冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

青藏高原唐古拉多年冻土区冻融循环过程中的能量平衡特征

青藏高原多年冻土区冻融循环过程对地表能量及其分配的影响研究相对较少,青藏高原唐古拉站多年冻土的实测资料,依据10 cm土壤温度划分浅层土壤冻融循环的各个阶段并结合能量闭合率、地表能量各通量等数据探讨浅层土壤冻融循环过程与地气间水热交换过程之间的影响。结果表明：浅层土壤冻融循环过程各阶段均受气候变化的影响,其融化过程起始时间提前同时冻结过程起始时间推后,完全融化阶段持续时间增加,且逐渐接近完全冻结阶段持续时间;在浅层土壤不同冻融状态下,能量闭合率差值较大,其中完全融化阶段能量闭合状况普遍好于完全冻结阶段;净辐射值在完全融化阶段高于完全冻结阶段,净辐射在完全冻结阶段主要转化为感热通量,在完全融化阶段主要转化为潜热通量,地表土壤热通量在完全融化阶段为正值,在完全冻结阶段为负值。     

冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析

为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响, 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象, 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明： 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响, 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期, 冻结层含水率几乎都呈增加趋势, 其中浅层土壤增幅最大; 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大, 反之则小。融化期, 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm, 水分损失以蒸发为主, 冻结层对土壤蒸发有抑制作用; 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异, 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。     

青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征

青藏高原被誉为“中华水塔”, 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）, 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致, 但滞后于日平均气温的变化, 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同, 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征, 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时, 季节冻土消融速率大于冻结速率, 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中, 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移, 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中, 各土层土壤含水量逐渐增加, 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系, 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。     

被动微波遥感近地表土壤冻融状态数据产品对比及分析

近地表土壤冻融循环过程是陆面过程的“开关”,对地表能量过程、水文过程、植被动态、温室气体交换和生态系统功能等都具有重要影响。除了依靠传统观测手段判别地表冻融,被动微波卫星遥感技术已被成熟运用于全球尺度地表冻融研究中。利用被动微波卫星遥感亮温监测地表冻融大致经历了理论基础和算法的研制、算法参数的验证和应用以及建立数据集三个主要过程,并基于不同的算法针对不同目的分别发布了不同地区、不同时间序列的近地表土壤冻融数据集。以中国气象局435个气象台站观测的0 cm土壤温度为标准,对比分析了基于目前较为通用的双指标算法、单指标算法、决策树算法和判别式算法建立的近地表土壤冻融数据集的分类结果。结果表明：单指标算法数据集冻结指标的平均值与观测资料最接近,其偏差和均方根误差最小,而决策树算法由于全局采用单一的37 GHz垂直极化亮温阈值,低估了地表冻结,导致偏差和均方根误差最大。近地表土壤冻融数据集和观测资料均表明随着全球变暖,近地表土壤呈冻结首日推迟、冻结终日提前和冻结天数减少的趋势。通过对不同冻融数据集的比较研究,为未来被动微波卫星遥感算法改进、近地表土壤冻融数据的合理使用提供了可靠的科学依据。     

冻融期土壤水盐变化特征分析——以黑河上游祁连县阿柔草场为例

冻融作用是土地盐碱化的形成机制之一,对冻融区春季积盐有明显的控制作用.在冻融过程中,土壤剖面结构发生变异,形成冻结层、似冻结层和非冻结层.以祁连山黑河上游阿柔草场为例,研究了解冻期土壤水盐运移变化特征.阿柔草场隶属青海祁连山地区,地处西北高寒地区,为季节性冻土区,大面积土壤经历冬冻春融的冻融循环.这种循环引起了土壤中水分和盐分运移的特殊规律,即冻结时土壤中的水分和盐分向冻层迁移,使得冻层的土壤含盐量明显增加;而融化时,由于地表蒸发,土壤中的水分和盐分又向地表强烈迁移,从而造成盐分在地表积聚,诱发盐分两次抬升.     

青藏公路沿线多年冻土区活动层起始冻融时间的时空变化特征和影响因素

多年冻土区活动层冻融格局对气候系统、能量平衡、水文过程和生态系统有重要的影响,地表冻融时间是反映冻融格局时空变化的重要指标。为了探明多年冻土区活动层起始冻融时间的影响因素和机制,通过对青藏公路沿线8个典型活动层观测场地表起始融化时间（OOT）和起始冻结时间（OOF）进行研究,分析了不同观测场起始冻融时间的时空差异及其影响因素。结果表明：（1）青藏高原多年冻土区活动层起始融化主要发生在4月中下旬,起始冻结主要发生在10月中下旬。OOT的年际变化幅度远大于OOF,每年起始冻结的发生较起始融化更为准时。（2）起始融化发生时的气温普遍比起始冻结发生时高1~4℃。气温对OOT的影响要比对OOF大,其中OOT的变化主要与春季气温有关,冬季气温对其影响不大。（3）植被和土壤水分对OOT和OOF有重要调节作用,土壤含水率越高,植被状况越好,起始融化和冻结的发生时间往往越迟。（4）在起始融化和冻结阶段,厚度较大和持续时间较长的积雪对地温变化有明显的抑制作用,对OOT和OOF有延迟作用。     

