基于土壤孔隙结构的热导率和接触热导率标度规律的建立

Soil thermal properties (heat conductivity λ, heat capacity c)and soil water content θ are key parematers for studying the energy balance and water balance near the surface. Single and dual probe heat pulse method are popularly used for measuring soil thermal properties and soil water content.However, there are some basic theoretical problems that were not solved, yet.In this study, we use indoor and outdoor experiments, theoretical model and computer simulation to solve the following problems.(1). For finite values of λ and contact heat conductivity H, we developed the theory of Jaeger 1956. Based on this theory, we carry out error analysis for single and dual probe method and compared with the experiments results. (2).Using synchrotron X-ray to take photos of soil pores and reconstructure three dimensional soil pores. The soil pores structure was then input into finite element method software for finding out the scaling relationships of λ and H. (3).The influence of the heaters diameters and soil particle size on measured H. (4).To measure λ，H，c，θoutdoor for soil with different water content. Then compared the experiments results with the λ，H values from pores scale finite element simulation, to verify the scaling relationships.

土壤的热特性(热导率λ,比热c)和土壤水分含量θ是研究地表的能量平衡和水分平衡的关键参数。作为能准确测量土壤热特性和土壤水分含量的主要方法，单针和双针热脉冲探针方法已被广泛使用。但是目前仍有很多机理问题尚未解决。本研究拟通过室内和室外实验，理论建模和计算机模拟解决以下问题。(1). 在λ和接触热导率H有限大小的情况下，完善Jaeger1956年的热脉冲探针理论。在此理论基础上，分析单针和双针方法测量得到λ的差异以及误差来源，并用实验来验证。(2).通过利用同步光源X射线给出的土壤孔隙照片,重构三维土壤孔隙空间结构，结合有限元模拟。得到λ和H对孔隙空间结构参数的标度关系。(3). 加热探针半径以及土壤颗粒的粒径大小，对H的影响。(4). 在野外测量得到不同含水量条件下的土壤λ，H，c，θ。并和基于孔隙尺度的有限元模拟得到的λ和H对孔隙空间结构参数的标度关系对比，来检验相应的标度关系。

土壤的热特性(热导率λ,比热c)和土壤水分含量θ是研究地表的能量平衡和水分平衡的关键参数。作为能准确测量土壤热特性和土壤水分含量的主要方法，单针和双针热脉冲探针方法已被广泛使用。但是目前仍有很多机理问题尚未解决。. 本研究通过室内和室外实验，理论建模和计算机模拟提高热脉冲探针方法的测量精度，消除实验误差。 我们以能原位矫正双针热脉冲探针间距的理论方法为出发点，结合实验测量，检验并验证了理论模型的可靠性。. 我们通过在同一个温度探针内部，引入三个热敏电阻的双针热脉冲探针，可用于纠正双针热脉冲探针的弯曲形变，我们通过有限元模拟，以及在沙子和石英砂中的探针分别进行了各种弯曲变形实验，来检验该非线性弯曲探针间距的校正方法的适用性。我们的结果显示对于探针倾斜夹角满足介于5.8和6.8度,比热的误差则介于−23% 和 −76%之间，在引入线性实地间距校正之后; 误差减小为 12% 到44%; 而引入我们的非线性间距校方法之后，误差减小到介于 1% 到 8%.因而新的非线性探针间距校正方法有很大的潜力应用于减消双针热脉冲探针变形导致的误差。. 这种间距矫正的方法还可以推广用于树木液流测量，我们从理论上给出了在利用热针方法测量树木液流时，由于探针间距变化导致的测量误差的消减方法。实验结果验证了，针对补偿热脉冲方法，热比率方法，我们的非线性弯曲形变的探针的间距的实地标定方法能有效减小树木液流测量误差。这些成果有三篇以SCI论文，发表在国际知名农业领域杂志Agricultural and Forest Meteorology上。. 有关原位间距矫正方法的相关工作已经被授权美国及国内发明专利各一项：这些发明减少了在实际应用中由于外因导致温度探针或加热探针弯曲变形而产生的，土壤热特性，植物茎流或土壤水流通量测量误差。该装置结构简单，造价低廉，使用方便、测量快速准确。