黑河高山草甸冻土带水热传输过程

以黑河源区高山草甸冻土带的基本气象参数、植被参数和土壤水热性质参数为输入条件,利用CoupModel模型计算了试验点两个完整年度日尺度上的各种基本水热状况,计算结果较符合实测值(7层地温和土壤液态含水量平均R2分别为0.95和0.83).利用模型输出的土壤热通量和土壤水迁移分析了试验点季节性冻土区的水热传输过程:在土壤层开始冻结期,下层土壤液态水向冻结锋面集结,集结期向上的地热通量急剧增加;在冻结期,土壤热传导主要与上下层的土壤温度有关,土壤水迁移基本处于零通量状态;在融化期,在融化锋面未出现液态水分集结现象,融化层土壤水热传输过程迅速改变并与非冻结土壤一致,向下的地热通量急剧增加.     

高寒冻土地区草甸草地生态系统的能量-水分平衡分析

为了揭示青藏高原高寒地区土壤冻融过程对地表植被大气三者之间能量水分循环的影响, 在青藏高原风火山左冒孔流域(长江源)开展了不同植被盖度条件下冻土活动层水热状态的野外观测(在30%、 60%、 90%的草甸盖度下观测分层土壤水分及温度)和相关试验. 选取考虑了积雪、植被覆盖及枯枝落叶层对土壤冻融影响的水热盐分耦合模型SHAW为动力学约束模型, 进行参数率定及其模拟计算. 结果表明: 青藏高原地气间的能量交换主要受冻土、植被生长和地表土壤含水量的影响, 并且呈明显的季节性变化;未退化高寒草甸草地对青藏高原冻土具有明显的隔热保温作用, 可以降低冻土对气候变化的响应. 在土壤活动层冻结过程期间, 土壤水分具有向表层和深层两向分流汇聚的特征, 植被覆盖变化对水分运移通量有明显影响.     

大兴安岭秋季冻结期土壤水热变化对多年冻土泥炭地可溶性有机碳的影响北大核心CSCD

土壤温度和含水量是影响可溶性有机碳(DOC)变化的重要因素。然而,多年冻土泥炭地土壤DOC变化对秋季冻结期土壤水热变化的响应尚不明确。本研究选取大兴安岭3种多年冻土泥炭地[小叶章泥炭地(CP)、兴安落叶松-泥炭藓泥炭地(LP)、白毛羊胡子苔草泥炭地(EP)]作为研究对象,开展野外原位试验探究秋季冻结期土壤水热变化对多年冻土泥炭地土壤DOC变化的影响。结果表明:秋季冻结期土壤DOC含量表现为EP>CP>LP,平均含量分别为83.99、45.75和43.13mg·L^(-1)。在秋季冻结前期3种类型多年冻土泥炭地土壤DOC含量均呈波动下降趋势,中、后期CP,LP土壤DOC变化较平缓。在秋季冻结前期,CP整体土壤DOC含量随浅层土壤温度的降低而减少;在后期CP浅层和整体土壤DOC含量随浅层土壤含水量的增加而增加。在秋季冻结中期,LP浅层土壤温度升高和含水量的减少,降低了土壤DOC含量;LP整体土壤DOC的变化随着浅层温度的升高逐渐降低。在秋季冻结后期,EP深层和整体土壤DOC含量随深层含水量增加而增加。在整个秋季冻结期,LP浅层土壤DOC主要受地表温度驱动,深层土壤DOC则主要受深层含水量的影响;整体土壤DOC则受地表温度影响较大。研究表明秋季冻结期多年冻土泥炭地土壤水热变化驱动土壤DOC含量的变化。研究结果为多年冻土区碳循环和“双碳”背景下的碳排放研究提供基础科学数据。     

