土壤温度场（共8篇）
土壤温度场 篇1
1 前言
原油管道输送含蜡原油时采用加热输送的工艺, 输送温度是保证管道运行安全性及节能降耗的重要指标。管道运行一定时期, 需要对管道防腐层进行修缮, 大修工程会挖开管线周边土壤, 造成管道成为了架空管道, 管线裸露在大气中, 导致原油温降加快。此时, 为保证管道的安全性一般需提高输送温度。工程结束后, 周边土壤对管线又有了一定的保温作用, 管线—土壤温度场有一个慢慢恢复的过程。如何监测这一变化过程中原油温度变化是输油生产者和研究者比较关心的问题。但是对沿线的原油温度进行测量是不现实的, 目前研究者通常采用建立数学模型, 利用数值方法, 求得不同运行工况下管内原油及管外土壤的温度变化。然而, 长期以来, 数值计算的结果得不到充足的现场数据验证, 计算程序的应用性和可信度受到限制。在管内油温不可测得的前提下, 测量管道周围土壤温度场, 将实测结果与计算结果进行验证, 对计算程序进行调试, 使程序更适合于现场实际。因此本研究具有重要工程应用价值。
2 热电偶测温原理
热电偶的测温原理是基于热电偶的西贝克 (Seebeck) 效应, 两种不同的导体或半导体材料A和B组成图1所示的闭合电路。如果A和B所组成的回路, 两个接合点处的温度T和0T不相同, 则回路中就会有电流产生, 也就是回路中会有电动势存在, 这种现象叫做热电效应。热电效应于1821年首先为Seeback发现, 故又称为Seeback效应。由该热电效应所产生的电动势, 通常称为热电势, 常用符号EAB (T, 0T) 表示。热电势的大小由两接触点的温度函数差决定, 现有理论已经证明热电势是由接触电势和温差电势两部分组成[6]。
3 热电偶测温装置在土壤温度测量中的应用
安家荣[1]在中洛线对土壤温度进行测量时, 采用热电偶测量装置, 其测量的基本原理是利用热电偶性质, 记录工作端 (热端) 测量的热电势, 然后从分度表中查得热电势所对应的温度。它是一种有效的测试方法, 可用于土壤和保温材料的现场和实验测定, 具有实用仪器简单, 测定时间短, 准确度较高等优点, 在测定土壤导热系数时, 基本保持土壤原状, 使测定结果更符合实际情况。探针测量系统主要由测温探针、二次仪表、热电偶冷接点补偿装置和多路切换开关箱组成。
测温探针一般采用直径为10m m的不锈钢管和直径为0.3m m的一级铜-康热电偶制作而成, 探针长度可根据具体情况确定, 一般为1.5—2.0m。
制作探针, 首先在不锈钢管的一侧每隔一定间距钻直径为1.5m m的小孔, 然后将热电偶通过小孔用树脂胶固定在不锈钢管上, 热电偶与管壁之间用塑料套管绝缘。为了保证热电偶与土壤接触良好, 使热电偶头部稍露出管壁, 并用树脂胶涂敷绝缘和密封。热电偶引线从不锈钢管内部引出, 固定在位于不锈钢管一端 (上端) 的接线盒中, 不锈钢管的另一端 (下端) 用铜制锥形堵头密封, 这样便制成了一根完整的探针。每根探针上的热电偶数一般为7—9个, 热电偶间距由下端至上端逐渐增大, 一般为15—30mm。
测温二次仪表可以采用电位差计 (如UJ-36型电位差计) 、分辩率为微伏级的数字电压表或数字万用表, 在有交流电源的地方采用数字电压表或数字万用表, 在无交流电源的地方采用电位差计, 热电偶的冷接点可以采用冰点温度补偿或补偿电桥法补偿。测温时, 将探针的每个热电偶的引线通过多路切换开关连接到二次仪表上, 由二次仪表测取每个热电偶的热电势, 然后根据热电偶的热电势与温度的关系将热电势换算成对应的温度 (应用热电偶分度表) , 即可得到管道周围土壤的温度分布。
4 本研究中测温装置及实验数据分析
为测量管道周围土壤温度场, 配合某输油管线防腐层大修工程, 在各管线不同位置选择有代表性的地段, 安装热电偶测温装置, 用以测量不同季节、不同运行工况下, 热油管道周围土壤温度的变化。在某输油站出站处安装了第一个测温装置, 并在某一段时间内, 进行了连续测量, 得到了大量的土壤温度数据。
(1) 测温装置组成
整个测温装置有测温热电偶、数字记录仪以及辅助测量装置等部分组成。测温热电偶采用铠装隔爆式铂电阻 (见图2) , 其组成分别为放爆挠性管、防爆隔离密封头、DN20镀锌钢管以及铂电阻触点。如图3所示, 安装时, 铂电阻固定于测温附属装置, 通过电缆与多路温度温差显示记录仪 (图4) 相连接。温度记录仪工作环境温度在0℃-50℃, 安装于仪表箱内 (图5) 。
(2) 测温点布置
管道周围土壤温度场内测温热电偶主要按5个方向 (图6) 布置, 每个方向布有数量不等的热电偶。在出站处测温装置安装中, 共布置了35个热电偶, 其中A向5个, B向5个, C向9个, D向8个, E向8个, A-E向各热电偶距钢管外壁的距离分别为:
(3) 数据分析
一、不同测量方向上土壤温度的变化
管道长时间稳定运行后, 管道周围形成一个稳定的土壤温度场。图7为冬天断面上各热电偶测得不同方向上土壤温度变化。在图中可以看到管道周围土壤温度分布的一些规律:
(1) 随着距管道外壁距离的增加, 土壤温度逐渐降低, 其温降幅度也逐渐减小。以图7中C向各测温点为例, 钢管外壁 (301#) 温度为51.4℃, 距离钢管0.1m (302#) 处温度为42.0℃, 其温降幅度为9.4℃;而307#与308# (二者之间距离为0.2m) 之间的温降幅度为2.2℃。当土壤距离管道一定距离时, 其温降幅度可以忽略, 在该距离之内则为热油管道的土壤热影响区域。可见, 该管道的土壤热影响区域在距管外壁1.1m之外, 具体范围还需数值计算结果与现场测试数据的进一步验证。
(2) 以距钢管外壁0.5m位置为界, 在距钢管外壁0.5m的土壤区域内, 各方向温度变化曲线比较密集, 在距钢管外壁0.5m以外的土壤区域, 温度变化曲线比较稀疏。表3.2.2为沿管道周向距管外壁相同距离的不同测温点的测试温度比较。表中数据显示, 在距钢管外壁0.5m以内的区域, 其温差在2.0℃左右, 而在0.5m以外至1.1m, 其温差逐渐增大至6.9℃。以上数据表明, 距钢管外壁0.5m之内的土壤区域内, 土壤温度主要受到管道散热的影响, 基本不受环境变化的影响;而在0.5m以外的区域, 环境条件对土壤温度的影响程度逐渐增大。
(3) 沿管道周向距管道相同距离的不同位置处, 土壤温度存在着差别, 即管外的土壤温度分布并不是一个规则的同心圆分布。这是由于管外土壤温度场是管内原油散热与土壤自然温度场叠加而成, 不同深度处土壤自然温度的不同导致管外土壤温度分布并不规则。
二、管内油温变化对土壤温度的影响
管道运行过程中, 由于季节变化、输量调整、工况改变等因素, 出站温度经常发生变化。管内原油温度的变化, 必然引起管外土壤温度的变化。管内油温发生变化时, 管道不同位置处的土壤, 其温度变化的幅度是不同的。图8为某日管内油温发生变化时, 管外C向各热电偶所测得土壤温度的变化。图中可以看到, 该段时间内, 钢管外壁温度变化比较剧烈, 有两个比较明显的下降过程, 而管外土壤温度变化趋势比较平缓, 且距管外壁距离越远, 温度变化的趋势越小。随着距钢管外壁距离的增加, 土壤温度降低的幅度逐渐减小, 从301#-308#, 土壤温降幅度从6.8℃减小到0.5℃。考虑到整个土壤自然温度 (309#, 温降幅度为0.5℃) 的降低, 则自305#以外, 土壤温度基本不发生变化。即管内原油温度的变化对土壤温度的影响区域大致为0.5m左右。
三、管道埋深处土壤自然温度测量
测温装置中, 309#测温热电偶距离管道中心5m以外, 距地表1.5m, 用来测量管道埋深处土壤自然温度。表1为测量过程中不同时间测得管道埋深处土壤自然温度统计平均值。表内5组数据中, 10月28日土壤自然温度最大值与最小值相差最大, 为1.3℃;11月8日土壤自然温度最大值与最小值的相差最小, 为0.5℃。可见, 土壤自然温度在一天内变化幅度不大, 所以近似认为其在一天内是不变的。同时, 对大量的原始测量数据进行平均, 可以尽量减小仪器测量误差以及意外因素的影响, 因而采用每天测得所有数据的统计平均值可以作为管道埋深处的土壤自然温度。
