应用有限元法对典型黑土区冻融土壤水热迁移模拟

摘要

土壤颗粒级配通过调控土壤结构与孔隙度，显著影响冻融过程中土壤水热耦合传输机制。以典型黑土为研究对象，通过封闭系统单向冻融试验，结合有限元软件COMSOL建模，系统探究了3种压实密度(1.1、1.2、1.3 g·cm^-3)与3个级配处理（C_c=2.50、2.03、1.60）条件下土壤水热运移规律。结果表明：土壤密度与温度波动范围呈显著负相关（P<0.05），温度对重塑土相变的影响存在时间滞后效应；35 cm土层含水量与不均匀系数呈正相关（P<0.05），伴随冻融次数增加，该土层含水量呈回升趋势（Δθ≈0.14%）。温度模拟精度排序为25 cm层(E_NS=0.797,E_RMS=0.425,E_MA=0.342)最优，其次为35、5 cm土层受边界效应影响精度较低；体积含水量模拟效果从优到劣依次为35、15、25、5 cm土层。研究建立了考虑颗粒级配效应的冻土水热传输数值模型，结果可为寒区黑土水热运移机制解析和冻土多物理场耦合数值模拟提供依据。

关键词

土壤颗粒 / 冻融循环 / COMSOL / 水热迁移 / 黑土区