多年冻土区铁路路基导热系数监测与分析

为分析冻融过程、 道砟覆盖及降雨对多年冻土区铁路路基土体导热系数的影响, 对青藏高原多年冻土区铁路路基试验段和天然地表土体开展导热系数、 温度、 水分原位监测。结果表明： 融化期导热系数波动均明显大于冻结期, 天然场地导热系数在冻结期大于融化期, 而无道砟覆盖路基土体和道砟覆盖路基土体的导热系数在冻结期小于融化期, 与通常的认知和温度场模拟取值相反; 道砟层的保温和阻水效应导致道砟覆盖路基土体含水量和导热系数均小于无道砟覆盖路基土体, 冻结期路基土体导热系数有减小趋势, 道砟覆盖路基土体尤为显著; 降雨入渗增大土体导热系数, 低含水量的道砟覆盖路基土体导热系数对降雨的响应最强烈。寒区路基工程数值模拟时, 应考虑水热变化对导热系数的影响, 不宜采用固定相变区间的分段函数或阶跃函数预估导热系数。     

地下水浅埋条件下越冬期土壤水热迁移的数值模拟

应用土壤冻融过程中水热耦合迁移模型,对内蒙古河套灌区地下水浅埋条件下整个土壤冻融过程进行了模拟,分析了越冬期土壤水热迁移规律．结果表明,快速冻结阶段土壤冻结速度随深度线性减小．冻结过程中某一深度处的含水量增量与冻结速度呈双曲线型相关关系．提出了土壤冻融过程中的特征含水量概念,以描述土壤含水量的动态变化特征．     

唐古拉地区活动层土壤水热特征的模拟研究

利用唐古拉监测点实测气象及活动层土壤水热资料,结合SHAW模型,对青藏高原高海拔多年冻土区活动层土壤的水热特征进行了模拟研究,并与观测结果进行了对比.结果显示:SHAW模型对活动层陆面能量通量(净辐射、地表面热通量、潜热及感热)和活动层土壤温度的模拟比较成功;对活动层水分的模拟结果参差不齐,有些深度土壤水分模拟不理想,但有一半以上观测深度的模拟结果相对较好.土壤水分模拟结果产生误差的原因比较复杂,初始含水量的选取、土壤结构参数及水热动力学参数的不确定性是导致模拟结果误差的可能原因.总体上,SHAW模型是研究高海拔多年冻土区活动层土壤水热过程较理想的陆面模式.     

青藏高原风火山流域坡面尺度活动层土壤水热时空变化特征

以风火山流域某阴坡坡顶、 坡底和阳坡坡底活动层土壤水热及气象资料为基础, 对青藏高原多年冻土区不同地形条件下的土壤水热时空变化特征进行了分析。结果表明： 在融化阶段, 除表层5 cm外, 阴坡坡底各深度土壤开始融化日期均比坡顶早, 比阳坡坡底晚; 阴坡坡脚各深度土壤含水量均大于坡顶和阳坡坡底。在冻结阶段, 开始冻结日期在阴坡坡底均比坡顶早, 但比阳坡坡底晚; 阴坡坡底各深度土壤含水量均高于坡顶相应土层的含水量, 在20 cm、 100 cm、 160 cm深处高于阳坡相应土层的含水量, 但在5 cm、 50 cm深处, 稳定冻结后两者的含水量差异较小。在整个冻融过程中, 阴坡坡底土壤温度对气温变化的响应弱于坡顶及阳坡坡底, 但其土壤水分对降水的响应强于坡顶及阳坡坡底。植被生长发育受水分和热量条件的制约, 不同地形条件下水热时空变化差异将影响植被空间分布特征。在未来气候变暖情况下, 上坡位植被可能因为水分胁迫而退化, 出现荒漠化现象, 而下坡位由于受侧向流的影响, 土壤水分对降水的响应强烈, 植被不会发生显著退化; 在不同坡向之间, 同一坡位阳坡植被退化程度可能大于阴坡。     

