季节性冻土区包气带水汽热耦合运移研究进展

季节性冻土区占据中国超过一半的国土面积,冻融作用会显著改变土壤性质与包气带水、热传输过程,并且由于季节性冻土广泛分布在干旱半干旱地区,温度与气态水对于土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究不仅更符合季节性冻土区实际情况,同时对于揭示土壤水循环机制十分关键。本文综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐述了季节性冻融作用对水汽热耦合运移研究中水力参数及水分相态转化过程的影响,探讨了水汽热耦合模型适用性,并归纳总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性。最后,对该领域尚需加强研究的方向提出看法与建议,以期为深化包气带水汽热耦合运移理论以及解决季节性冻土区相关实际问题提供科学依据。     

融雪期季节性冻土湿度变化对融雪洪水的影响

利用天山北坡军塘湖流域2009、2010年春季融雪期季节性冻土湿度、雪深及流量数据,对春季融雪洪水与季节冻土的湿度变化进行分析,结果发现:(1)融雪期融雪洪水的流量与雪深、季节性冻土的湿度具有密切的关系,雪深及季节性冻土的湿度决定着融雪洪水峰值变化;(2)季节性冻土表层10 cm范围内湿度的变化会导致融雪洪水的产生,而10 cm以下季节性冻土的湿度剧烈变化引起融雪水的下渗而削弱了洪峰、降低了峰值.季节性冻土湿度的变化改变了下垫面的产流方式,研究季节性冻土湿度变化对融雪洪水的影响,对春节融雪洪水的预报具有重要意义.     

松嫩平原土壤水分动态的研究

松嫩平原地域辽阔,位于北纬44°30'-50°。冬季严寒,漫长而少雪,夏季湿热,短促多雨。年平均气温1-4℃,土地冻结深度1.8-3.0米,是我国最北部的季节性冻土区。由于一年中冻土存在的时间达7-12个月之久,形成了土壤水分动态的特殊类型,既不同于非冻结区,也不同于永久性冻结区。本文着重探讨松嫩平原低部季节性冻土的土壤水分动态规律和特点。     

冻融状态和初始含水率对土壤力学性能的影响

冻融状态影响土壤的抗剪强度从而威胁季节性冻土地区的工程安全、边坡稳定以及土壤流失。通过直剪试验测定了不同冻融状态和初始含水率对青藏地区(S1)和北京地区(S2)土体抗剪强度的影响。结果显示,2种土在未冻和已融状态下的抗剪强度相似,且均随着土含水率的增加而减小,但S1土抗剪强度比S2土大7.5%~9.7%;在冻融状态下,S1土抗剪强度随着土含水率的增加而增大,而S2土则随之减小。S1冻融土抗剪强度在低含水率(≤13.5%)时小于未冻土和已融土,而在高含水率(≥24.5%)时则反之;S2冻融土抗剪强度小于未冻土和已融土。在冻融状态下2种测试土的内摩擦角显著小于未冻土和已融土,而黏聚力整体上则大于未冻土和已融土。与未冻土或已融土相比,2种土在冻融状态下的强度相对较低,宜作为季节性冻土地区工程设计以及土壤流失防治的基本状态。     

模袋混凝土衬砌梯形渠道冻胀适应性研究

为探明开放系统条件下梯形渠道渠基土冻胀对混凝土衬砌结构破坏规律,该文在水热力三场耦合理论的基础上,考虑毛细作用及薄膜水迁移理论,采用动态变化的上下温度边界,利用多场耦合软件COMSOL模拟了渠基土67 d的冻胀过程,得出渠基土冻胀量。在此基础上,考虑模袋对冻土与混凝土间接触行为的影响,利用有限元软件ABAQUS模拟冻土与普通混凝土、冻土与模袋混凝土间接触力学行为,最终得出衬砌不同位置处应力场及位移场。结果表明:在距离渠底约1/3坡长处、渠底中心处冻胀量较大,渠顶处冻胀量最小;普通混凝土所能适应的最大不均匀冻胀量为2.98 cm;模袋混凝土的使用改变了冻土与混凝土间的接触行为,应力最大值约为普通混凝土的1/250,季节性冻土地区采用模袋混凝土可显著提高对不均匀冻胀量的适应性。该模拟结果与工程实际结果吻合度较好,研究结果可为开放系统下季节性冻土区梯形渠道的工程设计提供参考和依据。     

