土壤温度监测范文

土壤温度监测范文（精选7篇）

土壤温度监测 第1篇

镇赉县位于吉林省西部,是一个严重缺水和粮食生产短缺的县市,因此土壤墒情与旱情监测工作对镇赉县的粮食生产具有举足轻重的地位。土壤温度监测工作对作物适时播种,防止粉种、烂种,提高粮食产量都具有十分重要的意义。针对镇赉县的农业发展实际,镇赉县农业技术推广中心在县域范围建立了8个标准的土壤墒情和温度监测站,形成了以农业技术推广中心核心示范园区为龙头的全县土壤墒情与旱情及土壤温度监测网络体系,对镇赉县2009年的抗旱和旱作节水以及作物的安全播种起到了积极的作用。

1 研究方法

镇赉县农业技术推广中心成立专门组织,确定各监测点的操作人员及中心监测数据统计汇总人员,按照试验要求购置了铝盒、玻璃棒、酒精、天平、土铲和用于测定土温的温度计等相关设备,并及时配备给各监测点用于酒精燃烧法测定土壤含水量,保证了土壤墒情与旱情监测工作的顺利开展。经过1年的工作,掌握了大量的第一手宝贵资料。

根据吉林省土肥站相关技术规程要求,制定了适合镇赉县的《镇赉县土壤墒情与旱情监测技术方案》,规定各监测点从4月初备耕开始,到9月末止,每周四定期监测并上报监测数据,每月4次。土壤含水量分别测定20 cm、40 cm等2个土层,测定方法分为仪器容积测定法和酒精燃烧法2种;土壤温度分别测定10 cm、20 cm等2个土层,测定方法为土温计直接测定法。中心核心试验示范园区采取仪器容积测定法测定。各乡站监测点采取酒精燃烧法测定。各监测点的情况见表1。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量

从图1、图2可以看出,镇赉县各时期平均含水量差异较大,在6.3%~18.8%。全年土壤含水量较高的时段在6月中旬至7月初,最低在4月末前和8月初以后。春季较旱,镇赉县旱田全部采取了坐水播种或灌后播种,确保了作物出苗,苗情较好。入伏以后,镇赉县除局部地区外,无大的有效降雨,呈现“掐脖旱”态势,给农业生产造成了较大损失。从全年记录来看,镇赉县普遍较旱,各监测点土壤含水量均在15%以下,目前各地采取的抗旱措施发挥了较为重要的作用。其中的土壤墒情监测为农业生产提供了大量的可靠的科学数据。

2.2 土壤温度

播种过早、土壤温度低是造成镇赉县玉米、高粱等作物毁种的重要原因之一,造成作物播种成本增高,费时费力,浪费积温。生育期内低温也将造成农产品产量品质大幅下降。掌握土壤耕层温度是做到适时播种、适时促早熟的重要依据。从3月19日至9月24日进行了与土壤墒情监测同步的土温监测,每周四的9:00—10:00各监测点同时监测土温。

从图3、图4可以看出,镇赉县2009年春季土壤温度上升较快,但期间有较大幅度的波动,4月末土壤温度稳定通过8℃,此时玉米播种安全。8月中旬后土壤温度开始持续、快速地下降,波动幅度较小。各监测点间平均土温差距较为明显。

3 结论与讨论

镇赉县各时期平均含水量在6.3%~18.8%,差异较大。土壤含水量较高的时段在6月中旬至7月初,最低在4月末前和8月初以后。全年镇赉县普遍较旱,土壤含水量均在15%以下。2009年,镇赉县春季土壤温度上升较快,但期间有较大幅度的波动,4月末土温稳定通过8℃,玉米播种安全。8月中旬后土温开始持续、快速下降,波动较小,平均土温差距明显。根据监测数据,及时编写墒情及土温监测简报,分析墒情数据,得出具有指导意义的结论,使墒情监测工作真正及时准确地为农业生产特别是抗旱节水工作提供了准确详实的数据支持。

摘要：土壤墒情与旱情监测工作是抗旱减灾和旱作节水农业技术推广的基础。通过对吉林省镇赉县不同深度及不同监测地点的土壤墒情温度进行监测与分析,结果表明,镇赉县各时期平均含水量在6.3%～18.8%,全年普遍较旱,土壤含水量均在15%以下;春季土壤温度上升较快,但期间有较大幅度波动,平均土温差距较为明显。为镇赉县土壤墒情合理优化提供科学依据。

关键词：土壤墒情,土壤温度,监测,吉林镇赉

参考文献

[1]田泰坤.土壤墒情与旱情监测[J].吉林农业,2009(12):28.

[2]王四龙,任坤.吉林省中西部土壤墒情分析[J].吉林农业,2008(10):32.

[3]李小琴.秦安县土壤墒情监测工作浅析[J].农业科技与信息,2009(19):48.

[4]裴浩,郝文俊,李友文,等.土壤墒情的监测方法[J].内蒙古气象,1997(6):24-27.

[5]李宏录.土壤墒情观测影响因素分析[J].农业科技与信息,2010(4):19-20.

膜下滴灌棉田土壤温度分布特征 第2篇

微咸水膜下滴灌条件下的土壤水、盐、热分布及运移规律极其复杂, 20世纪以来, 国内外学者就温度与土壤水、盐的相互作用做了大量的研究。在覆盖对土壤温度影响的研究方面, 覆盖具有很好的保温增温效果和一定的保水抑盐作用, 并能有效地缓和土壤温度的日变化, 且不同的覆盖方式中地膜覆盖的效果最为明显[2,3]。在膜下滴灌棉田土壤温度的研究方面, 一些学者从棉田潜热和感热的分配通量展开研究, 分析了田间小气候的变化规律[4,5];一些学者从土壤温度监测入手, 研究淡水膜下滴灌棉田不同深度不同位置的地温分布和日变化规律[6,7,8,9]。在土壤温度对水分的影响研究方面, 部分学者就温度对土壤水分运动[10,11,12,13,14]、土壤水和潜水之间的水分交换[15,16], 土壤水分特征曲线[17,18]、土壤水分扩散率[19,20]、土壤水势[21]的影响开展了研究。在水分对土壤温度的影响研究方面, 一些学者考虑了含水量变化[22]、不同地下水位埋深[23]以及蒸发[24]条件下土壤温度的变化规律。但对土壤温度对盐分的影响研究比较少, 王振华等 (2004年) 对非充分供水条件下温度对土壤盐分中SO42-、Na+、Cl-和Ca2+的运移影响进行了研究[25]。国外比较重视水、热、盐的相互作用及相关参数研究, 如Julia Boike (2008年) 研究了冰冻条件下水、热、盐的相互作用[26];Nidal H AbuHamdeh (2000年) 探讨了土壤密度、水分、盐分和有机质对热容量的影响[27];Guo (2007年) 对盐化土壤的比热进行了研究[28];Y Mori (2003年) 用热脉冲探针[29]、Aaron P Zent (2010年) 利用热、电导探针研究了土壤水、盐、热的参数。

本文以新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理处重点灌溉试验站田间试验实测资料为依据, 探讨微咸水膜下滴灌棉田土壤温度分布特征, 并以淡水灌溉处理作为对照试验, 揭示微咸水膜下滴灌棉田土壤温度变化规律。本文的研究可为探求膜下滴灌棉花的耗水及增产机理提供理论依据, 从而为实际生产提供技术支撑。

1 试验区概况及试验方案

试验区位于新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理处重点灌溉试验站内 (86°09′N, 41°35E′) , 地处亚欧大陆中心, 新疆腹地, 属典型的干旱区暖温带大陆荒漠型气候;年均降雨量58.6mm, 年最大蒸发量2 788.2mm, 年平均气温11.4℃, 总日照时数2 990h;区内灌溉用地下水矿化度为2.98~3.21g/L, 属微咸水, 水化学类型为Cl·SO4-Na。试验区土壤以粉砂及砂壤土为主, 土壤干密度为1.43~1.74g/cm3。

试验棉花品种选用新陆中21号, 采用“一膜双管四行”的种植模式 (见图1) 。棉花窄行和宽行行距分别为20和50cm, 株距10cm;膜宽125cm, 实际覆地宽度为110cm, 膜间宽40cm;采用迷宫式单翼滴灌带, 滴头间距30cm。

