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贺元源 何玟 王力* 王世梅 吕岩 徐燕 陈勇 张先伟
摘要
土壤导热系数是决定土层传热性能的主要参数，影响到地温分布、土壤环境及作物生长。高有机质土的导热系数受到有机质组分直接影响，而目前土壤导热系数模型缺乏对有机质含量及分解度的考虑。该研究采用稳态比较法测定了未冻结及冻结状态下的草炭土导热系数，分析了不同层位原状草炭土性质对导热系数的影响，对比了10余种土体导热系数计算模型对草炭土的适用性，并以此提出了改进模型。结果表明：1）各层位草炭土在未冻结状态下导热系数相近（0.51～0.66 W/(m∙K)），而冻结后导热系数层间差异明显（1.00～1.62 W/(m∙K)），表明冻结极大地改变了土体物质组成，而有机质含量及分解度显著影响着土体的传热性质；2）考虑了干密度及组分权重的土体导热系数模型对草炭土的预测适用性更佳，但准确度仍然难以达到理想效果（未冻结土RMSE>0.07W/(m∙K)；冻土RMSE>0.28 W/(m∙K)）；3）基于土体性质的影响程度及计算模型的原理，引入草炭土有机质含量Oc及分解度Dd计算草炭土导热系数，建立了改进模型，提高了参数模型准确率(R2>0.75)。研究成果可为季冻草炭土分布区的农业耕作及工程建设提供参数依据，同时可作为高有机质土体热物理性质研究的理论参考。
论文部分插图
Fig. 1 导热系数测定及预测结果对比
Fig. 3 草炭土导热系数改进模型效果
结论
本研究以季冻区高有机质草炭土为研究对象，采用试验测定及参数模型计算获取了不同埋深的原状未冻结及冻结草炭土的导热系数，探究了土体性质与土体导热系数之间的关系，并以模型计算原理及土体物性影响为依据改进了土体导热系数计算模型对高有机质草炭土的适用性，结果可概述为：
1）草炭土具有十分显著的高有机质含量、低干密度、高孔隙率及高含水率性质，因此在未冻结状态其内低传热组分（有机质、空气及水）占比高，导热系数（0.51～0.66 W/(m∙K)）低于粉质黏土等其他土类；在冻结状态其内水冻结为冰，导热系数（1.00～1.62 W/(m∙K)）显著提高，与其他土类相近。
2）现有的计算模型对草炭土导热系数的适用性均有所不足，主要是由于固体组分导热系数计算过程中对有机质组分传热性的“高估”，而 Nikoosokhan 模型及 Tian模型考虑了干密度及组分权重，分别对未冻结草炭土及冻结草炭土的导热系数取得了较好的预测效果。
3）基于土体导热系数参数模型的计算原理及草炭土性质-导热系数相关性分析，引入草炭土导热系数的主控参数，改进了高有机质草炭土导热系数模型，对未冻结草炭土 R2达0.95，对冻结草炭土预测精度 R2达0.75，可作为季冻区草炭土热物理性质的参数基础。
引用格式
贺元源，何玟，王力，等. 考虑有机质含量及分解度的草炭土导热系数模型改进[J]. 农业工程学报，2024，40(20)：120-128. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.202406007
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