对本次测量过程中每天的土壤自然温度测量数据进行统计平均, 所得各天土壤自然温度画成图, 即图9。图中可以看到, 随着测量过程的进行, 管道埋深处的土壤自然温度逐渐降低。从10月21日至11月29日, 土壤自然温度从17.3℃降低至12.2℃, 温降幅度为5.1℃。考虑到测量时间为土壤自然温度一年内变化比较剧烈的时间, 可认为管道埋深 (距地表1.5m) 处土壤自然温度的日变化幅度大致为0.1℃。
5 结论与建议
现场测试数据显示, 正常运行状态下本测温装置能够对热油管道周围土壤温度场进行测量, 所得数据其精度能够满足数值计算的要求。与资料显示的土壤温度场变化情况基本一致。通过现场测温及对测量数据的分析, 对铁秦线管道土壤温度分布和变化规律有了比较深入的认识。根据以上分析, 主要得到以下几点结论:
(1) 管外土壤温度场由土壤自然温度场与管道散热形成的温度场叠加而成, 管外土壤的温度分布并不是规则的同心圆形状。在距管道外壁0.5m之内的区域内, 土壤温度主要受管内原油散热的影响, 在距管道外壁0.5m之外的区域, 土壤温度受到外界环境的影响较大。
(3) 管外土壤温度随着管内原油温度的变化而变化, 其温降幅度要远远小于管内油温变化, 且具有一定的滞后时间。
(4) 一天之内, 大气温度变化剧烈, 而管道埋深处的土壤自然温度在一天内的变化幅度不大。大气温度的日变化对表层土壤温度的变化有较为明显的影响, 对深层土壤温度的影响存在一个滞后时间, 且随深度增加, 滞后时间变大。
由于这是首次在热油管道上安装测温装置, 目前仍有以下几个问题需要引起注意:
(1) 管道不稳定运行工况 (停输再启动过程) 中土壤温度变化数据不够丰富。由于缺乏更为丰富的现场报表数据, 目前还不清楚在本次测量过程中是否存在停输再启动过程, 在本次测量过程中的有两次比较大的温度突降过程, 分别为下降6.7℃与下降5.7℃, 但温度降低的原因是由于管道停输还是工况调整, 仍需进一步的落实。
(2) 土壤下沉对测温装置的影响。在测温装置安装过程中, 必然要对该处管道进行大开挖。回填后的土质较开挖前土质疏松, 随着时间的推移, 土壤土质有一个恢复密实的过程, 即回填处土壤必然下沉。由于热电偶为两条极细的导线焊接而成, 土壤下沉存在将导线拉断的可能。在施工过程中曾发生过一起导线拉断导致热电偶不能正常工作的例子, 因此这个问题需要在施工与后续的仪表维护中加以注意。
(4) 大气温度测量热电偶的改进。大气温度的测量应保证测温热电偶不受太阳的直射, 在安装过程中将其安置于外保护箱的背面, 但太阳照射所造成的热传导仍导致602#远远高于实际温度。为此, 建议在后续装置的安装过程中, 在测温热电偶的镀锌钢管与外保护箱之间, 添加一定的绝热措施, 以保证大气温度测量的准确性。
摘要：原油管线一般采用加热方式输油。管线运行一段时期后, 管道外防腐绝缘层会逐年老化, 影响管线正常运行, 因此需要有计划地安排防腐层大修。大修时, 热油管线与土壤建立的稳定温度场遭到破坏, 为了保证管线安全生产运行, 常常需要对管线周围土壤温度场进行测量。以便监测管道内原油温度的变化。在本文中, 详细查阅了大量有关热电偶和土壤温度场的资料, 掌握了热电偶测温原理及测温方法, 并在实践中进行应用。通过查阅前人关于土壤温度场的研究, 对管道周围土壤温度的分布情况有了较为深刻的理解和认识。并分析了采用热电偶测温装置测得的土壤、大气温度数据, 得到了管道周围土壤温度场分布的一般规律及其影响因素。
关键词：土壤温度场,热电偶,数据分析
土壤温度场 篇2
考虑到秦岭地形对温度场的影响因素,以主分水岭为界分为南北两部分,在普通插值的基础上,采用一种基于DEM的辅助插值方法,同时考虑秦岭南北坡坡向的差异,对秦岭的温度场进行了模拟.采用气象观测站点数据和格网精度为100 m的DEM数据,利用GIS空间分析方法,模拟了秦岭的温度场,并对模拟结果进行了交叉验证分析.实验表明,基于DEM的`秦岭温度场模拟,结果较精确地反映秦岭山地的温度场分布特征,同时验证了秦岭对南北气温具有明显的分异作用和气候效应.
作 者：莫申国 张百平MO Shenguo ZHANG Baiping 作者单位：莫申国,MO Shenguo(重庆工商大学旅游学院,重庆,400067;中国科学院地理科学与资源研究所,资源与环境信息系统国家重点实验室,北京100101)
张百平,ZHANG Baiping(中国科学院地理科学与资源研究所,资源与环境信息系统国家重点实验室,北京100101)
土壤温度场 篇3
地源热泵以其高效节能的特点得到广泛利用, 地埋管作为重要的组成部分,其效能主要受地下温度场的影响,由于冬夏季负荷不平衡,地埋管管群经过长 期的运行 使得土壤 产生了冷 热量的累 积[1]。而地下水渗流利于热量的扩散,可以减缓或抑制冷热量的累积效应。Eskilson[2]和Claesson[3]提出了地下水渗流对地埋管换热器影响的分析模型。王沣浩[4]等研究表明,地下水渗流可以削弱管群在垂直于渗流方向上的热影响,增强了沿渗流方向的热影响。刁乃仁[5]等得出地下水渗流越大,温度场变形越显著,达到稳态的时间越短,稳态过余温度越低。Enzo Zanchini[6]等表明地下水渗流并未减小峰值负荷的影响,但对地埋管长期运行的性能有重要提高。张灿灿[7]研究表明存在地下水渗流时,无论管群是处于顺排还是叉排布置, 都存在一个最优的渗流方向角使得周围土壤的平均过余温度最小,同时还存在一个最劣的渗流方向角,使得周围土壤的平均过余温度最大。文中研究存在地下水渗流与没有地下水渗流条件下土壤温度场分布,并分析不同方向渗流对温度场的影响。
2地下温度场对比分析
以5 × 9管群为例,夏季换热量取50 W /m,冬季换热量取38W /m,钻孔及土壤热物性主要参数如表1所示。
地埋管冬夏季各运行3个月,第一年夏季启动,运行10a后,地下50m处的温度场分布如图1所示。其中,A工况是无渗流条件时地温分布,如图1( a) 所示。B工况是沿x轴方向渗流工况,如图1( b) 所示。C工况是沿y轴方向渗流工况,如图1( c) 所示。
由图1可知,地下水渗流影响了地下温度场的分布,且渗流方向的不同对地下温度场的分布产生不同的影响。运行10年后,在夏季供冷结束时,A工况下计算区域内的土壤平均温度为23. 0℃,土壤最高温度为39. 0℃,如图1( a) 所示,地温场的热量累积较为严重,位于边缘的地埋管所释放的热量可以持续不断地向周围无埋管区域的岩土扩散,而中心区域的埋管热量很难扩散至埋管区域外的岩土区域,故热量累计较为严重; B工况下土壤平均温度为17. 8℃,较A工况下降5. 2℃,土壤最高温度为34. 7℃ ,较A工况下降4. 3℃ ,由于地下水渗流的作用,地埋管所释放的热量扩散得到改善,对比图1( a) 与1( b) 可知: 计算区域的温度下降较为明显,热量沿渗流方向扩散较快,下游区的热量有所累积。然而由于冬季从地下取热,会导致下游区域的冷量累积,当夏季地埋管运行时,因冬季冷量累积的影响,导致在15 ~ 20m处埋管区域的温度较低; C工况下土壤平均温度为17. 5,较B工况下降0. 3℃,土壤最高温度为34. 1℃,较B工况下降0. 3℃ ,图1( c) 同样由于冬季冷量的的影响使得土壤温度在15 ~ 20m处温度较低,与图1( b) 对比可知: 由于埋管y方向上的数量少于x方向上的数量,y方向上的地下水渗流的下游边缘地埋管数量多于x方向上的下游边缘地埋管数量,该渗流方向热量的扩散程度大于y渗流方向的扩散,从而使其渗流的热量累积少于x方向热量累积,故其土壤平均温度及最高温度均比x渗流方向的值小。