试验田于2012年5月4日播种, 5月9日出苗, 6月17日进入蕾期, 7月10日进入花期, 8月6日进入铃期, 9月5日进入吐絮期, 十月收获。试验分为微咸水灌溉和淡水灌溉两种处理, 每个处理设置两个重复。两处理均在膜间 (m) 、苗孔 (mk) 、窄行 (z) 、宽行 (k) 处埋设曲管式地温计, 监测深度分别为5、10、15、20、25cm (见图2) 。棉田设计灌水量为5 250m3/hm2, 滴头流量2.0L/h, 微咸水处理实际灌水量为5 252m3/hm2, 矿化度约2.2g/L, 淡水处理实际灌水量为5 250m3/hm2, 矿化度约0.53g/L, 灌水间隔为5d, 灌溉次数为14次 (见表1) 。

地温观测于2012年5月5日开始, 9月8日结束观测, 于灌后第三日监测土壤温度变化, 8∶00-20∶00每2h监测一次;在铃期的8月15日-8月25日进行加密观测, 其中8月15日、8月20日、8月24日、8月28日监测地温昼夜变化;同时, 田间安装有WATCHDOG自动气象观测仪, 实时监测气温、湿度、降雨、风速、露点、辐射等气象要素。

2 结果与分析

2.1 膜下滴灌棉田土壤温度空间变化规律

利用监测期内每天14∶00的地温监测数据, 分析膜下滴灌棉田宽行、窄行、膜间中心以及苗孔处的地温分布规律。

2.1.1 微咸水膜下滴灌

微咸水膜下滴灌棉田不同深度各空间位置的土壤温度变化规律如图3所示, 从图3中可以看出, 在棉花生长苗期, 不同空间位置的土壤温度变化很小, 总体上表现为覆膜处 (如宽行、窄行) 的地温高于未覆膜 (膜间) , 说明在棉花生长苗期覆膜具有一定的增温作用;在棉花生长中后期不同空间位置的土壤温度变化明显, 在5、15cm深度处, 地温大小的一般顺序为膜间>宽行>苗孔 (窄行) , 窄行与苗孔处地温差异较小, 监测期内15cm深度处膜间平均地温为26.1℃, 宽行平均地温为25.2℃, 窄行平均地温为24℃;25cm深度处地温一般规律为苗孔>宽行>窄行>膜间, 苗孔与膜间的温差可达2℃;随着深度的增加, 各位置的温度差异逐渐缩小。土壤不同深度地温变化是散热和吸热之间的动态变化的结果, 吸热大于散热, 温度升高, 散热大于吸热, 温度降低, 上层土壤吸热和散热向下层土壤传递有一定的滞后和减弱, 这共同构成了棉田不同深度各空间位置地温变化的原因[6]。

图4为不同空间位置各深度棉花生长期的地温动态变化, 从图4中可以看出, 膜间各深度温差最大, 宽行次之, 窄行最小。膜间土壤与大气直接接触, 受气温影响最大, 白天接受太阳辐射增温, 晚上向外辐射降温, 温差最大;窄行土壤由于棉株遮阴作用, 白天增温缓慢且幅度小, 晚上由于覆膜保温作用降温缓慢, 温差最小。表层范围内膜间 (裸土) 土壤水分含量变化大, 水分蒸发严重, 而覆膜能阻止水分向大气中的扩散, 保持土壤的含水量, 增大土壤热容量, 因而温度较膜间低[6]。

2.1.2 淡水膜下滴灌

淡水膜下滴灌棉田不同深度处的土壤温度变化规律如图5所示, 从图5中同样可以看出, 在棉花生长苗期, 覆膜处 (如宽行、窄行) 的地温亦高于未覆膜 (膜间) , 说明在棉花生长苗期覆膜具有明显的增温作用;在棉花生长中后期, 5cm深度处宽行和膜间的温度明显高于窄行和苗孔处, 15cm深度处膜间地温最高, 苗孔处地温最低, 温差约1.5℃;25cm深度各处地温变化规律基本一致, 温差变化不显著。

图6为淡水膜下滴灌棉田不同空间位置棉花生长期的地温动态变化曲线, 从图6中可以看出, 不同空间位置土壤剖面温度的变化在棉花生长苗期明显, 在棉花生长中后期地温变化较为稳定, 宽行土壤温度的变化主要在地表以下0~10cm, 窄行各深度温度的变化较为稳定, 膜间土壤温度的变化主要集中在0~15cm, 15cm以下土壤温度的变化相对较小。

2.1.3 咸、淡水膜下滴灌棉田土壤温度对比分析

由图7可以看出微咸水膜下滴灌棉田各空间位置平均地温变化幅度较淡水膜下滴灌显著, 据统计, 微咸水膜下滴灌棉田地温变化幅度平均为1.8℃, 而淡水膜下滴灌棉田为1.1℃;且同一位置处微咸水膜下滴灌棉田地温高于淡水处理, 其中宽行和膜间均差异0.9℃, 窄行差异0.2℃。不同深度处地温差异明显, 且同一深度处微咸水膜下滴灌棉田地温明显高于淡水处理 (见图8) 。土壤盐分浓度对土壤导热率有明显影响, 主要是由于盐分对土壤微结构的改变所致, 表现为土壤导热率随盐分浓度的增加而降低。微咸水膜下滴灌模式容易造成土壤积盐, 土壤导热率减小, 同一时间自同一深度传输到下层土壤的热量减少;同时由于蒸发作用强烈, 容易造成盐分表聚, 上层土壤的导热率低于下层, 且不同位置处盐分浓度差异明显, 导致上层土壤不同位置处地温差异大于下层土壤。

2.2 膜下滴灌棉花不同生育期地温变化规律

通过监测棉花不同生育期代表性日期地温 (5月31日、6月25日、8月8日、9月8日) , 探讨膜下滴灌棉田不同生育期地温的日变化规律。考虑土壤温度的变化主要在表层, 故仅分析5cm深度处的地温。

2.2.1 微咸水膜下滴灌

由图9和图10可知, 微咸水膜下滴灌棉田苗期地温一般规律为宽行>窄行>膜间, 覆膜的保温作用明显, 有利于棉花的出苗及生长;蕾期地温一般规律为宽行>膜间>窄行 (苗孔) , 一方面进入蕾期后灌溉作用使土壤含水量升高, 土壤热容量增大, 另一方面随着棉株的生长遮阴效果明显, 二者共同构成了蕾期地温分布规律;花铃期以上两方面的作用继续增强, 膜间地温高于宽行和窄行;进入吐絮期棉株覆盖率大, 灌溉水量大幅减少, 宽行、窄行及膜间地温差别缩小, 地温分布规律表现为宽行高于窄行和膜间。由此可见, 气象条件、土壤水分、地膜和棉株覆盖等诸多因素, 共同形成了棉花不同生育期的地温分布规律。

2.2.2 淡水膜下滴灌

由图11和图12可知, 淡水膜下滴灌棉田苗期地温的一般规律为宽行>窄行>膜间, 覆膜增温作用比较明显;蕾期及花铃期地温一般规律为宽行>膜间>窄行, 地温分布规律受作物遮阴效果及土壤含水量共同影响;吐絮期灌溉水量减少, 各位置地温差距缩小, 宽行地温略大于窄行和膜间。

2.2.3 咸、淡水膜下滴灌棉田不同生育期土壤温度对比分析

图13为咸、淡水膜下滴灌棉田5cm深度处不同生育期的平均地温分布规律, 苗期微咸水膜下滴灌地温与淡水膜下滴灌地温基本一致, 主要受气温的控制;蕾期微咸水膜下滴灌地温低于淡水灌溉地温约4.8℃, 地温主要受棉株覆盖率的影响, 蕾期微咸水膜下滴灌棉株覆盖率较淡水滴灌高;花铃期微咸水膜下滴灌地温高于淡水灌溉2.6℃;吐絮期微咸水膜下滴灌地温低于淡水膜下滴灌, 主要原因是土壤含水量对地温造成的影响, 据9月8日20∶00膜间20cm深度处的负压显示, 微咸水处理为26.7mm Hg柱, 而淡水处理为38mm Hg柱, 可见淡水膜下滴灌棉田土壤含水量明显低于微咸水处理。

