamado modelo de mecanismo basado en el modelo de Philip y de Vries (Harlan, 1973). Este modelo ignora la interacción entre el hielo y el agua en el suelo y cree que el contenido de agua no congelada en el suelo congelado solo está relacionado con la temperatura negativa del suelo y no tiene nada que ver con el contenido total de agua, y está en una dinámica. Estado de equilibrio con temperatura negativa. La relación entre el contenido de agua no congelada del suelo y la temperatura negativa (también llamada curva característica de congelación del suelo) debe determinarse mediante experimentos, y este tipo de modelo se utiliza ampliamente en la actualidad. Harlan (1973), Taylor y Ludin (1978), O'Neill y Miller (1985), etc. Se llevaron a cabo simulaciones numéricas de la migración hidrotermal en condiciones de congelación del suelo, y James y Norum (1980) simularon niveles utilizando un modelo esencialmente similar al de Hanlan. Fukuda y Nakagawa (1985), Flerchinger y Saxon (1989) y Lundin (1990) utilizaron modelos de mecanismos para simular la transferencia de agua y calor en sistemas de suelo congelado, que consideraron el intercambio de calor sensible entre el suelo y la atmósfera, pero no consideraron el intercambio de calor latente y la evaporación superficial. Aunque el flujo de calor latente entre la Tierra y la atmósfera es menor que el flujo de calor sensible en invierno, son del mismo orden de magnitud. Por lo tanto, despreciar el calor latente de evaporación tendrá inevitablemente un cierto impacto en los resultados del cálculo.
El segundo modelo es el modelo termodinámico (Kay y Groenevelt, 1974; Groenevelt y Kay, 1974; Kung y Steenhuis, 1986). Este modelo es consistente con el modelo mecanicista para la zona de suelo no congelada, con diferencias solo en la zona congelada. El modelo considera la migración de agua, vapor y calor bajo la influencia del gradiente de temperatura y del gradiente de potencial del agua (incluidos sólidos, líquidos y gaseosos). El modelo supone que el hielo y el agua en el suelo congelado están en equilibrio, el potencial químico es igual, la presión del hielo es cero y se ignora la influencia de la gravedad. Usando la ecuación de Clapeyron, podemos obtener:
Suelo estacionalmente insaturado congelado-descongelado Movimiento del agua en
En la fórmula: pw es la presión del agua; Hf y vl son el calor latente y el volumen específico de agua, respectivamente;
De acuerdo con esta relación, el gradiente de potencial hídrico del suelo se puede expresar como un gradiente de temperatura, por lo que el número desconocido en la zona de congelación es solo la temperatura t, y el agua, el vapor y el flujo de calor son funciones de temperatura y gradiente de temperatura. Combinando estas relaciones de flujo con los principios de conservación de masa y energía, se puede obtener un modelo termodinámico de transporte acoplado de agua y calor en suelo congelado. En comparación con el modelo de mecanismo, este modelo no necesita determinar la relación entre el contenido de agua no congelada y la temperatura negativa. Sin embargo, la ecuación de Clapeyron se introdujo en la derivación del modelo. En general, se cree que este tipo de modelo sólo es aplicable a un rango de temperatura limitado cercano a la temperatura de congelación del suelo, y su aplicabilidad a temperaturas negativas más bajas no se ha verificado experimentalmente.
Kung y Steenhuis (1986) utilizaron un modelo termodinámico para simular el proceso de congelación del suelo cuando un extremo de una columna de suelo cayó repentinamente a una temperatura negativa, y los resultados fueron consistentes con las reglas experimentales. Los resultados de los cálculos muestran que la migración de vapor de agua es dos órdenes de magnitud menor que la migración de agua líquida, y la transferencia de calor por convección es dos órdenes de magnitud menor que el calor conductivo. Por lo tanto, ignorando la migración del vapor de agua durante la congelación del suelo, la transferencia de calor por convección tiene poco efecto en los resultados del cálculo.
Shen y Ladanyi (1987) agregaron un modelo de campo de estrés del suelo basado en el modelo de acoplamiento agua-calor del suelo congelado. En el modelo se consideraron la migración hidrotermal y la deformación del suelo, y se simuló el proceso de congelación del suelo saturado utilizando el método de diferencias finitas y el método de elementos finitos respectivamente. El campo de temperatura y las heladas del suelo concuerdan bien con los resultados experimentales.