土壤温度随x方向距离的变化曲线如图2所示。渗流工况下土壤的温度均小于无渗流工况下对应点的温度,且A、C工况的温度场关于纵向中心线( 即x = 25m处) 对称,而由于B工况有x方向地下水的渗流作用,热量在下游累积,所以其中心线下游区域的温度较其上游对称点的温度较高。 由图2( a) 与图2( b) 对比可知: 位于边缘的地埋管A工况与B、C工况的温差小于位于中心区域地埋管相应工况的温差。
土壤温度随y方向距离的变化如图3所示。 渗流工况下土壤的温度均小于无渗流工况下对应点的温度,且A、B工况的温度场关于纵向中心线 ( 即y = 15m处) 对称,而由于C工况有y方向地下水的渗流作用,热量累积在下游,所以其中心线下游区域的温度较其上游对称点的温度较高。由图3( a) 与图3( b) 对比可知: 位于边缘的地埋管A工况与B、C工况的温差小于位于中心区域地埋管相应工况的温差。
3结语
计算分析了5 × 9地埋管管群运行10a后的地下温度场分布,结果表明:
1) 地下水渗流有助于地下热量的扩散,渗流工况下平均温度与最高温度较无渗流情况分别下降约5℃、4℃,温度场的 热量累积 得到抑制 和减缓。
土壤温度场 篇4
1 研究地区自然概况
祁连山属高寒干旱半干旱气候, 区内自然条件复杂, 水热条件差异大, 形成了多种具有明显垂直梯度和水平差异的植被类型和土壤类型。海拔从低到高, 植被类型依次为山地荒漠植被、山地草原植被、山地森林草原植被、亚高山草甸植被、高山冰雪植被;土壤类型依次为山地灰钙土、山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山寒漠土, 在各类土壤中山地灰褐土和亚高山灌丛草甸土是生长森林的土壤, 山地灰褐土分布在海拔2400～3300m地带, 是乔木林的主要分布带, 亚高山灌丛草甸土分布在海拔3300～4000m亚高山地带, 是湿性灌木林的主要分布带[4]。祁连山现有水源林43.61×104hm2, 主要有青海云杉林 (Picea Crassifolia) 、祁连圆柏 (Sabina przewalskii) 林和灌木林3大类型, 青海云杉是水源林的主要建群种, 面积占水源林总面积的24.74%, 占乔木林面积的75.72%。
试验区设在国家林业局甘肃祁连山水源涵养林生态定位研究站西水次生林区 (E100°17′, N38°24′) , 试验区年平均气温0.7℃, 最热月 (7月) 气温12.2℃, 最冷月 (1月) 气温-12.9℃, 年降水量433.6mm, 年蒸发量1081.7mm, 年均相对湿度60%, 年日照时数1892.6h, 日辐射总量110.28kW·m-2。试验区在地质结构上属昆仑祁连山褶皱系北祁连山褶皱带, 为高山深谷、坡度陡峻的地貌形态。岩石破碎, 主要有泥灰岩、砾岩、紫红色沙页岩等, 岩石褶皱剧烈、断层多, 具有明显的冰成地形, 坡积物疏松, 常发生浅层滑坡、泥石流和崩塌。实验区位于祁连山自然保护区的核心区和缓冲区, 动植物种类丰富, 植被类型和土壤类型的垂直变化是祁连山的典型。建群种青海云杉成块状分布在实验区海拔2400～3300m阴坡和半阴坡地带, 与阳坡草场成犬牙状交错;祁连圆柏呈小块状分布于阳坡、半阳坡;灌木优势种有金露梅 (Dasiphora fruticosa) 、箭叶锦鸡儿 (Caragana jubata) 、吉拉柳 (Salix gilashanica) 等;草本主要有珠芽蓼 (Polygonum viviparum) 、黑穗苔草 (Carex atrata) 等。各实验样地的地理位置与植被、土壤状况见表1。
2 主要研究方法
采用定位观测与综合分析相结合、野外实验与模型模拟相结合的方法, 研究祁连山青海云杉林的土壤呼吸特征, 具体研究方法为:1) 土壤呼吸速率的测定:在青海云杉林内设置样地, 利用美国Li-cor公司生产的LI6400-09土壤呼吸室连接到LI6400便携式光合作用测量系统来采集和储存数据;土壤呼吸室通过其内部的减压阀使气室内外的气压保持动态平衡, 如果没有室内风扇的存在有可能引起气室内部气压的波动。Norman等 (1992) [5]对土壤呼吸室的原理曾做过详细的描述。在进行测量的前一天, 在每个样点插入一个高4.4cm, 直径为11cm的土壤垫圈, 在整个测量期间土壤垫圈不再移动, 以保持土壤结构的稳定。测定土壤呼吸之前, 先将土壤隔离圈内植物齐地表剪下, 然后在每个样地中每次昼夜连续观测24h。2) 环境因子的测定:在测定土壤呼吸速率的同时, 利用通风干湿表测定近地表空气温度、湿度和风速, 利用地温表和普通温度计测定地表、地下5cm、10 cm 和20 cm的土壤温度。
土壤呼吸与温度之间的关系采用SPSS 12.0 for Windows统计分析软件进行分析, 动态曲线采用Micrisoft Excel 2000绘制。
3 结果与分析
3.1 土壤呼吸与土壤温度的季节变化
从图1可以看出, 各植被群落地点的土壤温度 (以土壤地下10cm温度为例) 季节变化动态比较一致。所有群落土壤呼吸和土壤温度和祁连山气温的变化基本一致, 其最大值亦出现于6～8月份, 最低值出现在4月份。各群落的土壤呼吸同样呈不规律的多峰曲线, 与气温的季节变化总趋势大体相近。
3.2 土壤呼吸与土壤温度的相关关系
许多野外测定和室内实验均表明, 土壤呼吸与土壤温度间存有明显的相关关系, 大量的函数也被用来描述它们之间的关系, 包括线性函数、指数函数、幂函数等, 其中和土壤呼吸与气温的关系一样, 指数函数也是使用最普遍的, 表明土壤呼吸速率随温度上升呈指数函数上升。采用关系式对土壤呼吸与土壤温度进行指数关系模拟, 得到相应的系数, 见表2。
在不同植被状况的各个研究点, 由于在整个实验阶段降雨量的不同, 土壤含水量也存在差别, 土壤温度对土壤呼吸的限制作用亦不相同。从表2可以看出, 它们之间存在一定的相关性, 并且随着土壤深度的增加, 它们的相关性越来越显著, 总的来看, 土壤呼吸速率与地下10cm的土壤温度的相关性最为显著。
3.3 土壤呼吸对土壤温度变化的响应
在西北干旱半干旱地区, 土壤温度同样成为影响土壤呼吸的主要因子, 土壤温度的微小变化都有可能导致土壤呼吸的显著变化。对祁连山不同植被类型群落的地下10cm的土壤温度与土壤呼吸的关系进行模拟, 发现二者之间的指数关系, 见表3, 它们之间的相关系数R2在0.0611～0.5389, 其中高山灌丛群落的相关性最好 (R2=0.5389) 。这说明在祁连山实验区, 对于高山灌丛植被来说, 土壤温度是土壤呼吸的主要限制因子, 所以土壤呼吸速率与土壤温度之间关系显著, 而对山地荒漠来说, 由于其所处海拔较低, 温度较高, 所以土壤温度对土壤呼吸的限制作用较小, 此时有可能水分成为土壤呼吸的主要控制因子。
3.4 生长季平均土壤呼吸速率的比较
方差分析表明, 整个生长季各群落平均土壤呼吸速率的总体差异极为显著 (p<0.01) , 高山灌丛的土壤呼吸平均速率最高, 为3.970μmol·m-2·s-1, 是相邻青海云杉林 (海拔2900m) 群落的1.77倍, 是呼吸速率最低的山地荒漠的2.24倍。比较结果说明, 各群落间的差异显著程度不一致, 总体来说, 水分供应状况比较好的高山灌丛、山地草原、山地森林草原的土壤呼吸速率较大, 而荒漠草原和水分条件不太充足的青海云杉林 (海拔2750m) 土壤呼吸速率较小, 如图2所示。
4 结论
对祁连山不同植被状况土壤呼吸速率的研究发现, 指数模型可以较好地表示所有植被类型土壤呼吸对土壤温度变化的响应, 但其在低温时拟合效果较好, 高温时拟合效果较差。与此相应, 各群落土壤呼吸季节动态与温度变化并不同步, 在温度较低时基本同步, 在温度较高的生长旺季同步性较差。这个结果与李凌浩在内蒙古锡林河流域原生羊草群落[6]以及Wildung等[7]在美国东部半干旱草原的研究结论不太一致。这说明祁连山不同植被类型的土壤呼吸速率有可能还受温度以外其他自然因素的影响。