由以上分析可知, 在棉花不同生育期里, 影响棉田地温分布规律的主要因素有:覆膜、植株覆盖、土壤含水量和气温等;不同生育期里, 起主导作用的影响因子不一样。苗期地温的主要影响因子为覆膜;蕾、花铃期及吐絮期的主要影响因子为植株覆盖及土壤含水量。苗期和蕾期灌溉次数少, 灌溉水量小, 咸、淡水处理对地温的分布规律影响不明显;进入花、铃期后, 灌溉次数增多, 灌溉水量加大, 微咸水灌溉向土壤输入的盐分多, 对土壤结构改变大, 导致土壤导热率减小, 尤其以膜间土壤最明显, 据监测数据, 花铃期微咸水灌溉处理同一位置处地温均高于淡水处理。以膜间5cm深度处为例, 微咸水、淡水处理最低地温均出现在8∶00, 且数值相等, 最高温度出现在16∶00, 微咸水处理与淡水处理最大温差可达3.5℃, 平均温差为1.5℃, 差别显著。

3 结语

覆膜种植改变了水汽的运移通道, 进而影响土壤水分、盐分、温度的分布和运移;表层土壤地温变化幅度较大, 受气象要素影响明显, 深层土壤地温变幅小, 趋向于恒定, 这与张朝勇 (2005年) [6]试验结论一致。土壤不同深度地温变化是散热和吸热之间的动态变化的结果, 吸热大于散热, 温度升高, 散热大于吸热, 温度降低, 上层土壤吸热和散热向下层土壤传递有一定的滞后和减弱, 这共同构成了棉田不同深度各空间位置的地温变化的原因[6]。白天土壤接受太阳辐射而增温, 表层土壤和空气直接接触而吸收太阳辐射, 自身温度增高, 与下层土壤形成温度差, 热量便逐渐从上层土壤转移到下层土壤, 使下层土壤温度有所增高, 由于上层土壤吸收的热量部分用于自身的增温, 只有部分热量传递到下层土壤, 因而上下层土壤热量传递具有一定的滞后和减弱;晚上土壤通过辐射降温, 表层土壤直接和空气接触而释放热量, 与下层土壤形成温度差, 下层土壤不断向上层土壤提供热量。综上所述, 表层土壤地温变化幅度最大, 深层土壤地温趋向于恒定。

微咸水膜下滴灌条件下, 同一深度各位置地温变幅较淡水处理显著, 同一位置不同深度处地温变幅较淡水处理大, 同一深度同一位置处地温表现为微咸水膜下滴灌处理明显高于淡水处理, 微咸水膜下滴灌带入的盐分对土壤温度的分布和运移具有一定的影响。微咸水膜下滴灌模式容易造成土壤积盐, 土壤导热率减小, 同一时间自同一深度传输到下层土壤的热量减少;同时由于蒸发作用强烈, 容易造成盐分表聚, 上层土壤的导热率低于下层, 且不同位置处盐分浓度差异明显, 导致上层土壤不同位置处地温差异大于下层土壤。土壤含盐量增大, 导热率减小, 热容量增大, 则吸收相同的热量时, 高含盐量土壤用于自身增温的热量比例增大, 传递的热量比例减少;释放热量时, 由于自身热容量大, 土壤温度下降较低含盐量土壤缓慢, 因而同一深度同一位置处地温表现为微咸水膜下滴灌处理明显高于淡水处理。气象条件、土壤水分、地膜和棉株覆盖等诸多因素, 共同影响棉花不同生育期的地温分布规律。棉花不同生育期对地温起主导作用的影响因子不同, 苗期地温一般规律为宽行>窄行>膜间, 地温受气象因素影响较大, 覆膜保温作用明显, 有利于出苗及棉花生长;蕾期随着作物的快速生长遮阴效果明显, 地温一般规律为宽行>膜间>窄行;花铃期作物需水量大, 灌溉水量大幅增加, 土壤含水量增大, 土壤热容量增加, 进而影响土壤热传导和温度的变化, 地温一般规律为膜间>宽行>窄行;进入吐絮期棉株覆盖率大, 灌溉水量大幅减少, 宽行、窄行及膜间地温差别缩小, 地温分布规律为宽行地温高于窄行和膜间。花铃期微咸水处理同一位置处地温均高于淡水处理, 差别显著。这与张治 (2011年) [7]试验结论存在差异, 主要表现在蕾期地温的分布规律上, 本文认为蕾期覆膜保温仍然为控制地温的主导因素, 因而宽行地温为最高。

在后续对咸水膜下滴灌棉田地温分布规律的研究中, 要结合气温、水分、盐分、根系、覆盖程度等要素, 研究不同条件下对棉田地温起主导作用的影响因子, 以及影响地温分布规律的机理。

摘要：为了探讨膜下滴灌棉田地温的时空变化规律, 通过在新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理处国家重点灌溉试验站开展微咸水和淡水膜下滴灌棉花大田试验, 定时监测膜下滴灌棉田棉花不同生育期、不同空间位置处的温度。研究结果表明, 表层土壤温度变幅大, 深层土壤温度变幅小;苗期宽行地温>窄行>膜间, 蕾期宽行地温>膜间>窄行, 花铃期膜间地温>宽行>窄行;不同生育期对地温起主导作用的影响因子不同, 苗期地温的主要影响因子为覆膜, 蕾、花铃期的主要影响因素为植株覆盖及土壤含水量, 吐絮期的主要影响因子为植株覆盖;微咸水膜下滴灌条件下, 相同深度不同位置 (宽行、窄行、膜间) 以及相同位置不同深度处地温变幅均较淡水处理显著, 且同一深度同一位置处地温表现为微咸水膜下滴灌处理明显高于淡水处理。

土壤温度监测 第3篇

关键词：耦合,相变,泄漏,扩散,热油,温度场,冻土

0 引言

热油泄漏的污染范围(深度和水平范围)是后期环境修复的基础性数据,泄漏时由于受到环境气候、管道埋深、泄漏位置、泄漏口径及土壤孔隙度等多方面因素影响,以致其泄漏扩散情况迥异[1,2]。本文在前人研究的基础上,通过分析埋地热油管道泄漏的传热和流动问题,建立地下管道泄漏过程流固耦合的相变数学模型,利用CFD软件模拟分析了管道在冬季和夏季两种不同工况的土壤中发生泄漏后,热油在土壤中的扩散传热过程及渗透扩散规律。以期为热油泄漏后污染土壤的范围检测与确定提供理论依据。

1 计算模型

1.1 管道泄漏物理模型

本文研究管道的上点泄漏问题,土壤区域和管道的二维模型区域断面,见图1。根据现场实验测量可知,由于大地本身存在温度场,距地面一定深度处,终年变化温度为1 K,管道散热对此处几乎没有影响,可认为是恒温层;距管道水平径向一定距离处,管道散热量对此处影响非常小,可认为是绝热边界。当管道发生泄漏时,管内流体逐渐向周围土壤渗流,该过程可以看作多孔介质的流固耦合换热问题[3,4,5]。

1.2 数学模型

土壤多孔介质内部流体流动及相变过程十分复杂,有限容积法是处理多孔介质流动相变问题常用的理论方法[6],原油在多孔介质中的渗流过程符合达西定律,相变过程流体密度变化符合Boussinesq假设,忽略由相变融化引起的速度变化。根据有限容积理论,建立的模型控制方程[7,8,9,10]如下

质量守恒方程

$\frac{\partial \rho {}_{\text{f}}}{\partial t}+\nabla \left(\rho {}_{\text{f}}v\right)=0$ (1)

式中 v——流体速度/m·s-1;

ρf——流体密度/kg·m-3;

t——时间/s。

动量守恒方程

$\begin{array}{l}\frac{\partial \left(\rho {}_{\text{f}}v{}_{\text{x}}\right)}{\partial t}+\nabla \left(\rho {}_{\text{f}}v{}_{\text{x}}v\right)=-\nabla p+\nabla \left(\mu \nabla v{}_{\text{x}}\right)+\\ \left(\frac{\mu }{{\rm K}}v{}_{\text{x}}+C{}_2\frac{1}{2}\rho {}_{\text{f}}\left|v{}_{\text{x}}\right|v{}_{\text{x}}\right)+\frac{\left(1-\beta \right){}^2}{\left(\beta {}^2+\epsilon \right)}A{}_{\text{m}}v{}_{\text{x}}(2)\end{array}$