地基微波遥感评估黄河源区草原下垫面土壤冻融过程研究

土壤冻融过程对气候变化非常敏感,如何准确监测土壤冻融过程具有重要的科学意义。利用2017年6月至2018年6月中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站玛曲观测场地基微波辐射计观测数据、浅层土壤温度和近地面气温数据,通过构建归一化极化比值冻结因子、极化差值冻结因子、组合水平极化差值冻结因子和组合垂直极化差值冻结因子等不同土壤冻结因子,评估了黄河源区草原下垫面土壤冻融过程。结果表明：L波段微波辐射计监测土壤冻融状态的结果与近地面气温和浅层土壤温度表征的土壤冻融过程基本一致。当入射角为50°时,归一化极化比值冻结因子和极化差值冻结因子与实测数据的一致性分别达到83.6%和82.8%。每种冻结因子具有明显的季节性变化,四种冻结因子在春季时的准确度低于夏、秋、冬三个季节。归一化后的相对冻结因子的标准差在秋季最大,可达0.3;在冬季和夏季最小,值小于0.2。在土壤发生冻结和融化转换时,垂直极化和水平极化下的亮温同时下降,其差值较完全冻结或者完全融化时的亮温差大。研究结果可为微波遥感监测土壤冻融过程提供技术参考。     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征

利用位于典型多年冻土区的唐古拉综合观测场2007年9月1日—2008年9月1日实测活动层剖面土壤温度和水分数据,对多年冻土区活动层的冻结融化规律进行研究;同时,对冻融过程中的活动层土壤液态水含量的变化特征进行分析,探讨了活动层内部土壤水分分布特征及其运移特点对活动层冻结融化过程的影响. 结果表明：活动层融化过程从表层开始向下层土壤发展,冻结过程则会出现双向冻结现象. 一个完整的年冻融循环中活动层冻结过程耗时要远远小于融化过程. 活动层土壤经过一个冻融循环,土壤水分整体呈现下移的趋势,土壤水分逐步运移至多年冻土上限附近积累. 同时,土壤水分含量和运移特征会对活动层冻融过程产生显著的影响.     

青藏高原土壤冻结始日和终日的年际变化

利用青藏高原1981-1999年青海和西藏58个气象站观测的土壤冻结上、下限记录,分析了冻结始日、冻结终日的空间分布和年际变化特征.结果表明:最早、最晚和平均冻结始日的分布基本一致,都是由北向南逐渐推迟的;最早、最晚和平均冻结终日的空间分布也比较一致,呈现南北早、中部晚的特点.在20世纪80年代高原土壤冻结多偏早,解冻多偏晚,冻结日数偏多;而90年代正好相反,冻结多偏晚,解冻多偏早,冻结日数偏少;冻结始日有明显的3～4a周期变化,冻结终日有明显的准7a周期变化;1981年、1982年为冻结早、解冻晚年,1983年、1990年为冻结晚、解冻晚年,1993年、1999年为冻结晚、解冻早年.     

冻融试验对土中含水量分布的影响

The silty clay and silty loam are two typical soil types obtained from two test sites along the Qinghai-Tibet railway. The two types of soil have been designed various initial dry densities, water eontents, temperature conditions in repeated freezing and thawing tests with free access to water at the bottom. Afterfreeze-thaw cycles, the moisture content in the freeze-thaw zone increases more than that in the unfrozen zone to the peak approximately at the top of the samples. With comparison of the water contents in the frozen and thawed states, the moisture content in the upper freeze-thaw zone in the frozen state is greater than that in the thawed state, while that in unfrozen zone in the frozen state is smaller than that in the thawed state. Within the region of the frost front, the water content in frozen state is smaller than that in thawed state. These findings help to study the freeze-thaw mechanisms deeply and perfect the forecasting module of moisture transferring in freeze-thaw cycles.     

适用于冻土的广义非线性强度准则

冻土与融土的主要区别是冰,温度变化影响着孔隙冰含量,进而影响着冻土的物理力学性质．广义非线性强度准则用一个表达式描述了材料在“平面及子午面上的非线性强度特性,其在主应力空间的π平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则之间的光滑曲线,子午面上的破坏函数为幂函数曲线．在该准则的框架下,通过国内学者已取得的冻土材料的...     