不同研究地点所得到的气温与土壤呼吸之间的具体关系可能各不相同, 但是气温对土壤呼吸的影响总是可以用一个指数模型来描述[8,9]。从单个植被类型来看, 其土壤呼吸的季节动态与气温变化存在着同步现象, 表现出了一定的温度适应性, 但从整个区域来看, 这6个不同植被类型土壤呼吸对气温变化的敏感程度与其生长季平均温度关系有时会出现不太同步的现象, 这些可能与温度以外的因素的空间分异有关。
由于土壤温度对所有植被类型土壤呼吸的季节动态的影响不很明显, 所以生长季平均土壤呼吸速率在各群落之间的差异可能与土壤温度以外的因素, 如水分状况、植被状况、土壤温度、土壤湿度及土壤理化性质等的关系更为密切。因为这些因素不仅可以直接或间接对土壤中CO2的生产和排放过程产生影响, 而且随着温度的变化, 这些因素的作用也会发生相应的改变。
参考文献
[1]Ohashi M K, Gyokusen, A.Saito.Contribution of root res-piration to total soil respiration in a Japanese cedar (Cryp-tomeria japonica D.Don) artificial forest[J].Ecological Research, 2000, 15:323-333.
[2]Raich, J.W.and Schlesinger, W.H.The global carbon di-oxide flux in soil respiration and its relationship to vegeta-tion and climate[J].Tellus, 1992, 44B:81-89.
[3]常宗强, 冯起, 司建华, 等.祁连山高山草甸土壤CO2通量的时空变化及其影响分析[J].环境科学, 2007, 28 (10) :2389-2395.
[4]常宗强, 冯起, 司建华, 等.祁连山不同植被类型残体碳库贮量研究[J].山地学报, 2007, 25 (6) :714-720.
[5]Nornamn J.M., Garcia R.et al.1992.Soil surface CO2 fluxes and the carbon budget of grassland.Journal of Ge-ophysical Research, 97 (D17) :18845-188537.
[6]李凌浩, 王其兵, 白永飞, 等.锡林河流域羊草草原群落土壤呼吸及其影响因子的研究[J].植物生态学报, 2000, 19 (24) :680-686.
[7]Wildung R E, Garland T R&Buschbom R L.The interde-pendent effect of soil temperature and water content on soil respiration rate and plant root decomposition in arid grassland soils[J].Soil Biology and Biochemistry, 1975, 7:373-378.
[8]Liloyd J&Tailor J A.On the temperature dependence of soil respiration[J].Functional Ecology, 1994, 8:315-323.
土壤温度对玉米种子出苗的影响 篇5
1 原理和方法
1.1 试验的生物学原理
温度是种子从萌发到出苗所需热能的主要来源，对种子的出苗起着支配性作用。在适温区内，种子出苗过程进度随温度升高而加快;温度过高或过低，都会导致出苗缓慢。按照植物生理学观点，一般种子出苗适温区为8～40℃，故在试验过程中，将各处理的种子全部置于适温区内培养，以减少试验误差，提高试验效率。在设定时间内，观察在不同温度处理下种子从播种到齐苗的时间，并通过相应的数学统计方法对实验结果进行分析，探讨土壤温度与种子出苗之间的关系。
1.2 数学原理
设X为不同处理的温度 (℃) ;N为种子播种到齐苗所需的时间 (d) ;c为种子出苗起点温度 (℃) ;k为有效积温常数 (d·℃) ;V为种子出苗过程进度 (d-1) ，即单位时间内种子完成出苗的比例。
根据生物热力学原理，当土壤湿度、养分等其他条件都已得到满足时，温度即成为影响种子出苗的限制性因素, 则种子出苗过程进度 (V) 与温度 (X) 之间呈以下函数关系：
其中：
1.3 实验设计
实验于2010年在通化市农业技术推广总站实验室进行，选用吉单127玉米种子作试验材料。搪瓷盘装填经灭菌后调制的配料土作培养基，料土有机质含量3.67%，全氮0.128%，全磷0.103%，全钾2.085%, 碱解氮119.8 mg/kg，速效磷18.2 mg/kg，速效钾78.5 mg/kg, p H值6.4。采用适温区多极恒温培养法，设6个温度处理：X115℃ (CK) ，X218℃，X321℃，X424℃，X527℃，X630℃。3次重复，每重复 (盘) 等距点播100粒饱满种子 (发芽率98.8%) ，播后覆土2 cm并压实, 置入光照培养箱内，培养基土壤含水量保持在25%。逐日观测各处理播种至齐苗所需的天数 (d) ，对实验结果进行显著性测验，并测算其出苗过程进度 (V, d-1) 、起点温度 (c，℃) 和有效积温 (k, d.℃) ，确定土壤温度与种子出苗过程进度的函数关系。
2 试验结果分析
2.1 试验结果的显著性分析
实验结果，各处理播种至齐苗所需时间平均为4.67～16.67天，极差12.00天，变异系数 (c.v) 56.5%。说明在不同温度条件下，种子播种至齐苗所需时间差异很大。F测验，处理间差异达到极显著水准 (F处理=188.0475**) 。T测验，与CK比较，各处理种子播种至齐苗所需平均时间均达到极显著水准。说明在满足其他条件下，不同土壤温度对种子出苗具有极显著的影响。重复间差异不显著 (F重复=1.2070) ，故将各重复结果合并平均分析 (表1) 。
注：T0.05=1.0326, T0.01=1.4687
2.2 土壤温度与种子出苗过程进度的关系分析
根据实验结果和公式 (1) ，测算出与各温度处理相应的种子出苗过程进度 (V, d-1) 。相关分析结果，土壤温度与种子出苗过程进度之间的相关性达到极显著水准 (rXV=0.9734**) ，说明种子出苗过程进度与土壤温度密切相关 (表2) 。
根据公式 (2) 、 (3) 、 (4) ，得出本项研究中的土壤温度变化 (X) 与种子出苗过程进度 (V) 之间的生物热力学关系式为：
其中，种子出苗起点温度c=7.7227±1.5487 (℃) ，有效积温k=98.1226±11.5461 (℃) 。
采用F测验法进行显著性检验，证明上述二次曲线关系式达到极显著水准 (F=103.25**) ，故推断其独立变量 (自变量) —土壤温度变化 (X) 与依变量—种子出苗过程进度 (V) 之间具有真实的回归关系。上述曲线关系式成立，可用此关系式表示土壤温度 (X) 与种子出苗过程进度 (V) 之间的函数关系(图1)。
3 结论
试验结果表明，不同土壤温度对种子出苗过程进度影响很大。在本项研究中，玉米种子出苗的起点温度为c=7.7227±1.5487 (℃) ，有效积温k=98.1226±11.5461 (℃) ，土壤温度变化与种子出苗过程进度之间存在着极显著的曲线函数关系，符合生物热力学的一般性规律。故在生产实践中，应牢牢掌握土壤温度的变化，适期播种，以期最大限度地提高种子出苗率。
摘要：通过适温区内多极恒温培养试验, 对不同温度条件下的玉米种子出苗过程进度进行分析, 证明了温度与种子出苗过程进度之间存在着极显著的曲线函数关系。并依据生物数学原理, 测算出在本项研究中的种子出苗起点温度和有效积温。
关键词：土壤,温度,种子,出苗,影响
参考文献
[1]马育华.试验设计[M].北京:农业出版社.1982:272～280, 352～388, 513～562.