$\begin{array}{l}\frac{\partial \left(\rho {}_{\text{f}}v{}_{\text{y}}\right)}{\partial t}+\nabla \left(\rho {}_{\text{f}}v{}_{\text{y}}v\right)=-\nabla p+\nabla \left(\mu \nabla v{}_{\text{y}}\right)+\\ \left(\frac{\mu }{{\rm K}}v{}_{\text{y}}+C{}_2\frac{1}{2}\rho {}_{\text{f}}\left|v{}_{\text{y}}\right|v{}_{\text{y}}\right)+\frac{\left(1-\beta \right){}^2}{\left(\beta {}^2+\epsilon \right)}A{}_{\text{m}}v{}_{\text{y}}+\rho {}_{\text{f}}g\sigma \left({\rm T}-{\rm T}{}_{\text{r}\text{e}\text{f}}\right)(3)\end{array}$

其中

${\rm K}=D{}_{\text{p}}^2\epsilon {}^3/\left[150\left(1-\epsilon \right){}^2\right]$

C2=3.5(1-ε)/(Dpε3)

$\beta =\{\begin{array}{cc}0& {\rm T}<{\rm T}{}_{\text{s}}\\ \epsilon \left(\frac{{\rm T}-{\rm T}{}_{\text{s}}}{{\rm T}{}_{\text{l}}-{\rm T}{}_{\text{s}}}\right)& {\rm T}{}_{\text{s}}<{\rm T}<{\rm T}{}_{\text{l}}\\ \epsilon & {\rm T}>{\rm T}{}_{\text{l}}\end{array}$

式中 vx、vy——v在x﹑y方向速度分量/m·s-1;

p——孔隙压力/Pa;

μ——流体动力粘度/Pa·s;

K——多孔介质渗透率/m2;

C2——惯性损失系数/m-1;

ε——孔隙率,无量纲量;

β——液相分数,无量纲量;

Am——固液糊状区常数,反映冻结前锋的形态,无量纲量;

σ——流体膨胀系数/K-1;

Dp——粒子直径/mm;

T——流体温度/K;

Tref——流体基准温度/K;

Ts——凝固温度/K;

Tl——熔化温度/K。

能量守恒方程

$\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial t}\left\{\epsilon [\gamma \rho {}_{\text{f}}h{}_{\text{f}}+\left(1-\gamma \right)\rho {}_{\text{s}}h{}_{\text{s}}]+\left(1-\epsilon \right)\rho {}_{\text{p}}h{}_{\text{p}}\right\}\\ +\nabla \left[v\left(\rho {}_{\text{f}}h{}_{\text{f}}\right)\right]=\nabla \left[\lambda {}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\nabla {\rm T}\right](4)\end{array}$

其中

$\rho {}_{\text{s}}=\rho {}_{\text{f}}\left[1-\sigma \left({\rm T}-{\rm T}{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\right)\right]$

$\lambda {}_{\text{e}\text{f}\text{f}}=\epsilon [\gamma \lambda {}_{\text{f}}+\left(1-\gamma \right)\lambda {}_{\text{s}}]+\left(1-\epsilon \right)\lambda {}_{\text{p}}$

式中 γ——液体所占孔隙分数,无量纲量;

hf——液相介质的焓/J·kg-1;

hs——相变后固相介质的焓/J·kg-1;

hp——多孔介质骨架的焓/J·kg-1;

ρs——固相介质的密度/kg·m-3;

ρp——多孔介质骨架的密度/kg·m-3;

λeff——多孔介质的有效导热率/W·m-1·K-1;

λf——流体热导率/W·m-1·K-1;

λs——固相热导率/W·m-1·K-1;

λp——多孔介质骨架热导率/W·m-1·K-1。

1.3 边界条件

$\lambda {}_{\text{b}}\frac{\partial {\rm T}}{\partial r}|{}_{r=D/2}=\lambda {}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\frac{\partial {\rm T}}{\partial r}$ (5)

$\frac{\partial {\rm T}}{\partial x}|{}_{x=-l,x=l}=0$ (6)

${\rm T}|{}_{y=-{\rm H}{}_1-{\rm H}{}_2}={\rm T}{}_{\text{c}}$ (7)

$\frac{\partial v}{\partial t}|{}_{-D/2<x<D/2,y=-{\rm H}{}_1+D/2+a}=v{}_0$ (8)

$\lambda {}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\frac{\partial {\rm T}}{\partial y}|{}_{y=0}=\alpha {}_{\text{k}}\left({\rm T}-{\rm T}{}_{\text{k}}\right)$ (9)

其中

$\alpha {}_{\text{k}}=11.63+7.0\sqrt{w}$

式中 Tk——地表环境温度/K;

αk——地表与空气的对流换热系数/W·m-2·K-1;

w——风速/m·s-1;

D——管道外径/m;

λb——保温层材料导热系数/W·m-1·K-1;

Tc——计算模型下边界温度/K;

r——管道中心至保温层内壁的距离/m;

a——保温层厚度/m;

v0——泄漏口处流体的流速/m·s-1。

1.4 初始条件

T=Tin (10)

式中 Tin——土壤的初始平均温度/K。

2 数值模拟与结果分析

以东北某地热油管道为例,地表距离管道中心深度1.6 m,管道外径720 mm,管外壁包有厚度40 mm的聚氨酯保温层,冬季地表环境温度为253 K,夏季地表环境温度为298 K,地下恒温层常年平均温度为275.4 K,管内热油温度325 K,凝点309 K,泄漏孔直径为30 mm,冬、夏季的地表平均风速为1 m/s,泄漏前冬季土壤平均温度271 K,夏季土壤平均温度283 K。根据管内外压力得出腐蚀穿孔泄漏口流速为0.5 m/s,计算区域为“5 m×5 m”,采用三角形网格对管道周围土壤区域进行单元划分。

图2(a)为泄漏前热油管道冬季长期运行所形成的径向稳态温度场,作为管道泄漏工况的初始条件,对管道泄漏后土壤温度场的变化具有着重要的影响。图2(b)中热油泄漏1 min时,土壤热影响区315 K至280 K的等温线分布密集,且由于泄漏孔位置和管道的作用,热影响区呈扇形区域逐步向四周扩张。从图2(c、d)中不难看出,随着泄漏时间的增加,310 K到305 K的等温线间隔逐渐拉大,原因是热油的凝点(约309 K)正好处于310 K与305 K之间波动变化,所以热油会在这两条等温线所围成的区域内形成动态变化的固液混合区,使热油向外散热的能力下降,最后造成310 K与305 K的等温线间距逐渐变大。另外热油在土壤中的渗透运移呈发散状区域向四周扩散,致使固液混合区以外的热影响区等温线是呈波浪式环绕管道分布,且泄漏热油在重力作用下向下运移的趋势很大,所以越向下等温线波浪效果越明显。

图3(a)为泄漏前热油管道夏季长期运行所形成的径向稳态温度场,等温线分布与冬季冻土稳态温度场相比呈近似的对称状态。泄漏发生后,热油在凝固点以上的热影响区域(310 K以上)与前者冬季泄漏扩散趋势相近,亦是以逐渐增大的扇形区域向四周扩张。但是在固液混合区的外围热影响区的等温线间距明显比冬季宽,即温度梯度小。原因是夏季土壤温度明显高于冬季,热油的温降速率缓慢,造成热影响区等温线分布宽松。

由图4可以看出,热油在冬夏季土壤中的径向扩散速率不同,原因在于热油在冬季冻土中向四周扩散时,扩散区域前锋热油迅速发生相变后凝固,继续向四周扩散需要后续热油不断将温度向前补给以来融化前锋固相原油,冬季土壤温度低造成所需要的热量多于夏季工况,最后致使热油在冬季冻土中的扩散速率比夏季低约3%。

3 结论

根据热油在冬夏季两种土壤中泄漏扩散过程的传热与传质耦合数值计算结果可知:泄漏前,热油管道冬夏季长期运行所形成的径向稳态温度场等温线分布呈近似的对称状态;泄漏发生后,热油凝点以上的液相热影响区域冬夏季等温线分布相似,均是以扇形区域逐步向四周扩张,固液两相区外围的热影响区冬季冻土中的温度梯度大于夏季泄漏工况;热油在冬季冻土中的扩散速率比夏季低约3%。

参考文献

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[3]袁朝庆,庞鑫峰,张敏政.埋地管道泄漏三维大地温度场仿真分析[J].西安石油大学学报:自然科学版,2007,22(2):166-168.