北方寒冷地区水渠的地震动力响应特征

冻土中的含水量和含冰量受温度直接影响,因此温度对季节性冻土的冻结层的力学性质有显著的影响。北方寒冷地区水渠的地震动力响应随季节变化会呈现出差异。该文运用冻土物理学、冻土力学、数值传热学、高等土力学及土动力学等基本理论,建立了北方寒冷地区水渠的水-热-动力耦合数学模型,并编制了相应的数值分析程序。最后,以北方寒冷地区某一监测输水渠道为例,对修建后第10年水渠在地震荷载作用下的2个典型时期的地震动力响应问题进行了数值分析。结果表明,当发生地震时,水渠加速度呈显著季节差异,渠底和渠顶加速度在温度环境最低时(1月15日)最大值分别为1.160、1.476 m/s~2,在温度环境最高时(7月15日)其最大值分别为1.360、1.785 m/s~2;水渠速度无显著差异,渠底和渠顶的水平速度在1月15日最大值分别是0.145和0.149 m/s,7月15日其最大值分别是0.146和0.150 m/s;在地震结束后,水渠发生残余位移并呈倾斜分布,渠堤出现较大的相对位移,7月15日水渠最大位移为5.6 cm。该研究成果可为北方寒冷地区同类型工程的设计与维护提供参考。     

干旱区季节性冻土冻融状况及对融雪径流的影响

利用天山北坡季节性冻土区的军塘湖流域观测场2013年和2014年冻融期冻土深度及各层土壤的温湿度数据,研究季节性冻土的冻融规律及冻融过程中土壤含水量的变化特征,探讨各层土壤水分分布及迁移特征对融雪径流的影响。结果表明:冻融过程中冻土深度会发生变化,且温度不同冻融速率不一;土壤水分的迁移受制于土壤温度的变化,特别是表层10cm土壤温湿度相关性极大;对比2013年,2014年数据,土壤表层10cm内的含水量变化会对融雪水的下渗有调控作用,从而影响下垫面的径流量。研究季节性冻土冻融过程及对融雪径流的影响,会对准确预报融雪性洪水有重要意义。     

三江源地区冻土/非冻土期近地层能量平衡特征及其影响因子分析

利用三江源地区2018年1-12月涡动相关系统的观测数据,分析该地区冻土/非冻土期内各能量分项支出分配特征和能量平衡闭合率及其影响因子,以揭示其能量平衡特征。结果表明:显热通量、潜热通量、土壤热通量变化趋势与净辐射相似,且在年尺度、日尺度上具有典型的单峰型变化,但潜热通量、土壤热通量的峰值出现时间具有滞后性。非冻土期内,显热、潜热支出以及土壤吸收的热量占总能量的比例分别为0.38、0.37、0.10;而在冻土期内,上述各能量的支出比分别为0.54、0.19、-0.01。全年能量平衡闭合率为0.69,能量平衡闭合率在冻土期和非冻土期内分别为0.63、0.74。三江源地区冻土期内显热支出为主要能量消耗方式,且在该时段内影响能量平衡闭合率的因素主要是湍流动力因子;非冻土期的能量消耗方式为潜热和显热,热力和动力因子均对能量平衡闭合率产生影响。     

积雪对地面热状况的影响

加拿大学者研究了积雪对地温稳定性的影响,结果显示,冻土区的土壤导热率比非冻土区的要大。在多年冻土区,积雪状况决定年均地温。有积雪覆盖存在时,年均地温提高了几度。在季节性冻土区,温度的增加主要取决于积雪持续时间,受积雪堆积过程中的参数影响不大。最大最小温度包络线的宽度越小,年均地温的图像越接近冰点。即使是在地表裸露或相类似的情况下,随深度增加温度包络线宽度变小,年均地温接近零点。在多年冻土区,有积雪覆盖时,随着深度的增加,年地温波动的振幅减小;与此相反,在季节性冻土区,有积雪覆盖时,随着深度的增加,年地温波动的振幅加大。春季融雪率对年均地温的影响不大。     