[2]王启明.镍对大豆种子萌发和膜脂过氧化作用及体内保护酶活性的影响[J].种子, 2006, 25 (7) :9～12.
[3]赵明锁, 赵文志, 张剑民等.生物种衣剂对油菜种子发芽力和幼苗生长的影响[J].种子科技, 2006, 24 (2) :47～48.
土壤温度场 篇6
小湾拱坝高292 m,是目前世界上已建和在建的最高拱坝。小湾拱坝采用通仓浇筑,浇筑块尺寸庞大,最大底宽达73 m。由于坝块尺寸大,仅靠自然散热是不够的,还需要借人工冷却帮助降温。在坝体混凝土浇筑初期进行一期冷却以削减最高温度,在封拱灌浆前进行二期通水冷却以使坝体达到接缝灌浆温度,有时在每年入冬前对当年浇筑的混凝土进行中期通水冷却,以削减混凝土内外温差,预防混凝土在冬季出现裂缝[1]。坝体温度除与浇筑过程、蓄水过程、气温、日照时间、范围以及泄洪雾化程度等因素有关外,还具有动态变化特征。由坝体变温形成的温度荷载还涉及不同灌区封拱温度,坝体蓄水前初始温度场以及蓄水后不同时段(季节)的坝体变温场。混凝土坝块在升温时全过程膨胀,降温时体积收缩,而体积膨胀或收缩的大小,与混凝土线膨胀系数、温升或温降值及坝块尺寸大小成正比。当坝块受到外部约束和内部约束时,其温度变化引起的体积变形(膨胀或收缩)便不能自由发生,从而引起温度应力[2]。如果温度应力过大,超过相应龄期的允许温度应力,混凝土就会产生裂缝。这就需要采用三维有限元法仿真大坝施工期非稳定温度场及温度应力,同时考虑大坝混凝土施工浇注过程中各种因素的变化,预测坝体施工期温度场及温度应力的变化规律,对坝体温控防裂提出合理建议。
1 基本计算原理
1.1 温度场计算原理
根据热量平衡原理,对于均匀的各向同性的具有内部热源的混凝土,不稳定温度场T(x,y,z,t)满足下列热传导微分方程,式(1)给定混凝土浇筑温度后即可求解。
式中:
对于水工大体积混凝土,仅靠自然散热是不够的,还需要借人工通水冷却帮助降温。本文采用朱伯芳院士提出的考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程[3]:
式中:θ1=(T0-Tw)φ+θ0ψ。
式(1)与(2)表达方式完全一致,有限元计算时只要用θ1代替θ即可。这一方法把水管冷却看作等效负热源,从平均意义上考虑水管冷却作用,避免了因水管周围网格过密而引起总体单元节点数过多、计算机时长的问题。
1.2 温度应力计算原理
取混凝土为线弹性徐变体,将计算域离散为若干单元,则温度应力计算的基本方程为[4]:
式中:[K]为刚度矩阵;{ΔPn}L为外荷载引起的节点荷载增量,计算温度应力时可不考虑其他荷载;{ΔPn}C为徐变引起的节点荷载增量;{ΔPn}T为变温引起的节点荷载增量;{ΔPn}0为混凝土自生体积变形引起的节点荷载增量;{ΔPn}S为混凝土干缩引起的节点荷载增量。
2 仿真模型及计算资料
本文选取河床处22号坝段建立三维有限元网格,对原方案和提前半年方案进行温度场及温度应力仿真分析。坝段铅直向单元层厚0.5 m;上下游方向分为10层单元,上下游面处较密,中心较稀;横河向分为20层单元。基本计算资料见表1、2。
小湾水电站位于云南省境内的澜沧江上,坝高292 m,坝底高程953 m,坝顶高程1 245 m。坝体自底向上分为27个灌区。坝体混凝土开始浇筑时间为2005年9月1日,2011年8月底接缝灌浆结束,年底最后一台机组投产发电,工程竣工。坝址多年平均气温19.1℃,最高月平均气温23.5℃(6月),最低月平均气温12.8℃(12月),坝址多年平均水温15.7℃。表1是小湾坝体混凝土热力学参数,混凝土热交换系数为47.1 kJ/(m2·h·℃),密度为2 500 kg/m3,泊松比为0.189;表2是小湾拱坝浇筑方案,表中二期冷却先通10℃制冷水15 d,再通4℃制冷水15～35 d,每一灌浆层混凝土的冷却时间为30～50 d。坝体混凝土浇筑坝体混凝土浇筑温度全年采用12.0℃。采用河水进行仓面流水。封拱灌浆温度为:高程953～977 m为12.0℃,高程977～1 007 m为14.0℃,高程1 007～1 190 m为15.5℃,高程1 190～1 245 m为17.5℃。
3 温度场分析
温度场是模拟施工过程和考虑不同边界介质以及混凝土水化热随时间变化等因素仿真计算得出的。施工期温度场仿真计算的目的,一是通过数值计算预测整个坝体在施工过程中的温度变化过程,为进一步制定和修改温控措施提供依据;二是确定坝体应力计算的温度荷载,温度场计算得到的相临时间步的温差作为应力计算相应时间步的温度荷载。
3.1 稳定温度场
拱坝稳定温度是确定运转期温度荷载、封拱灌浆时机及施工期控制基础混凝土温差,防止贯穿裂缝的重要依据。本文采用三维有限元法计算了小湾拱坝运行期稳定温度场。上游水库水温按不同深度取多年年平均水温;下游水位以下水温取河水多年年平均水温;地温按地温资料取值;坝体暴露在空气中部分,根据气象资料取当地多年平均气温。由计算结果可知基础强约束区稳定温度在13.7℃左右,基础弱约束区稳定温度在14.0℃左右,非约束区稳定温度在15.8℃左右。
3.2 施工期变化温度场
图1为22号坝段中心不同高程温度过程线。可知,施工期新浇混凝土由于水化热作用,混凝土从初温上升到最高温度,经历了一个较大幅度的温升过程。一期冷却在混凝土浇筑后立即进行,主要作用是削减最高温度峰值。在水化热和一期水管冷却、表面散热的联合作用下,温度达到早期最高温度,一般发生在该层混凝土浇筑后的3～5 d,而后一期水管冷却吸收的热量大于水泥水化产生的热量,温度逐渐降低,一期冷却结束后,由于覆盖上层混凝土,同时在水泥残余水化热作用下浇筑块温度有回升,最大不超过2℃。二期通水冷却结束后,坝体温度均降到了接缝灌浆温度。二期通水冷却最大温降值为16℃,二期通水冷却时间一般为30～50 d,可知坝体降温速度每天不大于1℃。此后,上下游面主要受气温和水温影响,坝中心温度受外界气温和水温变化影响很小,逐渐达到稳定温度。
22号坝段最高温度仿真结果见表3,22号坝段中心最高温度包络图见图2。可知,最高温度为31.8℃,发生在高程1 161.6 m处,坝体有5个明显的高温区,均发生在夏季浇筑的坝块,这是由于该部位混凝土浇筑时受高气温及太阳辐射影响所致。各位置的基础温差均小于允许值,满足要求。坝体封拱温度均较稳定温度低,这对运行期坝体的综合应力是有利的。
注: L为浇筑块长边尺寸。
4 温度应力
4.1 应力控制标准
《混凝土拱坝设计规范》(SL282-2003)规定,水平方向温度应力的控制按式(4)确定:
式中:σ为各种温差所产生的温度应力之和;εp为混凝土极限拉伸值;EC为混凝土弹性模量;Kf为安全系数,宜1.3～1.8,视开裂的危害性而定,此处取1.8。
根据规范要求及小湾混凝土的力学参数,用抗拉强度法和极限拉伸法分别计算了不同龄期、不同混凝土材料的应力控制标准。坝体温度应力最大值出现在二期通水冷却结束时,此时混凝土龄期为180 d左右,因此采用180 d龄期对应的允许应力值,同时取两种方法计算的允许应力的下限,计算结果见表4。
4.2 施工期温度应力
拱坝分层分段浇筑,其水平方向尺寸远较铅直向尺寸大。因此,实际工程中主要是验证浇筑块中央断面上的水平温度应力,由浇筑块温度变化引起的铅直向温度应力很小,本文不作讨论。坝体横河向及顺河向温度应力与混凝土温度历史及弹性模量密切相关。一期通水冷却阶段,温度先迅速上升后下降,混凝土先膨胀后收缩,但初期混凝土弹性模量较低,相应温度应力表现为压应力迅速增至最大值,然后开始减小直至一期冷却结束。在一期冷却结束至二期冷却开始这段时间里,坝体压应力总的趋势是在减小,甚至变为拉应力,坝体应力始终有微小波动,这是由于坝体在温度荷载、混凝土徐变、自生体积变形的综合作用下,总变形在收缩与膨胀间不断变化,总的趋势表现为收缩,且混凝土弹性模量较高,坝体内产生的拉应力抵消一部分压应力。二期通水阶段坝体温度持续下降至封拱灌浆温度,该阶段混凝土弹性模量较高而徐变较小,坝体收缩产生拉应力,坝体各方向温度应力最大值也出在该时段,这是产生温度裂缝的主要原因。二期冷却结束后,坝体温度有所回升,直至达到稳定温度,坝体温度应力也达到最终残余应力。