[4]马贵阳,杜明俊,付晓东,等.管道冬季泄漏土壤热波动及原油渗流数值计算[J].西南石油大学学报:自然科学版,2010,32(6):169-174.

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[9]贝尔J.多孔介质流体动力学[M].北京:中国建筑工业出版社,1983.

土壤温度监测 第4篇

地温就是土壤温度, 它是表示土壤热量状况特征的量度, 也是土壤气候资源的重要指标[1]。对于土壤温度分布变化、影响因子、数值模拟及其在气候预测方面的应用, 已经开展了大量研究工作[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。对深圳土壤温度的日变化和垂直结构进行研究, 不仅可以了解该气候区域土壤温度的时间和垂直变化规律, 也可以在此基础上更加精细地设计数值模式中土壤和陆面过程的参数化方法。

本文应用深圳国家气候观象台的地温资料, 分析了深圳秋季三种典型天气条件下地温及其垂直结构日变化规律。

1 观测资料

我们用了深圳国家气候观象台的多层地温在不同天气下的对比。分别应用了2006年10月7日、2006年10月1日以及2006年9月9日, 对应的天气分别为晴天、阴天和阴雨天, 这三天的天气最具有代表性, 最能反映不同天气下的天气特征。10月7日为副热带高压控制下的典型晴好天气, 10月1日为槽前的阴天天气, 9月9日为对流性降水发生的阴雨天。

2 秋季地温及其垂直结构的日变化特征

2.1 秋季晴天地温及其垂直结构的日变化特征

2006年10月6日为典型的副热带高压控制下的晴好天气, 盛行下沉运动, 地面温度较高, 最高地温达到49.6℃。

2.1.1 秋季晴天地温的日变化特征

2006年10月6日21时至7日20时各层地温分布情况, 见图1。

2006年10月6日21时至7日20时, 晴天天气下的地温, 有以下特征:地面温度和浅层地温呈现正弦曲线日变化, 白天振幅高, 夜间较低。以下各层皆有此特征, 但是幅度在逐渐变小。另外, 最低值和最高值出现的时间, 越往低层, 出现时间越晚。同时, 日较差方面, 地面可达28.9℃, 但到了40cm以下, 这个差距被保持在0.1℃以内。

2.1.2 秋季晴天地温的垂直结构日变化特征

2006年10月6日21时至7日20时地温垂直结构可见图2 (a) 、 (b) 、 (c) (d) 。

地温垂直结构也有日变化。11时至17时从地面到40cm土壤, 地温随深度而降低, 40~320cm地温很少有变化。夜间从地面至20cm土壤温度逐渐升高, 到达20cm里达到一个峰值, 之后从20~40cm又逐渐降低, 到达40cm以下, 一直到320cm地温很少变化。8~9时, 以及17~20时, 有上述两个阶段的过度特征。

2.2 秋季阴天地温的日变化及垂直结构特征

2006年9月30日21时2006年10月1日20时, 为阴天天气, 全天的云量厚度都在10-以上, 无降水。

2.2.1 秋季阴天地温的日变化特征

2006年9月30日21时2006年10月1日20时各层地温分布情况见图3。

由图可知, 地面温度以及浅层土壤温度一天中也呈近似的正弦曲线变化, 但具有不规则的特点, 曲线不平滑。地面温度日变化幅度最大, 越往深层, 地温日变化幅度越小。深层土壤温度日变化很小, 40cm土壤温度日变化在0.2℃以内, 而80cm以下土壤层温度日变化在0.1℃以内。由此可见, 短暂的阳光照射造成了不规则的地温曲线, 当短时间内太阳辐射稍微加大时, 地温就可以迅速变化。同时在阴天状况下, 地面地温的日较差只有8.2℃, 比晴天状况下差距明显。同时各层地温的分布特点与晴天下还是有许多相似之处。

2.2.2 秋季阴天地温的垂直结构特征

9月30日2时至10月1日1时地温垂直结构可见图2.2 (a) 、 (b) 、 (c) 、 (d) 。

由图2.2 (a) 可知, 10月1日凌晨, 地面温度要低于浅层地温, 而浅层地温高于深层地温。由图2.2 (b) 可知正午前后几个小时, 由于太阳散射的加热作用, 地面温度高于浅层地温。5cm以下地温逐渐升高。由2.2 (c) 可知1日下午, 地温变化是不规则的。有几个时次出现了相交的情况。另外, 由2.2 (d) 可知傍晚到夜间, 地温结构由地面到深层土壤, 温度逐步升高。阴天条件下地温的垂直结构与晴天条件下有明显的区别。

2.3 秋季阴雨天地温的日变化及垂直结构特征

2006年9月8日21时至9日20时, 为典型的对流性降水, 其中8时降水小时雨强最大, 为13.6mm。其他各个时次都有降水, 但是雨强不是很大。

2.3.1 秋季阴雨天地温的日变化特征

在阴雨天气条件下, 地面温度以及浅层土壤温度一天中不呈正弦曲线变化。地面温度日变化幅度最大, 达到8.1℃ (比阴天状况下小) , 其次是5cm地温, 越往深层, 地温日变化幅度越小。深层土壤温度日变化很小, 40cm土壤温度日变化在1℃以内, 而80cm以下土壤层温度日变化在0.2℃以内。降水时段的垂直结构发生变化, 但不影响深层土壤的分布。

2.3.2 秋季阴雨天地温的垂直结构特征

由阴雨天各层地温日垂直结构分析可知, 9日凌晨, 地面温度低于浅层地温, 而浅层地温高于深层地温。22日正午前后几个时次, 由于散射加热作用, 地温有所上升, 短时间高于5cm浅层地温。5cm以下, 深度越深, 温度越高。22日傍晚以后, 由地面一直到深层土壤, 温度逐步升高。阴雨天条件下的地温垂直结构与晴天条件下的差异非常大, 但与阴天条件下的垂直结构相似。

3 结论与讨论

秋季地温日变化与天气状况密切相关, 不同天气状况, 有完全不同的变化特征, 地温的日变化主要取决于地面与外界的热量交换。

3.1

晴天和阴天情况下, 地面和浅层地温均呈现正弦性曲线日变化, 昼高夜低。地面温度振幅最大, 深度越深, 振幅越小, 位相越靠后, 周期也越长。晴天日变化幅度远大于阴天日变化幅度。阴雨天时, 地面温度和浅层地温没有明显的正弦性性曲线日变化, 除表层地温外, 地温日变化不明显。

3.2

受太阳辐射和散射加热影响, 表层地温会高于浅层地温, 加热作用越明显, 影响时次越多, 深度越深。深层地温随深度逐渐升高。

3.3

无论是晴天、阴天, 还是阴雨天, 160cm以下的深层地温, 其日变化幅度均小于0.2℃。

参考文献

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[4]李栋梁, 钟海玲, 吴青柏, 等.青藏高原地表温度的变化分析[J].高原气象, 2005, 24 (3) :291-298.

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[9]姚正兰, 李勇.深层地温在短期气候预测中的应用[J].贵州气象, 2004, 28 (3) :9-14.