高富水卵砾石地层热物理参数试验研究

冻结法施工设计过程中地层的热物理参数是必须明确的指标, 为了探明高富水卵砾石地层热物理参数以及各参数与影响因素之间的相互作用关系, 本文以现场取回卵砾石样为研究对象, 通过自制试验装置测量试样起始冻结温度、比热容和导热系数, 探究含盐量对试样起始冻结温度的影响, 试样比热容、导热系数与冻结温度之间的相互作用关系, 试验结果表明:随着含盐量升高, 试样中水分的蒸气压不断下降, 造成试样需要更低的温度, 释放更多的能量才会发生冻结, 试样随着含盐量的升高起始冻结温度下降, 1、2、3号试样平均起始冻结温度从-0.46 ℃下降到-1.15 ℃; 随着冻结温度的降低试样中水分冻结, 卵砾石试样中含冰量增多, 未冻水含量减少, 由于冰的比热容是水的一半, 致使比热容不断下降, 卵砾石试样比热容从1.60 J·(g·℃)-1下降到1.06 J·(g·℃)-1; 随着冻结温度的降低试样含冰量增多, 含水量减少, 由于冰的导热系数远远大于水的导热系数, 致使卵砾石试样导热系数不断上升, 由1.71 W·(m·K)-1增加到2.13 W·(m·K)-1; 由于试样中含冰量、未冻水含量随温度不断变化, 固态和液态水的相变, 导致试样热物理性质随温度不断发生改变。     

VIC-CAS导热率和未冻水算法改进及其对多年冻土水热过程模拟的实验研究

冻土水热过程的准确模拟对于理解和预估冰冻圈变化对水资源和生态的影响具有重要意义,其中,导热率和未冻水是多年冻土水热模拟中的两个关键参数。在VIC-CAS模型的基础上,分别尝试用EBM的导热率算法和CLM 5.0的未冻水算法替换VIC-CAS模型中的导热率和未冻水算法,并利用长江源区沱沱河站的观测数据进行了数值模拟对比试验,分析了不同的导热率和未冻水算法对土壤分层温湿度模拟的影响。结果表明：EBM导热率算法对浅层土壤的温度模拟优于原算法,而在深层土壤的模拟效果变差;对浅层土壤湿度模拟改进不明显,而对深层土壤的模拟精度降低。CLM 5.0未冻水算法对土壤温度模拟影响较小,对浅层土壤的湿度模拟效果变差,但在深层土壤上优于原算法。这两种算法的对比实验为进一步改进VIC-CAS模型中冻土水热过程的算法提供了借鉴。     

冻结-冻融过程中水分运移机理

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.     

冻土导热系数研究现状及进展

冻土导热系数是影响冻土温度及热通量变化的一个重要参数,也是研究陆地表层水热盐耦合运移的基本物理参数。根据国内外研究现状,列举了导热系数的测试方法（稳态法和瞬态法）,总结并讨论了冻土导热系数的影响因素及其变化规律,并对目前已有的导热系数计算模型进行了比较分析。现有研究认为：土壤质地、温度和含水（冰）量、孔隙度、土壤有机质等是影响冻土导热系数的主要因素,因此,冻土土导热系数随这些影响因素的变化规律方面的研究工作非常多;而关于未冻水含量、土骨架组成及冻土结构等对冻土导热系数影响的相关研究较为缺乏。通过比较分析国内外土壤热导率计算的相关模型,认为适用于常温下导热系数的模型发展趋于成熟;而现存的适用于冻土区的导热系数计算模型多以一种或几种土壤条件为前提,或者多考虑局地因素影响,模型的适用性具有局限性。考虑到多年冻土区土壤受冻融循环影响较大,以及多年冻土内部水热传输过程的复杂性,多年冻土区导热系数的计算模型仍需进一步深入研究。     

Investigating soil thermodynamic parameters of the active layer on the northern Qinghai-Tibetan Plateau

The soil thermodynamic parameters, including thermal conductivity, diffusivity and volumetric capacity within the active layer on the northern Tibetan Plateau, were calculated using the measured data of soil temperature gradient, heat flux, and moisture at four stations from October 2003 to September 2004. The results showed that the soil thermodynamic parameters exhibited clear seasonal fluctuation. The thermal conductivity and diffusivity in summer and autumn at Beiluhe, Kexinling, and Tongtianhe were larger than those in winter. The volumetric thermal capacity causes an opposite change; it was larger in autumn and winter than in summer. In spring, the soil thermal conductivity at the Kekexili station was larger than that in summer. Generally, fine-grained soils and lower saturation degrees in the topsoil might be a reason for the lower soil thermal conductivity in winter. For a given soil, soil moisture was the main factor influencing the thermodynamic parameters. The unfrozen water content that existed in frozen soils greatly affected the soil thermal conductivity, whose contribution rate was estimated to be 55 %. The thermodynamic parameters of frozen soils could be expressed as a function of soil temperature, volumetric ice content and soil salinity, while for the unfrozen ground the soil moisture content is the dominant factor for those thermal parameters. As for the soil thermal diffusivity, there exists a critical value of soil moisture content. When the soil moisture content becomes less than a critical value, the soil thermal diffusivity increases as the soil moisture content rises.     