22号坝段温度应力最大值摘要见表5,坝体横河向和顺河向温度应力包络图见图3。由图3可知,温度应力最大值发生在坝中心处,这是由于坝中心温降值较上下游面大,且坝中心一直受到内部及外部的约束作用。基础约束区横河向温度应力最大值不超过1.25 MPa,非约束区坝体横河向应力最大值不超过1.00 MPa,均小于允许温度应力。基础约束区顺河向温度应力最大值不超过1.51 MPa,非约束区顺河向应力最大值不超过1.38 MPa,均小于允许水平温度应力。
注: L为浇筑块长边尺寸;最大值均出现在二期冷却结束时间。
5 结 语
本文采用三维有限元法仿真计算了小湾拱坝河床处22号坝段施工期温度场及温度应力,得到了温度场及温度应力的变化规律。最高温度最大值为31.8℃,一期冷却结束后,浇筑块温度有回升,最大不超过2℃。二期通水冷却结束后,各灌区混凝土温度均降到了接缝灌浆温度,基础温差满足规范要求。坝体稳定温度大于封拱灌浆温度。坝体温度应力最大值出现在基础约束区二期冷却结束时刻。横河向温度应力及顺河向温度应力最大值均小于允许水平温度应力,不会产生温度裂缝。
参考文献
[1]本书编委会.三峡水利枢纽混凝土工程温度控制研究[M].北京:中国水利水电出版社,2001.
[2]龚召熊.水工混凝土的温控与防裂[M].北京:中国水利水电出版社,1999.
[3]朱伯芳.考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程[J].水利学报,1991,(3):28-34.
土壤温度场 篇7
土壤水、热是土壤的两个重要肥力因素, 两者相互联系、相互制约, 在农业生产中, 可通过“以水调热”等措施来改善农作物的生长环境。土壤热状况影响着农业生产的各个方面, 如种子萌发, 水分蒸发, 热量传递等[1]。土壤温度是衡量土壤热量状况的尺度, 其变化具有一定的规律性。当前, 已有许多学者对不同环境下的土壤温度变化规律进行了研究。如谢夏玲[2]等研究了玉米膜下滴灌土壤温度的变化规律;陈丽娟[3]等分析了不同土壤水分处理对膜上灌春小麦土壤温度的影响, 对膜上灌溉条件下土壤水分亏缺对土壤热状况及温度的影响进行了研究;王铁良[4]等研究分析了日光温室内不同灌溉方式对土壤温度变化的影响。上述研究重在对灌溉方式和农艺措施对土壤温度影响的分析, 而对稻田农田水位调控对土壤温度的影响很少有较深入的研究。
农田水位调控是指通过灌溉排水措施保持田面适当水层深度或维持田间地下水位适当埋深的策略, 将涝、渍、旱的判断指标统一到农田水位上, 通过稻田水位调控来实现田间水分的调节。本文对农田水位调控下 (不同控水深度和控水历时) 稻田灌溉进行田间试验的基础上, 对稻田土壤温度变化特征进行了研究, 探讨了受旱、淹水和浅湿灌溉对土壤温度的影响, 研究结果为水稻的栽种、管理提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于2008年5-10月在河海大学节水园区内进行。该试验区位于北纬31°86′, 东经118°60′, 属亚热带湿润气候, 冬冷夏热、四季分明, 年平均降雨量1 021.3 mm, 年平均蒸发量为900 mm, 年平均气温15.7 ℃, 年无霜期237 d, 年均日照时数2 212.8 h。试验区0～40 cm土壤剖面物理和化学性状见表1。
1.2 试验设计
供试的水稻品种为镇稻99, 属中熟中粳稻, 全生育期分为苗期、返青期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期7个生育阶段, 约150 d左右。水稻于2008年5月4日泡种, 5月6日育秧, 6月26日移栽, 10月7日收获, 栽插密度为22 cm×15 cm。
每个生育阶段设有受旱 (H) 、淹水 (L) 和浅湿灌溉 (CK) 3个处理, 每处理设2个重复, 进行不同深度和历时的水位调控试验。试验布置在节水与农业生态试验场的固定式蒸渗测坑内, 每个蒸渗测坑的规格为长×宽×深=2.5 m×2 m×2 m, 地上有长18.0 m、宽7.0 m、高3.0 m的两节大型电动活动雨棚, 其中对照处理 (CK) 布置在无底测坑内, 其余处理均布置在有底测坑内。试验处理设计见表2。由于试验期较长, 实验数据较多, 本文选取水稻抽穗开花期的试验数据进行分析。
注:①表中数字负值表示田面无水层时地下水位深度, 正值表示田面水层深度。②各生育阶段控水起始时间不同, 结束时间相同。控水结束后皆为浅湿灌溉。
1.3 试验观测
每天定时观测农田水位深度, 按要求控制各处理水位。土壤温度由埋设在蒸渗仪中的电流源型温度传感器AD590自动收集。传感器根据温度不同会输出恒定电流, 通过率定的方法校正测量温度, 每6 min收集一次土壤温度数据。温度传感器AD590分别观测土壤地表以下5 cm、20 cm和40 cm的温度。气温由自动气象站 (型号为HL20) 收集。
2 结果与分析
2.1 农田水位调控对5 cm处土壤温度日变化的影响
水稻80%左右的根系分布在离土表0～10 cm的土层中, 因此, 掌握表层土壤温度的日变化规律对于调节土壤温度, 为水稻生长创造一个适宜的土壤温度环境是很有必要的。为此, 本文选择了0～10 cm土层中有代表性的位置——5 cm处作为表层土的观测点。
图1 (a) 、图1 (b) 分别为晴天8月28日 (淹水控水第8天, 受旱控水第3天, 日均气温27.33 ℃) 和雨天8月29日 (淹水控水第9天, 受旱控水第4天, 日均气温23.45 ℃) 不同天气状况下5 cm处不同水位调控下土壤温度变化过程。图中L5、CK5、H5分别表示淹水、对照和受旱处理5 cm处土壤温度, TP代表大气温度 (以下相同符号的意义与此相同) 。
以8月28日数据为例, 5cm处土壤温度随气温的变化而变化。一日内, 对照处理5 cm处土壤温度在6∶00时最低, 受旱处理同步, 淹水处理延迟到8∶00时, 日出后开始吸热升温, 8∶00～14∶00时处于明显的升温阶段, 在14∶00时达到最大值, 受旱处理同步, 淹水处理延迟到18∶00, 之后太阳辐射强度减弱, 表土失热大于吸热, 温度缓慢下降。同样, 雨天时各处理5 cm处土壤温度也有类似的变化规律。
在外界气温条件相同时, 土壤含水率的变化是影响土壤温度状况的主要因素, 通常当土壤含水率较高时土壤温度相应较低, 土壤含水率和土壤温度呈极显著的负相关关系[3]。从图1 (a) 可以看出, 晴天时不同水分梯度下土壤日平均温度按照处理L5、CK5、H5依次递减 (L5日均土温19.62 ℃, 比CK5、H5依次高出0.68 ℃和0.71 ℃) ;土温日变幅按照处理L5、CK5、H5依次递增 (H5日最高土壤温度24.35 ℃, 比CK5、L5依次高出1.85 ℃和3.85 ℃;日变幅8.48 ℃, 比CK5、L5依次高出2.73 ℃和6.61 ℃) , H5土温变化与气温变化趋势最为接近。H5正午土壤温度最高, 日变幅最大是因为土壤含水率低, 始终处于干燥状态, 土壤热容量小, 日间受气温影响升温速度快, 土壤温度也较高。到了晚上和清晨随着气温的降低降温速度也比较快, 在早晨6∶00时, H5土壤温度最低, 较对照处理低0.78 ℃。可见受旱处理日均地温与对照相差不大, 但日最高土温与昼夜温差均有较大幅度提高, 有利于根系生长素的分泌[5]和干物质的积累。因此水稻生长期进行适当受旱处理, 不仅可以节约灌溉用水量, 还可以通过调节土壤温度, 增大温差, 促进植株生长。