土壤温度监测 第5篇

电加热集输是指用电能补充被伴热物体在输送工艺过程中的热损失, 特点是不掺水直接加热。电加热集输工艺简单, 减少了站内设备处理规模及处理工艺, 与双管流程相比节省一次性投资42%, 与同样环状流程相比, 节省一次性投资5%, 吨油能耗节省了39.1%。单管电加热集油工艺是开发高寒、高粘、高凝、低油气比油田的一种经济有效的集输流程[1]。

电加热已应用于大庆油田、辽河油田等部分油气输送和稠油开采, 但是电加热技术的理论研究还很滞后, 如电加热管道散热问题、保温问题、埋深问题等还没有解决, 这是使其没有得到全面推广的主要原因。在大地自然温度场计算的基础上, 研究电加热集输管道大地温度场的变化是解决这些问题的基础[2]。

1土壤自然温度场

土壤温度受大气温度影响呈周期性变化, 温度变化只发生在深度方向上, 土壤自然温度变化滞后于大气温度变化, 距离地面越深, 滞后时间越长, 并在一定深度的地方年温度变化很小。周期性大地自然温度随深度和时间的理论关系式:

式中y为从地面算起的深度, m;τ1为从一年内日平均温度最高日算起的时间, s;τ0为年计算时间, s;TA为年平均温度, ℃;TAmax为一年内日平均最高温度, ℃;α为土壤的导温系数, m 2/s;λτ为土壤的导热系数, W/ (m·℃) ;α2为大气对地表对流放热系数, W/ (m·℃) 。

2埋地电加热集输管道径向土壤温度场物理模型

当存在埋地电加热集输管道时, 埋地管道如图1所示, 由于管道在集输原油的过程中向外散发热量, 土壤温度场受外界大气和管道的双重影响, 原来的温度场要重新分布, 即由一维变为二维[3]。

图1为埋地电加热集输管道横断面示意图。图中Tf为地表面空气温度, 地面与空气的对流换热系数为α, 大地的导热系数为λ, 埋深为H1+R+δ, 埋地管道的管径为d, 管道截面处油温为Tim, 油品对管壁的对流换热系数为αim, 用管道外壁温度T2i代替电加热器对油品的加热, 保温材料的导热系数为λb厚度为δ。

根据实际测量可知, 距离地面一定深度 H 处管道散热对此处几乎没有影响, 而且此处终年温度变化小于10C, 可认为是恒温层, 温度为Tb, 距离管道水平径向一定距离 L 处, 管道对此处散热影响非常小, 可认为是绝热, $\frac{\partial {\rm T}}{\partial X}=0$;忽略轴向散热, 电加热集输管道的周围温度场分布是以管道的中心对称的边长为 2L 深度为 H 的矩形区域有一圆域散热。所以只考虑对称的一侧即可, 得到简化的物理模型, 如图 2所示。

3埋地电加热集输管道土壤温度场的数学模型

根据以上建立的简化物理模型和边界条件可得到导热微分方程和定解条件, 以便进行数值求解。电加热集输管道稳定运行导热微分方程及边界条件[3]:

$\frac{\partial {\rm T}}{\partial x{}^2}+\frac{\partial {\rm T}}{\partial y{}^2}=0;$

${\rm T}\left|{}_{Y>R+\delta +{\rm H}{}_1}={\rm T}{}_f‚\frac{\partial {\rm T}}{\partial x}\right|{}_{x=L}=0$;

$\frac{\partial {\rm T}}{\partial x}|{}_{x=0,y\in (R,R+\delta +{\rm H}{}_1)}=0$;

$\frac{\partial {\rm T}}{\partial x}|{}_{x=0,y\in (-R,-R-\delta -{\rm H}{}_2)}=0$;${\rm T}|{}_{Y={\rm H}}={\rm T}{}_b$;

Tx2+y2=R2, τ=0=T2i;$\alpha {}_m({\rm T}{}_m-{\rm T}{}_g)=\lambda {}_g\frac{\partial {\rm T}}{\partial r}=R;$

$h({\rm T}{}_{bi}-{\rm T}{}_0)=\lambda \frac{\partial {\rm T}}{\partial r}|{}_{r=R+\delta }$;

$\lambda \frac{\partial {\rm T}}{\partial y}|{}_{y=R+\delta +{\rm H}{}_1}=\alpha ({\rm T}{}_w-{\rm T}{}_f)$。

式中:Tf为环境温度, ℃;λ为大地导热系数, W/ (m·℃) ;δ为保温层厚度, m;T2i为电伴热管道管壁平均温度, ℃;Tb为恒温层温度, ℃;λb为保温层导热系数, W/ (m·℃) ;Tw为大地表面温度, ℃;αin为油品至管内壁的对流换热, W/ (m·℃) ;λg为集输管道的导热系数, W/ (m·℃) ;Tin为管内油流温度, ℃; Tg为集输管道的内壁温度, ℃; R为集输管道的内径, m ; h为保温层与大地的换热系数, W/ (m·℃) ;T0为与保温层接触处土壤温度, ℃;λ为土壤的导热系数, W/ (m·℃) 。

4埋地电加热集输管道土壤温度场的数学模型的求解

采用有限差分法求解, 首先对方程求解区域进行离散化处理, 在此基础上, 将微分方程转化为差分方程。

4.1内部节点差分方程

$\lambda {}_{s}F{}_0[\frac{\Delta x}{\Delta y}\left({\rm T}{}_{i,j+1}+{\rm T}{}_{i,j-1}\right)+\frac{\Delta y}{\Delta x}\left({\rm T}{}_{i+1,j}+{\rm T}{}_{i-1,j}\right)-{\rm T}{}_{i,j}\left(2\frac{\Delta x}{\Delta y}+2\frac{\Delta y}{\Delta x}\right)]=0$; (m)

其中$F{}_0=\frac{1}{\Delta x\Delta y}$。

4.2地面对流边界节点的差分方程

$\begin{array}{l}Q=\lambda \frac{\Delta y}{2}\frac{{\rm T}{}_{i=1,j}-{\rm T}{}_{i,j}}{\Delta x}+\lambda \Delta x\frac{{\rm T}{}_{i,j-1}-{\rm T}{}_{i,j}}{\Delta y}+\\ \lambda \frac{\Delta y}{2}\frac{{\rm T}{}_{i+1,j}-{\rm T}{}_{i,j}}{\Delta x}+a\Delta x\left({\rm T}{}_f-{\rm T}{}_{i,j}\right)=0。\end{array}$

4.3绝热边界节点的差分方程

$\begin{array}{l}\mathbf{F}{}_0[\frac{\mathbf{\Delta }\mathbf{x}}{\mathbf{\Delta }\mathbf{y}}\left(\mathbf{{\rm T}}{}_{\mathbf{i},\mathbf{j}+1}+\mathbf{{\rm T}}{}_{\mathbf{i},\mathbf{j}-1}\right)+2\frac{\mathbf{\Delta }\mathbf{y}}{\mathbf{\Delta }\mathbf{x}}\mathbf{{\rm T}}{}_{\mathbf{i}-1,\mathbf{j}}-\\ \mathbf{{\rm T}}{}_{\mathbf{i},\mathbf{j}}\left(2\frac{\mathbf{\Delta }\mathbf{x}}{\mathbf{\Delta }\mathbf{y}}+2\frac{\mathbf{\Delta }\mathbf{y}}{\mathbf{\Delta }\mathbf{x}}\right)]=0。\end{array}$

4.4保温层上的节点差分方程

$\begin{array}{l}F{}_0[\frac{\Delta x}{\Delta y}\left(\frac{\lambda }{\lambda {}_e}{\rm T}{}_{i,j+1}+{\rm T}{}_{i,j-1}\right)+\\ \frac{\Delta y}{\Delta x}\left(\lambda \cdot {\rm T}{}_{i+1,j}+\lambda {}_e\cdot {\rm T}{}_{i-1,j}\right)-\\ {\rm T}{}_{i,j}\left(1+\frac{\lambda }{\lambda {}_e}\right)\left(\frac{\Delta x}{\Delta y}+\frac{\Delta y}{\Delta x}\right)]=0;\end{array}$

$\lambda {}_e=\frac{\lambda +\lambda {}_b}{2},c{}_e=\frac{3c+c{}_b}{4},\rho {}_e=\frac{3\rho +\rho {}_b}{4}$。

5应用

根据求解过程, 用VB语言编制了电加热埋地管到周围土壤温度场的计算软件, 大庆敖南油田采用电加热集输, 应用此软件计算了敖南油田管线周围温度场, 以茂72井出油管线为例, 计算结果如图3所示, 计算结果实测误差为0.5℃。

6结论

建立了电加热埋地管道土壤温度场计算的物理模型和数学模型;用VB语言开发了电加热集输管道土壤温度场计算软件, 可用以计算一年中任一天某一时刻电加热埋地管道周围土壤温度场的变化, 为解决电加热保温问题、埋深问题奠定了基础。