冻融条件下模型桩基水平动力试验研究

基于自制的冻土-桩动力相互作用模型试验系统,对-5℃、-3℃及上层融化多年冻土中模型桩基进行了水平向动力试验,主要研究了冻结及上层融化冻土中模型桩基的桩头位移-荷载关系、桩基水平动刚度变化及桩身弯矩分布情况。结果表明：冻土中桩基动力响应特性与土体温度密切相关;正冻土中桩基有较大的侧向刚度,当冻土与桩接触面出现较大间隙时,桩头位移-荷载曲线呈反S形;桩基动力性能随多年冻土温度降低将有所改善;当冻土上部出现融化层时,桩基动响应变化显著,桩头动刚度明显减小,桩基在较小动载下可发生较大侧向位移,同时桩身最大弯矩值较正冻土中偏大,且此弯矩点埋深较大。对于多年冻土区桩基工程,应特别重视夏季上层冻土融化时可能出现的震害。     

The effect of soil salinity and the organic matter content on the thermal properties and unfrozen water content of frozen soils at the west coast of Baydarata Bay

This paper reports on laboratory results on the composition, structure, and properties of frozen and thawed soils on the western coast of the Baydaratata Bay. Experimental data that focus on the unfrozen water content and thermal properties of different soils are discussed and summarized. This effects of soil salinity and organic matter content on these properties were evaluated for frozen and thawed soils.     

高温冻土物理力学特性研究现状

高温冻土又称近相变区冻土, 通常用来描述相对较高温度的冻土. 由于其温度区间处于冻土的剧烈相变区, 冻土中冰和未冻水的比例对温度的变化极其敏感, 因此, 高温冻土的物理力学性质具有强烈的不稳定性, 极易在温度变化的影响下发生实质性改变. 基于有关高温冻土物理力学性质研究的文献, 综述了高温冻土的定义及其温度界限, 同时论述了未冻水对高温冻土物理力学性质的巨大影响, 并提出了一种在冻结状态下高温冻土中未冻水孔隙水压力的测试方法. 重点从强度特征、变形特性以及本构模型三方面对高温冻土力学特性的研究现状进行了总结和分析, 并提出要进一步探究高温冻土变形机理及本构模型, 可以为高温不稳定多年冻土区各类工程的基础变形及稳定性预报、评价提供理论基础.     

地面冻结数模型及其在青藏高原的应用

地面冻结数模型可用于分析、模拟和预测多年冻土的分布, 在高纬冻土地区有比较成功的应用. 然而Nelson提出的地面冻结数模型并不具备明显的物理意义, 往往被归入经验统计范畴. 从Stefan公式出发, 重新推导并详细讨论了地面冻结数模型, 使冻结数F=0.5作为多年冻土与季节冻土的分界线具备明确的物理意义. 重新推导后的模型增加了一个影响冻土形成和发展过程的并取决于岩土冻融性质的因子E, 原Nelson地面冻结数模型可作为E=1时的特例给出. 根据青藏高原实测地面温度资料, 针对不同的E值, 分别模拟了青藏高原的冻土分布情况. 对比分析表明, 处在多年冻土南北界附近的土壤性质较明显影响了多年冻土在这些区域的分布情况, 通过对参数E的调参, 可以更好地模拟多年冻土的真实分布情况.     

硫酸盐渍土在不同降温速率下的盐胀规律

降温速率对硫酸盐渍土的盐胀率有显著影响。随降温速率的减小，各种含盐量、密实度的硫酸渍土的盐胀率以幂函数增长，其通式为ｙ＝ＡＶＴ＾－Ｂ，但其增长规律彼此又有显著差别，主要表现在Ａ、Ｂ参数的变化上，在试验范围内，Ａ、Ｂ值随含盐量的增加而增加，随密度的增大而减小。     

Some aspects of artificial thawing of frozen soils

Despite its important practical value the problem of artificial thawing of frozen soils by the vertical, cylindrical defreezer-pipe method has been studied only comparatively recently.

To facilitate excavation and/or foundation work in frozen soil in seasonally freezing and/or permafrost regions, the frozen soil can be loosened up, among other methods, by artificial thawing. For this purpose it is necessary to evaluate the amount of thermal energy needed to bring about the desired thawing. Such an evaluation involves consideration of the relationships between the frozen and thawed soil properties; temperature of the defrosting agent; the size and spacing of the defreezer pipes; and the time required to thaw a certain amount of frozen soil. Although in practice several methods are used for artificial thawing, in this paper, discussion on and calculations for defrosting of frozen soil are presented relative only to thawing by means of vertically installed defreezer pipes.     

冻土与盐溶液系统中热质迁移及变形过程试验研究

用1.2MPa外载固结并冻结的高岭粘土与2mol浓度的氯化钠低温溶液相接触,由于冻土与盐溶液间的水势梯度,引起等温条件下,水分和盐分从溶液向冻土中迁移。冻土中部分区段由于含盐浓度增高,冰点下降、冻土融化并产生吸热效应。融化界面以上的冻土中,由于水分积聚,冰分凝,形成条带状构造并产生放热效应。冻土出现以冻胀为主的变形。水、盐迁移通量及变形量随时间按指数规律衰减并随外载增大和温度降低而减小。