在相同的水位调控条件下, 天气情况对表层土壤温度的日变化也有影响。雨天时 (以8月29日数据为例, 与8月28日土温变化相连续, 土壤水分状况基本一致) 各处理最高土温出现时刻, L5比晴天延迟2 h, CK5和H5各延迟3 h;土温日变幅L5、CK5、H5依次比晴天减小1.33 ℃、3.38 ℃和5.6 ℃。可见5 cm处土壤温度, 受旱处理受天气的影响比淹水处理大。
2.2 农田水位调控对深层土壤温度日变化的影响
以晴天8月28日数据为例, 各处理20 cm和40 cm处土壤温度日变化过程见图2。图中L20、CK20、H20分别表示淹水、对照和受旱处理20 cm处土壤温度, L40、CK40、H40分别表示淹水、对照和受旱处理40 cm处土壤温度。
从图2可以看出, 20 cm处土壤温度日变化仍有较明显的起伏。一日内土壤温度从0∶00～7∶00时呈现降低趋势, H20土温在7∶00时最低, CK20在9∶00达到最低温度, L20则延迟到12∶00时左右。9∶00～17∶00时, H20和CK20处于升温阶段, H20在17∶00时温度达到最高, CK20延迟2 h达到最高温度, 之后温度开始降低。L20从12∶00时之后一直处于升温状态。
不同水分梯度下, L20土壤日平均温度19.15 ℃, 比CK20高0.29 ℃, H20与CK20相差不大;H20日最高土壤温度19.71 ℃, 比CK20高0.2 ℃, L20则比CK20低0.15 ℃;土温日变幅按照处理L5、CK5、H5依次递增 (H5日变幅1.46 ℃, 比CK5、L5依次高出0.21 ℃和0.93 ℃) 。
40 cm处土壤温度基本上都是先略有降低, 再缓慢升高的变化趋势, 温度曲线平缓, 没有明显起伏。各处理土温日变幅都较小, 并且按照处理L40、CK40、H40依次递增 (H40、CK40、L40日变幅分别为0.41 ℃、0.28 ℃和0.23 ℃) ;土壤日平均温度按照处理L40、CK40、H40的顺序依次为18.95 ℃、18.79 ℃和18.55 ℃, L40、H40和CK40相比均相差很小。
对于20 cm和40 cm土壤温度, 均是淹水处理的日平均土温高于对照处理, 日变幅低于对照处理, 这是因为淹水处理田面保持一定深度的水层, 土壤含水率达到饱和, 水的比热较大, 相同的太阳辐射强度下吸热较多, 所以各层土壤日平均温度均较其他处理高。另外淹水处理土壤热容量大, 吸收或散失相同的热量温度变化小, 且田面水层也可以起到白天降温, 夜间保温的作用, 所以各层土温日变幅均较其他处理小。
2.3 土壤温度在农田水位调控下的垂向变化
随土层深度增加, 土壤温度变化亦有一定规律性。以8月28日淹水和受旱处理为例, 各深度土壤温度变化过程见图3。无论是淹水处理还是受旱处理, 土壤温度的变化幅度均沿深度递减, 5 cm温度直接受辐射和气温变化的影响, 其土壤温度日变幅最大, 分别为1.87 ℃和8.48 ℃, 40 cm土壤温度日变幅最小, 为0.23 ℃和0.41 ℃。随着土层的加深, 土壤温度到达最高值的时间也相应延迟。5～40 cm深度, 受旱处理各深度土层最高温度分别出现在14∶00、17∶00和24∶00时, 淹水处理最高温度分别出现在18∶00、24∶00和次日凌晨, 说明随土层深度的增加, 土壤热量向深层传导的过程有一定的滞后性, 热量的传递需要一定的时间, 而且土温达到最高值的时刻随土壤含水量的增加而延迟。不同处理土壤日平均温度均随土层深度的增加而降低, 受旱处理各层土壤日平均温度分别为18.91 ℃、18.89 ℃和18.55 ℃, 淹水处理分别为19.62 ℃、19.15 ℃和18.95 ℃。
土壤温度垂向变化同样受天气状况的影响。以雨天8月29日数据为例, 各处理5 cm、20 cm、40 cm土层日平均土温如下:淹水处理为16.89 ℃、17.33 ℃和18.74 ℃, 对照处理为16.67 ℃、17.50 ℃和18.02 ℃, 受旱处理为16.42 ℃、17.36 ℃和17.68 ℃。不同处理在雨天土壤日平均温度均沿土壤深度递增, 与晴天变化规律相反。雨天时气温较低, 天空有云层, 空气湿度大, 太阳辐射强度弱, 表层土受气温影响温度低, 深层土受气温影响小, 且散热相对表层土慢, 最终导致表层土日平均温度最低, 40 cm土层日平均温度最高。
2.4 控水前后土壤温度变化
控水前以晴天8月19日 (淹水控水前2天, 日均气温28.1 ℃) 、8月25日 (受旱控水前1天, 日均气温27.9 ℃) 数据为例, 控水最后2天8月29日和8月30日均为阴雨天气, 与控水前气温相差较大, 故仍以8月28日 (淹水控水第8天, 受旱控水第3天, 日均气温27.33 ℃) 数据为例, 控水前后土壤温度变化见图4。图中L20前、L40前、H20前、H40前分别表示淹水和受旱处理控水前20 cm和40 cm处土壤温度, L20后、L40后、H20后、H40后分别表示淹水和受旱处理控水后20 cm和40 cm处土壤温度。
相对表层土来说, 深层土受气温影响小, 且试验日日均气温相差不大, 故只分析深层土控水前后土壤温度变化。由试验可知, 淹水处理控水后, 20 cm和40 cm处土温变化幅度分别为0.53 ℃和0.23 ℃, 比控水前减小1.67 ℃和0.22 ℃;受旱处理控水后, 20 cm和40 cm处土温变化幅度分别为1.46 ℃和0.41 ℃, 比控水前增大0.82 ℃和0.04 ℃。20 cm和40 cm土层, 淹水处理控水后日均土温分别为19.15 ℃和18.95 ℃, 比控水前升高0.1 ℃和0.05 ℃;受旱处理控水后日均土温分别为18.89 ℃和18.55 ℃, 比控水前降低0.02 ℃和0.31 ℃。20 cm处最高土温出现时刻, 淹水处理控水后比控水前滞后5 h左右, 受旱处理控水后比控水前提前约2 h。
淹水处理控水期间田面水层起到了保温作用, 控水后深层土壤由于温度累计效果, 土温有所提高。受旱处理控水期间土壤孔隙中水分减少, 通气性较好, 深层土壤散热较快, 导致控水结束后深层土壤温度降低。
3 结 语
(1) 农田水位调控对5cm处土壤温度日变化的影响较为显著。各试验处理中受旱处理日平均土温与对照处理相差不大, 但日最高土温与昼夜温差均有较大幅度提高, 比对照处理分别高1.85 ℃和2.73 ℃。淹水处理日平均土温比对照处理稍有提高, 但日最高土温与昼夜温差均降低。因此水稻生长过程中适当受旱处理, 可以调节土壤温度, 增大温差, 促进植株生长。
(2) 深层土壤在农田水位调控对土壤温度的累积作用下, 淹水处理20 cm和40 cm土层日平均温度分别为19.15 ℃和18.95 ℃, 比对照处理高0.29 ℃和0.16 ℃。受旱处理20 cm土层日平均温度与对照处理接近, 40 cm土层则降低0.24 ℃。
(3) 土温垂向变化也受天气影响, 晴天时日平均土温沿深度递减, 阴雨天则沿深度递增。
(4) 与控水前相比, 淹水处理控水后深层土壤日平均土温升高, 日变幅减小, 最高土温出现时刻滞后;受旱处理控水后深层土壤日平均土温降低, 日变幅升高, 最高土温出现时刻提前。
摘要：在蒸渗测坑内进行了水稻各生育阶段的水位调控试验, 根据实测资料研究不同水位调控对土壤温度变化特征的影响。研究结果表明:农田水位调控对表层土影响差异较大, 受旱处理与其他处理相比, 日最高土温与土壤温度变化幅度均有较大幅度提高, 淹水处理日平均土温比对照处理稍有提高;各处理土壤温度变化幅度和日平均土温大致沿深度递减, 且变化规律受到控水水位和气温的影响;控水后, 淹水处理日变幅减小, 最高土温出现时刻滞后;受旱处理日变幅升高, 最高土温出现时刻提前。
关键词：农田水位,土壤温度,水稻
参考文献
[1]王建东, 龚时宏, 隋娟, 等.华北地区滴灌灌水频率对春玉米生长和农田土壤水热分布的影响[J].农业工程学报, 2008, 24 (2) :39-45.