摘要：在大地自然温度场计算的基础上, 建立了电加热集输管道大地温度场计算得物理模型和数学模型, 采用有限差分法求解模型, 可用以计算一年中任一天某一时刻电加热埋地管道周围土壤温度场的变化, 为解决电加热保温问题、埋深问题奠定了基础。

关键词：电加热,温度场,数学模型

参考文献

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[3]李长俊.埋地输油管道热力计算方法探讨.油气储运.1992; (4) :57—62

土壤温度监测 第6篇

耕作措施通过改变土壤物理结构调节土壤水分含量和温度[8],进而调控农业系统应对干旱和冷害的抵御能力。不合理的耕作措施造成土壤耕层变浅,土壤容重过大,犁底层加厚[9],不仅影响土壤微生物活性,造成土壤肥力下降,还限制了土壤温度的提高和雨水蓄积量。适宜的耕作措施可以有效协调土壤温度和水分平衡[10],为根系充分发育创造良好的生态条件[11],提高作物光合效率[12],增加作物产量[13]。本试验设置6种中耕措施处理,研究不同中耕措施对土壤温度、含水量、大豆产量的影响,为实际生产提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012-2014年在黑龙江省八五三农场进行,地理位置为N46°20′~46°5′,E132°38′~133°15′。属于亚寒带大陆季风性气候区,年平均气温3.7℃,极端最低温度-38.5℃,极端最高温度37.2℃,无霜期125d。年均降水量560.0mm,4-5月份占12.06%,6-8月份占70.24%,9月份占17.69%。试验地土壤类型为黑土,有机质含量高。

1.2 材料

供试大豆品种为当地主栽品种垦丰16。

1.3 方法

1.3.1 试验设计

设置6种不同中耕处理,分别为T1:苗期(V2期)第一遍中耕深松25cm,第二、三遍中耕同正常大田管理;T2:苗期(V3期)第一遍中耕深松25cm,深松后垄沟用耙子搂一遍(将中耕后垄沟大土块搂碎),第二、三遍中耕同正常大田管理;T3:苗期(V3期)第一遍中耕深松10cm,第二、三遍中耕同正常大田管理;T4:苗期(V3期)第一遍中耕深松10cm,深松后垄沟用耙子搂一遍(将中耕后垄沟大土块搂碎),第二、三遍中耕同正常大田管理;T5:苗期(V3期)不深松,只做一遍小培垄(在T1第一遍中耕时进行),以后不进行任何作业;T6:苗期(V3期)不深松,前两次中耕小培垄,第一遍小培垄在T1第一遍中耕时进行,第二遍小培垄在T1第二遍中耕时进行,第三遍大培垄。

采用大区对比方式进行,每个大区40行,行距0.65cm,行长50m。每个处理3次重复,随机区组排列。

1.3.2 测定项目与方法

土壤温度和含水量的测定:每个小区均匀选取3个点,埋设地温计,自V3期开始记为第0天,以后每隔4d测量土壤温度和含水量。选择8∶00和15∶00观测5、15、25cm土壤温度,并采用烘干法测量5、15、25cm土壤含水量。

幼苗形态指标测定:每个小区均匀选取3个点,在R1期选取有代表性的大豆10株,测量株高、茎粗、干重和鲜重等形态指标。

考种:每个小区均匀选取3个点,每个点选取10m长具有代表性的区段统计大豆株数,据此计算出单位面积大豆株数。选取有代表性的大豆10株,测量株高、底荚高度、单株荚数、单株粒数、百粒重,计算产量。

1.3.3 数据分析

采用Excel 2010进行作图,SPSS16.0进行数据处理和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同中耕措施对大豆田土壤温度的影响

从图1看出,8∶00和15∶00各处理5cm耕层土壤温度随时间推移整体呈上升趋势,但处理之间存在差别,整体来看T1和T2处理在22d之前的观测值均较其它处理高,并且T2处理在22d后仍表现出一定优势。12d以后T6处理的大部分观测值高于除T1和T2以外的其它处理,而其它处理5cm耕层土壤温度一直维持相对较低的水平。

图1 不同中耕处理对5cm耕层土壤温度的影响Fig.1 Effect of different intertillage treatments on soil temperature of 5cm soil layer

从图2和图3看出,与5cm耕层土壤温度相似,整体来看T1和T2处理15和25cm耕层土壤温度较其它中耕处理高。说明,适当深度的深松和耱地处理较其它中耕措施更有利于提高5、15、25cm耕层土壤温度,而多次培垄也可在一定程度上促进5cm耕层土壤温。

2.2 不同中耕措施对大豆田土壤含水量的影响

从图4看出,T1和T2处理5cm耕层土壤含水量较其它中耕处理高,并且T2处理对于15cm耕层土壤含水量也起明显促进作用,而25cm耕层土壤含水量在各处理间无明显规律性。据此说明,适当深度深松和耱地处理较其它中耕措施更有利于提高5和15cm耕层土壤含水量。

2.3 不同耕作措施对大豆生长的影响

从表1可知,对初花期不同中耕处理大豆植株生长相关指标进行比较可知,株高、茎粗、地上部鲜重、地下部鲜重在各处理之间无显著差异,但值得注意的是T1和T2处理在数值上较其它处理高。主茎节数则以T1和T6处理最小,其它处理间无差异。据此说明,适当深度深松和耱地处理较其它中耕措施更有利于促进大豆生长。

图2 不同中耕处理对15cm耕层土壤温度的影响Fig.2 Effect of different intertillage treatments on soil temperature of 15cm soil layer

图3 不同中耕处理对25cm耕层土壤温度的影响Fig.3 Effect of different intertillage treatments on soil temperature of 25cm soil layer

2.4 不同中耕措施对大豆产量的影响

从表2可知,对收获期不同中耕措施处理大豆植株形态指标和产量进行方差分析可知,虽然各处理株高间无显著差异,但T1和T2处理在数值上略大于其它处理,而底荚高度则以T2处理最小,T5处理最大。

单株荚数在不同中耕处理间存在较大差异,其中T2处理最大,显著高于除T1处理以外的其它处理,T1处理次之,T5处理最小。单株粒数也以T2处理最大,T1处理次之。而百粒重则以T6处理最大,但处理间无显著差异。最终产量以T2和T1处理最高,显著高于其它处理,T5处理最低。

表1 不同中耕处理对初花期大豆生长相关指标的影响Table 1 Effect of different intertillage treatments on growth of soybean and related index at R1stage

平均值±标准误;小写字母表示5%显著水平。下同。Means±standard error,lowercases show significant difference at 0.05level.The same below.

图4 不同中耕处理对土壤含水量的影响Fig.4 Effect of different intertillage treatments on soil water content

表2 不同中耕处理对大豆产量的影响Table 2 Effect of different intertillage treatments on soybean yield

3 结论与讨论

土壤温度监测 第7篇

关键词：土壤源热泵系统,土壤平均温度,埋管布局,TRNSYS

引言

从20世纪初佐伊利[1]提出土壤源热泵应用的思想开始至今,土壤源热泵凭借其良好的节能性能、突出的环保特性以及稳定的运行特点,在全世界范围内得到了广泛关注与应用。1998年美国供暖制冷空调工程师学会(ASHRAE)的优秀设计项目的其中一项就授予了土壤源热泵工程[2]。在中国,考虑到人口密度、地理位置及环境因素等影响,在不同地区土壤源热泵地埋管的吸热量与放热量存在差异,造成土壤源热泵长期运行中引起土壤温度场的改变进而影响热泵的工作效率,已经成为制约土壤源热泵系统发展的关键问题[3]。

文中主要针对严寒地区(热负荷占优地区),在仅考虑冬季热负荷排除埋管管群之间热作用影响的情况下,从影响土壤温度分布的各种因素诸如钻孔间距、钻孔数量以及钻孔深度着手进行研究分析。