基于微观结构重塑的非饱和冻土导热系数预测

为预测非饱和冻土的导热性能,基于土体微观结构,提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法,并将该算法与传统有限单元法组合,建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像,采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率;改进传统的四参数随机增长法,提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法;基于生成的非饱和冻土模型,通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数,并与规范中冻土导热系数进行对比,验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差<4%）;通过多因素分析研究孔隙率、颗粒大小、土体导热性、饱和度以及结冰率对非饱和冻土导热性影响,各因素与导热系数的相关系数依次为：-0.352、-0.098、0.641、0.520和0.060,影响大小为：土颗粒导热性>饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。     

非饱和（冻）土导热系数预估模型研究

岩土材料的导热系数是岩土工程温度场分析及建筑热工计算中的重要参数。研究旨在建立一个基于归一化导热系数概念和以土的干燥和饱和状态导热系数为基准的非饱和土导热系数的通用预估模型。通过对文献中328组实测数据的分析发现,将同类土在不同密实度条件下的各种导热系数-含水率曲线簇进行归一化处理后,可以得到惟一的归一化导热系数kr与饱和度Sr（归一化含水率）关系,1/kr与1/Sr呈相关性较好的线性关系,而每支1/kr-1/Sr直线均通过坐标（1,1）点的斜率由土质类型决定。据此提出了一个集成土质类型、密实度（孔隙率）和含水率（饱和度）等因素综合影响的融土和冻土导热系数通用预估模型,并给出了导热系数预估模型中土质参数的取值范围,以及融土和冻土处于完全干燥状态和饱和状态的确定方法。对预估模型进行验证结果表明,所提出的非饱和土导热系数预估模型具有较好准确性。     

Study on the influencing factors of rock-soil thermophysical parameters in shallow geothermal energy

Thermophysical parameters are the main parameters affecting the utilization efficiency of shallow geothermal energy. Based on the research and evaluation data of shallow geothermal energy in capital cities of China, this paper analyzes the differences between two testing methods and finds that data measured in in-situ thermal conductivity test is closer to the actual utilization. This paper analyzes the influencing factors of thermophysical parameters from lithology, density, moisture content and porosity: The thermal conductivity coefficient of bedrock is generally higher than Quaternary system loose bed soil; as for the coefficient of bedrock, dolomite, shale and granite are higher while gabbro, sandstone and mudstone are lower; as for the coefficient of loose bed, pebble and gravel are higher while clay and silt are lower. As the particle size of sand decreases, the thermal conductivity coefficient declines accordingly. The thermal conductivity coefficient increases linearly with growing density and decreases in logarithm with growing moisture content as well as porosity; specific heat capacity decreases in logarithm with growing density, increases in power exponent with growing moisture content and decreases linearly with growing porosity. The thermal conductivity coefficient is high when hydrodynamic condition is good and vice versa. The conclusions of this paper have guiding significance for the research, evaluation and development of shallow geothermal energy in other areas.     

土体导热系数的评价与计算

土体的导热系数是土木工程热工计算的重要参数.土体的多孔介质性质决定了土体的导热性质与干土、气体及孔隙充填物(水)的含量有密切关系.实验测试结果表明,土体不论处于冻结还是融化状态,其导热系数均随干容重以及含水量的增加而增大.采用土体的物理性质指标,对土体的导热系数进行了分析,给出土体导热系数较为方便的计算方法,有利于工程设计计算参数的选取,同时与实验测试结果对比,有较好的吻合度.     

