冻融土壤水热盐耦合迁移问题的研究方法

研究冻结条件下土壤水热盐变化规律的方法有实验分析法和理论分析法。实验分析法通过冻融季节土壤水分、温度、盐分动态变化过程的监测，分析土壤水热盐状况及其变化规律（黄兴法等，1993；尚松浩等，1995；郑秀清等，2000）。由于实验规律大多是在一定的小气候条件下分析得到的，因此其成果的应用有一定的局限性。理论分析法则利用土壤水动力学基本原理，通过建立冻融土壤系统水热盐耦合迁移的数学模型，用数值模拟方法求解该模型，进而分析土壤水热盐变化规律。理论分析方法具有一定的普遍性和灵活性，可用于模拟不同气候、不同土壤、不同耕作条件下的水热盐运动规律，而不受具体试验条件的限制，因此越来越受到人们的普遍重视。

目前，用于描述冻融过程中土壤水热盐耦合迁移的数学模型主要有两类：基于多孔介质中液态水分的粘性流动、热平衡原理的Harlan模型（Harlan，1973）和应用不可逆热力学原理描述土壤水热通量的热力学模型（Kung和Stenhuis，1986）。

冻融期土壤水、热、盐运动可以分为两个方面，即冻土层中的水热盐运动和非冻层中的水热盐运动。关于非冻层中的土壤水热盐运动，国内外已进行了大量的研究，并取得一定的研究成果，而冻土层中的土壤水热盐运动，则起步较晚，研究成果相对薄弱。

关于冻土水热盐运动，本文对实际问题作如下的基本假设：

（1）土壤介质在冻结过程中是刚性的，即土体不发生变形；

（2）冻土中只有液态水（即未冻水）和气态水的运动，冰是固定不动的，冻土中的未冻水含水率与土壤负温处于动态平衡状态；

（3）冻土中的水分通常以冰-液-汽三相共存。土壤水分由液态变成冰时，盐分将从冰相中析出，盐分只溶解于未冻水中，因此冻土中的盐分运动仅在液态水中进行；

（4）水、热、盐的运动主要发生在垂直方向，可近似为一维问题；

（5）本模型的研究主要是为了农业生产田间土壤实际应用的目的，因此不考虑冻胀和冰凌对液态水运动及液态水中盐分的影响。

下面将以Harlan模型为基础，建立冻融土壤系统中水、热、盐运动基本微分方程及其耦合迁移的数学模型，并根据应用实际对模型进行简化，采用Newton-Raphson迭代法进行求解。经室内、外试验结果的田间检验与验证之后，将模型用于模拟、预报冻融过程中土壤水分、温度及盐分的动态变化规律。