[2]谢夏玲, 赵元忠.玉米膜下滴灌土壤温度的变化规律[J].灌溉排水学报, 2008, 27 (1) :90-92.
[3]陈丽娟, 张新民, 王小军, 等.不同土壤水分处理对膜上灌春小麦土壤温度的影响[J].农业工程学报, 2008, 24 (4) :9-13.
[4]王铁良, 李晶晶, 李波, 等.不同灌溉方式对日光温室土壤温度的影响[J].北方园艺, 2009 (2) :147-149.
[5]范爱武, 刘伟, 刘炳成.土温对植物生长的影响及其机理分析[J].工程热物理学报, 2004, 25 (1) :124-126.
[6]陈继康, 李素娟, 张宇, 等.不同耕作方式麦田土壤温度及其对气温的响应特征——土壤温度日变化及其对气温的影响[J].中国农业科学, 2009, 42 (7) :2 592-2 600.
[7]张明炷, 黎庆淮, 石秀兰.土壤学与农作学[M].北京:水利电力出版社, 1994:38-39.
转子稳定温度场分析平台 篇8
转子是汽轮机组的关键部件之一, 工作时承受着高温高压, 因此对其温度场进行分析是对它进行强度校核和研究其热膨胀的基础, 这对汽轮机的研发工作是十分必要的。本课题以机组为例完成了转子稳态温度场分析平台的搭建, 包括了程序扩充、模型简化、换热系数计算程序编制、边界温度选取、程序分析、有限元分析和程序输出结果可视化研究。
1 模型简化
高中压转子稳态换热分析首先需进行模型简化, 认为其温度场分布是轴对称的, 以机组为例, 简化模型如图1所示。
边界点根据换热区域计算的要求选取, 共选取144个点。
2 换热系数计算
高中压转子稳态换热分析首先需计算换热系数, 其换热系数计算分以下几种类型, 现分述如下:
2.1 无限空间中旋转圆盘
此种类型换热系数计算公式一般用于蒸汽进汽侧的第一级叶轮和排汽侧的末级叶轮, 在本分析算例中区域25~26, 64~65, 70~71, 74~75, 75~76, 85~86, 123~124, 125~126, 130~131, 132~133, 138~139, 140~141, 142~143, 17~18, 14~15, 23~24, 81~82正是此种类型。
此计算公式已编为程序, 程序名为a14.f90由程序计算区域的换热系数为:
h=123.3099Btu/ (hr·ft2·0F) (换热系数的英制单位, 如变成公制则需乘以5.82, 如下以此为准)
2.2 同轴转动圆盘
此种类型换热系数计算公式一般用于由间隙分开的2个同轴转动圆盘, 在本分析算例中区域87~88, 89~90, 91~92, 93~94, 95~96, 97~98, 99~100, 101~102, 103~104, 105~106, 107~108, 109~110, 111~112, 113~114, 115~116, 117~118, 119~120, 121~122正是此种类型。
计算公式为:
2.3 直汽封
此种类型换热系数计算公式一般用于直汽封下的转子表面, 在本分析算例中区域63~64, 60~61, 57~58, 54~55, 51~52, 48~49, 45~46, 42~43, 39~40, 36~37, 33~34, 30~31正是此种类型。
此种类型换热系数计算公式如下:
此计算公式已编为程序, 程序名为pha04.f90, 由程序计算区域的换热系数为:h=3 426.214Btu/ (hr·ft2·0F) 。
3 中压第一级轮槽处换热系数计算
在机组中压第一级轮槽处, 在本分析算例中为86~87区域, 该级动叶叶根和轮槽处存在较大间隙, 气流由此流过冷却轮槽, 该轮槽和动叶叶根的间隙近似为矩形, 可用管道中过热蒸汽的湍流流动的换热系数计算公式进行计算, 由于转子沿周向均布轮槽, 且本算例中按轴对称计算, 所以近似将所计算的换热系数乘以全部的轮槽周向长度, 再除以该处的转子圆周长度, 即得该处的平均换热系数。
管道中过热蒸汽的湍流流动的换热系数计算公式如下:
管道中过热蒸汽的湍流流动的计算公式已编为程序, 程序名为pha1.f90, 由程序计算区域86~87的换热系数为:h=1 751.255Btu/ (hr·ft2·0F) 。
4 无轴向流动的旋转同心圆柱
此种类型换热系数计算公式一般用于由间隙分开的2个旋转同轴圆柱, 间隙中无轴向流动, 在本分析算例中区域71~72正是此种类型。
此种类型换热系数计算公式如下:
此计算公式已编为程序, 程序名为ea19.f90, 由程序计算区域的换热系数为:h=245.373 100Btu/ (hr·ft2·0F) 。
T形叶根和调节级叶根的换热系数
在本分析算例中区域73~74为调节级的轮槽简化区域, 61~63, 58~60, 55~57, 52~54, 49~51, 46~48, 43~45, 40~42, 37~39, 34~36, 31~33, 28~30为高压1~12级的轮槽简化区域, 此处动叶叶根为T形叶根, 此种类型换热系数计算公式如下:
此计算公式已编为程序, 程序名为em1772.f90, 由程序计算区域的换热系数为:h=234.409 3Btu/ (hr·ft2·0F) 。
5 温度场分析
用大型有限元分析软件ANSYS10.0和程序PH8147分析了机组高中压转子稳态温度场, 结果如下:
5.1 程序分析
用程序分析了机组高中压转子的温度场, 求得的高中压转子中心孔表面和外表面温度沿轴向长度分布如图2所示。
5.2 ANSYS10.0分析
用ANSYS10.0分析的温度场云图如图3所示。
由图3可看出转子中压第一级轮槽处的冷却效果。
6 程序输出结果可视化研究
程序的输出结果为数据, 可输出二维坐标点及对应该坐标点的温度值。为了便于对结果进行分析处理, 本课题还进行了输出数据的可视化研究, 主要是采用Tecplot9.0软件由程序的输出结果绘制温度场云图。
Tecplot 9.0软件具有强大的结果分析能力, 可以显示二维/三维变量云图、等温线等。使用过程如下:
1) 建立*.txt文本文件, 输入格式灵活多样。例如, 输入可采用下面格式:
2) 将数据导入Tecplot中, 选择2D进行画图, 在Field菜单中选择Contour, 在Contour Plot Type中选择Line, 就可以显示等值线分布情况。采用Tecplot9.0软件绘制的机组高中压转子稳态温度场的云图如图4所示。
7 结语
本课题以机组为例完成了转子稳态温度场分析平台的搭建, 为转子稳态温度场的分析提供了系统深入的方法, 填补了我公司设计分析手段的空白, 下一步将研究转子瞬态温度场分析, 从而为转子的低周疲劳分析奠定坚实的基础。
摘要：汽轮机发电机正向着高速、重载、超临界的机组发展, 而汽轮机转子稳定温度问题备受关注, 文中主要针对转子稳定温度场进行分析。