La investigación de mi país sobre la migración combinada de agua y calor en suelos congelados comenzó relativamente tarde. Yang (1988) utilizó un modelo de mecanismo para simular el proceso de congelación de columnas de suelo horizontales y columnas de suelo verticales, y analizó cualitativamente el impacto del contenido de humedad inicial del suelo sobre las heladas del suelo. El Instituto Lanzhou de Glaciación y Permafrost de la Academia China de Ciencias (1989) estudió la humedad del suelo, la temperatura y los problemas de estrés en el campo durante el proceso de congelación. Ye Boxeng, Chen (1990) y Hu Heping (1990) introdujeron la ecuación de Clapeyron en el modelo del mecanismo de migración hidrotermal para estudiar el problema de la migración hidrotermal en suelos congelados. Este método de procesamiento no sólo tiene la aplicabilidad de la ecuación de Clapeyron mencionada anteriormente, sino que también tiene el problema de compatibilidad con la curva característica de congelación del suelo. Li Shuxun y Cheng (1995) realizaron una simulación numérica del proceso de congelación y descongelación del suelo interior. Lei Zhidong et al. (1998, 1999) simularon la migración combinada de agua y calor en suelo congelado, pero no consideraron la migración de agua gaseosa ni la convección térmica. Zheng (2001) utilizó un modelo de simulación numérica de acoplamiento hidrotermal que incluía la migración de agua gaseosa y la migración por convección de calor para simular el proceso estacional de congelación y descongelación del suelo y las leyes de migración de agua y calor en condiciones naturales, y logró buenos resultados.
La salinidad del suelo tiene un gran impacto en la congelación del suelo y la migración del agua. Como señalaron Cary et al. (1979), cuando las sales en la solución del suelo se acumulan en el borde de congelación, el gradiente de presión osmótica en el frente de congelación dificulta en gran medida la migración del agua. Incluso si la salinidad del suelo es muy baja, el potencial osmótico y la migración de sal tienen una fuerte influencia en la migración hidrotermal del suelo. Flerchinger y Saxton (1989) del Servicio de Investigación de Ingeniería Agrícola del USDA establecieron un modelo de simulación numérica de transferencia de agua y calor en el sistema nieve-rastrojo-suelo, teniendo en cuenta el impacto de la sal sobre el agua y la transferencia de calor. Lian y Zeng Dechao (1988) establecieron por primera vez en China el modelo matemático del movimiento del agua, el calor y la sal en suelos congelados. Sobre esta base, Huang Xingfa et al. (1993) realizaron simulaciones numéricas sobre los patrones de movimiento del agua, el calor y la sal en suelos congelados y lograron buenos resultados.
Con base en los avances de la investigación sobre la infiltración y migración de agua congelada del suelo desde la década de 1960 en el país y en el extranjero, se ha llevado a cabo un cierto grado de investigación sobre la teoría, los métodos de cálculo y los experimentos en interiores y exteriores de agua congelada. Se han estudiado el movimiento del agua del suelo y las reglas de movimiento. Se ha logrado una cierta comprensión y se han logrado avances gratificantes. Sin embargo, debido a la complejidad del tema en sí, las limitaciones de los instrumentos y equipos de prueba y el retraso en la investigación, la mayoría de los estudios simulan el proceso de congelación y descongelación del suelo interior. Dado que las condiciones límite de esta columna de suelo de prueba simulada son simples y muy diferentes del proceso de congelación en condiciones naturales, es difícil aplicarlo a la práctica de producción. La ley del movimiento del agua en sistemas de suelos congelados y descongelados en condiciones naturales necesita más estudios. En términos de infiltración y migración de agua en el suelo, hay varios problemas que deben resolverse con urgencia:
(1) La investigación sobre las reglas generales de infiltración de suelo congelado en el campo carece de exhaustividad y sistematicidad. Aunque la investigación sobre pruebas de infiltración de suelo congelado en el campo ha logrado algunos avances en el país y en el extranjero, debido a diferentes propósitos de investigación y factores únicos a considerar, la mayor parte de la investigación se centra en la evaluación o predicción de recursos hídricos regionales en glaciares y áreas cubiertas de nieve.
(2) No hay suficiente investigación ni comprensión sobre los principales factores que influyen en la infiltración de agua del suelo por congelación y descongelación. Por ejemplo, los investigadores comprenden el impacto de la temperatura del suelo en la permeabilidad del suelo congelado.
(3) La investigación sobre el modelo de infiltración de agua del suelo congelado no es lo suficientemente profunda. Aunque es difícil establecer un modelo teórico para describir la infiltración de agua en suelos congelados en el campo utilizando los métodos de investigación existentes, todavía es posible proponer un modelo empírico de infiltración de suelos congelados. Sin embargo, hasta el momento, existen pocos estudios sobre modelos de infiltración de agua en suelos congelados.
(4) Hay una falta de investigación sobre la migración de agua y calor durante la congelación y descongelación a largo plazo del suelo en condiciones naturales, especialmente las características de retención de agua del suelo durante el proceso de congelación y descongelación. y bajo diferentes condiciones de superficie.
(5) La teoría de la migración de la humedad del suelo en condiciones de congelación y descongelación aún no está completa, y la comprensión de su mecanismo físico objetivo inherente no es lo suficientemente profunda. Es necesario seguir investigando los métodos de cálculo numérico rápidos y eficaces, y los resultados de las investigaciones sobre la migración de la humedad del suelo en condiciones naturales combinadas con la producción real son relativamente débiles.