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非饱和带是由固、液、气三相构成的一个复杂系统,是联系大气水、地表水和地下水的纽带。非饱和带的土壤温度和水分变化受气候影响的较大,在干旱、半干旱地区尤为显著。土壤中温度的变化会导致水分迁移,引起含水率的变化,反过来含水率的变化又会引起土壤的温度变化,其变化和机理研究成为农业、水利、地热利用等工程领域关注的重点。 本文以忻州地区砂土为研究对象,以砂土(粗砂、中砂)的基础物性、热物性参数分析为基础,通过搭建的一维非饱和砂土水热耦合迁移实验台,研究了不同温度(30℃、40℃、50℃)和含水率(5%、10%、15%)条件下的水热耦合迁移规律,为浅层地温能的合理、有序开发利用提供技术支持。 实验结果表明:(1)在含水率相同的条件下,随着热源温度的增加,粗砂和中砂的温度和水分变化范围逐渐增大,随测点与热源距离的增加,其变化幅度逐渐减小,且粗砂的变化距离、幅度均大于中砂。在热源附近(距热源30mm处),当热源温度由30℃增加到50℃时,粗砂的温度和含水率的增幅分别为74.33%和16.24%,中砂的增幅为62.55%和11.84%。在距热源580mm处,砂土的温度和水分变化已不明显,粗砂的温度和含水率的增幅分别为11.13%和8.76%,中砂的增幅分别为10.84%和2.73%。 (2)在热源温度相同的条件下,随着含水率的增加,粗砂和中砂的温度和水分变化幅度逐渐减少,粗砂的变化范围大于中砂,随着测点与热源距离的增加,其变化幅度逐渐减小。在热源附近(距热源30mm处),当含水率由5%增加到15%时,粗砂的温度和含水量的降幅分别为19.55%和56.46%,中砂的降幅分别为12.63%和24%。在距热源580mm处,砂土的温度和水分变化已不明显,粗砂的温度和含水率的降幅分别为2.67%和2.79%,中砂的降幅分别为5.39%和1.52%。 (3)热源温度、初始体积含水率对试验砂柱中砂土温度和含水率的分布均有影响作用,但经过对比发现热源温度是影响水热迁移的主要因素,初始体积含水率对其影响较小。