月球极区冻结模拟月壤物理力学特性研究

近年来越来越多的探测结果表明,月球极区永久阴影区月壤中存在水冰。水是人类赖以生存的化学物质,也是理解月球独特的形成与演化过程的关键环节。因此,各航天大国均将月球极区作为探月工程的重要目标。冻结月壤的导热系数和单轴抗压强度是月球极区原位探测取样的基础和关键参数。本研究采用低温试验研究了冻结模拟月壤的导热系数和单轴抗压强度。结果表明：冻结模拟月壤导热系数随含水率增大而线性增大,冻结模拟月壤的导热系数为0.2~1.3 W?m^-1?K^-1。冻结模拟月壤单轴压缩过程中发生脆性破坏,5%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为5 MPa,10%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为13 MPa。在初始加载阶段,干密度相同、含水率不同的冻结模拟月壤试样因微裂纹压密导致的应变量基本相同;在线弹性阶段,冻结模拟月壤有效弹性模量随含水率增大而增大,其主要原因是含水率增大使得月壤颗粒间的冻结强度增大;在破坏阶段,含水率较高的冻结模拟月壤表现出脆性破坏特征,含水率较低的冻结模拟月壤表现出更显著的塑性特征。研究结果将为月球永久阴影区水冰探测方案制定、探测器研制等提供基础的科学数据支撑。     

基于微观结构的青藏高原风积沙导热系数变化机理研究

风积沙作为青藏高原一种重要的局地因素, 改变了多年冻土的赋存条件. 风积沙的导热系数特征对预报分析其对冻土赋存有利或者不利具有重要作用. 采用非稳态法对青藏高原红梁河风积沙进行了导热系数测试, 并结合电镜扫描/能谱分析, 从微观结构的角度探讨了风积沙的导热系数变化机理. 结果表明: 研究区风积沙平均粒度为242.427 μm; 标准偏差值为0.125, 分选极好; 偏度为0.359, 接近对称; 峰度值为1.086, 峰态中等; 颗粒粒径主要分布在75～500 μm之间, 沙粒均匀, 不含黏土及砾石成分, 自然堆积状态下其孔隙率为0.391. 天然状态下的风积沙颗粒呈类球形, 颗粒磨圆度高, 点与点接触, 颗粒间孔隙较大; 表面有明显撞击坑和擦痕, 这导致颗粒的比表面积增大, 连通性增强, 孔隙率增加. 干燥状态下风积沙颗粒的相互接触面积较小, 孔隙由空气填充, 导热系数较低; 而在湿润状态下, 正温时孔隙中的水间接增大了风积沙的接触面积, 导致其导热系数增大; 负温时, 孔隙内的水变成冰, 从而导致导热系数进一步增大. 天然状态下, 暖季地表风积沙含水量较低, 导热系数较低, 而冷季地表风积沙含水量较大, 导热系数较大. 此外, 风积沙为颗粒物质, 表面光滑, 颗粒之间粘性小, 孔隙未被填堵, 结构松散, 这些因素导致自然堆积状态下其渗透系数较一般细砂大, 透水性良好, 保水性差, 是防冻胀较好的换填材料.     

昆仑山地区冻融土导热系数试验测试与预测模型研究

为探究青藏高原工程走廊带昆仑山地区冻融土导热系数基本特征,采用瞬态平面热源法对钻取的349组冻土试样和245组融土试样导热系数进行了测试,分析了五类土导热系数分布特征及天然含水率、干密度与导热系数的偏相关性,并以两者为变量因素建立了经验公式拟合、支持向量回归（SVR）和径向基（RBF）神经网络导热系数预测模型。结果表明:冻融土导热系数整体均呈粗颗粒土大于细颗粒土特征,且冻土和融土导热系数随土性分布规律存在差异;天然含水率、干密度与导热系数均呈正相关性,不同土类偏相关性结果差异明显,典型土导热系数二元经验回归方程表现为非线性拟合结果。对比三种预测模型下各典型土冻融土导热系数预测结果,全风化千枚岩、角砾及砾砂三种预测模型效果整体较佳,粉土的SVR及RBF神经网络预测精度较好;融土导热系数预测效果整体略优于冻土,SVR及RBF神经网络模型下角砾、粉土及全风化千枚岩融土导热系数预测精度较高。综合导热系数模型预测效果和误差结果分析可得,SVR和RBF神经网络模型预测效果显著优于经验方程拟合,后者针对部分土性拟合效果相对较好,可满足一般工程估算需求;SVR和RBF神经网络预测模型针对不同土性导热系数预测效果呈差异性变化,整体预测效果相当,且预测精度更高、应用土性范围更广。