1 土壤源热泵系统仿真模型的建立

1.1 建筑模型的建立

建立一个别墅型建筑模型,所在城市为沈阳市,其建筑面积为300m2,建筑围护结构热工信息如表1所示。在此基础上,运用De ST模拟软件计算出该模型的全年逐时热负荷,如图1所示。全年最大热负荷29.73k W,冬季室内设计计算温度为18℃,冬季采用地板辐射供暖方式,用户侧入口温度为45℃。为满足最大热负荷,选择型号为WP-WE100的涡旋式地源热泵机组。制冷量为24.9k W,输入功率为5.9k W。制热量为34.3k W,输入功率为8k W。

对于排除埋管换热器管群之间的热作用影响情况进行如下分析。在计算最大负荷的基础上,应用式(1)计算出埋管换热器的最大吸热量,运用Fluent模拟软件对土壤源热泵地埋管所影响的土壤进行温度分布分析。首先应先在Gambit中建立与实际情况一致的模型,文中主要分析埋管周围土壤温度的分布情况,对于竖直方向温度变化不做重点分析,而且如果建立与实际完全一致的模型,在网格划分以及边界条件设定等方面会相当复杂,对计算机硬件要求也较高更会加大模拟时间,所以建立如图2、图3所示,双U型管为半径为0.016m的圆,回填土区域为半径0.06m的圆,土壤区域为边长20m的正方形,形成二维埋管换热器以及周围土壤模型进行模拟,这样大大减少了网格划分的数量,更缩短了计算时间。土壤温度场模拟结果如图4所示。

式中:Q'—最大吸热量,k W;

Q—最大热负荷,k W;

COP—制冷效率;

Qs—输送过程热损失,k W;

Qb—水泵释放热量,k W。

由图4可以看出:在一个供暖季后,土壤远边界温度为285.73K与土壤原始温度286K相比下降不足1K,可以近似认为地埋管热作用没有影响到这里,即可以认为地埋管热作用半径不足10m(以其中一根管所在位置为圆心)。根据以上模拟结果,在建筑最初进行规划时2栋建筑之间的距离不应小于20m,这样就排除了管群之间热作用的影响,之后就可以以一栋单体别墅的土壤源热泵系统进行模拟分析。

1.2 仿真模型的建立

TRNSYS模拟软件进行模拟时认为所有系统均由若干个模块组成,即模块化的分析方式,一个模块实现一种特定的功能,给定输入条件即可对整个系统进行瞬时模拟分析。

文中应用TRNSYS16来进行土壤源热泵系统土壤热平衡问题分析,热泵系统结构图。其中应用到的模块主要有:

1)Type557a(Vertical U-Tube Ground Heat Exchanger),即竖直U型管换热器。其中应用DST(Duct Ground Heat Storage)模型[4],即将热量直接储存在土壤中的地埋管蓄能模型,为了简化模型地埋管同周围土壤之间的换热过程视作纯导热过程。

地埋管换热器的设计是通过地埋管设计公式[5]计算后得到钻孔数、钻孔深度以及埋管长度等参数,另外,根据《地源热泵系统工程技术规范》规定,取得埋管间距、钻孔间距以及埋管管径等数值,作为模块的输入参数。具体参数如表2所示。

土壤作为埋管换热器与之换热的载体,分析所在区域的地质条件显得尤为重要,沈阳为严寒B类地区,其土壤参数如表3所示。流入地埋管的循环液选择凝固点较低的浓度为30%的乙二醇水溶液,其物理性质如表4所示。土壤源热泵系统结构图如图5所示。

2)Type668(Water to Water Heat Pump),即水水换热型热泵。使用时需根据选好的热泵机组生厂商提供的运行数据,按照软件规定的格式修改热泵的外部文件。

3)Type9a(Data Reader For Generic Data Files(Free format)),即文件读取器。

4)Type14k(Heating Season Forcing Function),即供热季控制信号。

5)Type114(Single Speed Pump),即单速泵。

2 土壤源热泵系统运行分析

以埋管布局方案为条件,分析土壤温度场的变化情况。将各埋管参数依次输入至TRNSYS中,模拟时间从当年11月1日起至次年10月31日止(时间限为1a)。得到土壤平均温度变化曲线并进行分析。

2.1 钻孔间距对土壤平均温度的影响

根据《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2009)[6]规定,竖直地埋管换热器埋管深度宜大于20m,钻孔直径不宜小于0.11m,钻孔间距应满足换热需要,间距宜为3~6m。如果钻孔间距取得过小,钻孔之间的换热干扰便会加大不利于冬季取热,过大则需要较大的占地面积,所以应综合实际情况选择适宜的钻孔间距。文中模拟钻孔间距从3m增加到6m,每隔1m进行1次模拟,模拟结果如图6所示。整理数据如表5所示。

℃

从图6中可以看出,在钻孔个数和埋管深度不变的条件下,增大管间距有利于土壤平均温度的提高,也就是说较大的埋管间距更有利于土壤在非供暖季的自我恢复。结合表5、图6可以发现在运行1a后,土壤温度虽然有不同程度的降低,但随着埋管间距的增加,运行周期末的土壤平均温度逐渐加大,土壤温降(土壤初始温度和恢复期后土壤平均温度的差值)逐渐减小。由此来看,钻孔间距增加时,土壤温降幅度有所增加。这与一般思考认为随着埋管间距的增加,土壤温降的幅度应该减少相悖。进而继续模拟埋管间距分别为7m、8m以及9m时土壤平均温度情况发现,当埋管间距分别为7m、8m、9m时,土壤温降分别为4.454℃、3.723℃、3.142℃,土壤温降幅度在埋管间距从6m增加到7m时达到最大,继续增加埋管间距虽然土壤温降逐步缓解,但同时增大了占地面积得不偿失。对于文中模拟结果,如果占地面积允许则应选择7m的埋管间距进行设计。

2.2 钻孔数量对土壤平均温度的影响

在其他参数不变的情况下,改变钻孔数量,观察土壤平均温度的变化情况,利用TRNSYS模拟软件得到的结果如图7所示。从图7中可以看出,在运行1a的时间内,随着钻孔数量的增多,土壤平均温度亦有所增加。当埋管数从4增加到7时,土壤温降从9.99℃降低到8.086℃。这说明虽然埋管数量增加,系统整体的取热量加大,但土壤温度降低幅度仍然得到很大的改善。

2.3 钻孔深度对土壤平均温度的影响

在其他参数不变的情况下,改变钻孔深度,观察土壤平均温度的变化情况,利用TRNSYS模拟软件得到结果。图8所示为在相同13℃的土壤初始温度下,钻孔深度分别为65m、70m、75m以及80m时土壤平均温度随时间的变化。可以看出,在系统运行一个供暖季后,土壤温度达到的最低值分别为-11.10℃、-9.411℃、-7.941℃以及-6.567℃。在随之而来的过渡季与夏季土壤温度开始回升,回升后温度分别达到3.01℃、3.687℃、4.276℃以及4.796℃。虽然增加埋管深度有利于提高土壤的平均温度,但增加幅度较小,从投资费用方面考虑宜选择深度较小的埋管进行设计。

3 结语

利用TRNSYS模拟软件建立土壤源热泵系统仿真模型,通过对埋管换热器布局形式分析,得到土壤平均温度的分布情况,为以后研究土壤在恢复期的恢复能力做好前期准备,具体结果如下:

1)当钻孔间距从3m增加到6m时,土壤温降从9.99℃提高到5.412℃,运行1a后周期末温度值从3.01℃回升到7.588℃,提升了152%。

2)当钻孔个数从4个增加到6个时,土壤温降从9.99℃提高到8.086℃,运行1a后周期末温度值从3.01℃回升到4.917℃,提升了63%。

3)当钻孔深度从65m增加到80m时,土壤温降从9.99℃提高到8.204℃,运行1a后周期末温度值从3.01℃回升到4.796℃,提升了59%。

4)结合3组埋管布置形式来看,改变钻孔间距对土壤平均温度的影响要大于改变钻孔数量以及钻孔深度。

参考文献

[1]李元旦,经旭.土壤源热泵的国内外研究应用现状及展望[J].制冷空调与电力机械,2002,23(1):4-5.

[2]David R Dinse.Geothermal systems for school[J].ASHRAE,1998,(5):52-54.

[3]王辉.严寒地区土壤源热泵系统供暖长期运行性能特性分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[4]Hellstrom G.Duct ground heat storage model manual for computer code[D].Sweden University of Lund,1989,35-39.

[5]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.