西北地区季节性最大冻土深度的分布和变化特征

利用西北地区1961～2000年101个代表站的年冻土观测资料,采用EOF、REOF、小波分析方法,分析了西北地区季节性最大冻土深度的分布状况及其变化特征。结果表明,西北地区多数地区平均最大冻深在0.5～2m之间,平均2m以上的只有在新疆的天山,青海东北部的祁连山区有零星分布。近几十年来,西北地区整体最大冻深减小,上世纪90年代是近几十年来最大冻深最浅的时期,其中变化最明显的区域是新疆;西北最大冻深的变化可分为五个敏感区:西北中部区、南疆区、北疆区、青藏高原区、西北东部区。各区最大冻深随时间变化趋势有所不同,西北中部区、南疆区几乎呈直线下降,上世纪90年代的平均最大冻深均比上世纪60年代减少了0.1m,北疆区和西北东部区呈小-大-小的抛物线型式变化,最大冻深的变幅相对较小,青海高原的最大冻深则表现出与其他区域相反的变化趋势,是一个由大-小-大的变化过程,上世纪90年代比上世纪80年代平均最大冻深增加了0.57m。不同地区因其地形、土壤、控制的气候系统有所差异,变化周期有所差别,但其周期尺度基本相似。在影响冻土的因素中,干旱区以冬季气温较为显著,而半干旱半湿润区则以地温和封冻前的土壤水分的影响更为显著。     

河套灌区农田防护林网内土壤季节性冻融过程及水盐运移

为了解内蒙古河套灌区农田防护林内冻融期土壤水盐状况及运移规律,在2020年10月至2021年4月实测土壤水分、盐分、温度及相关气象数据,并进行相关分析.结果 表明:土体表层温度波动较大,随土层深度加深土体温度变化逐渐平缓.冻结期气温下降速率低于消融期气温回升速率,加之土壤温度变化的滞后性,冻结期比消融期长10天左右.季...     

景电灌区次生盐渍化土壤冻融特征

通过对景电灌区一个冻融周期的现场观测,发现盐渍化土壤冻结期缩短,冻结深度减小,冻结起始位置不是地表,而是位于地表以下某个深度,这导致在冻结发展期间有两个冻结锋面出现,使水热盐动态更为复杂。     

季节性冻融土壤的冻融特点和减渗特性的

本文基于季节性冻土地区冻融期间自然冻融土的大田入渗试验,分析了田间耕作土壤的冻融特点,讨论了冻融土壤的减渗特性;探讨了冻融土壤的减渗机理。研究结果表明：在不同的冻融阶段,土壤冻层的形态,厚度、层数和层位不同,对入渗水流的控制和影响不同;冻结土壤的减渗特性随冻融阶段的变化面变化;而结条件下,土壤导水率的减小是其入渗能力减小的根本原因,而土壤液态水的相变是土壤导水率减小的要源所在。研究结果对于季节性冻     

Water, Salt and Heat Influences on Carbon and Nitrogen Dynamics in Seasonally Frozen Soils in Hetao Irrigation District, Inner Mongolia, China

To investigate carbon (C) and nitrogen (N) dynamics in seasonally frozen soils under saline and shallow groundwater supply conditions, in-situ lysimeter experiments with different groundwater table depths (WTD=1.8 and 2.2 m) were conducted in Inner Mongolia, China during the wintertime of 2012-2013. Changes in soil organic C and total N in multiple layers during various periods, as well as their relationships with soil water, salt, and heat dynamics were analyzed. Accumulation of soil organic C and total N during freezing periods was strongly related to water and salt accumulation under temperature and water potential gradients. Water and salt showed direct influences on soil C and N dynamics by transporting them to upper layer and changing soil microbial activity. Salt accumulation in the upper layer during freezing and thawing of soil affected microbial activity by lowering osmotic potential, resulting in lower C/N ratio. Nitrogen in soil tended to be more mobile with water during freezing and thawing than organic C, and the groundwater table also served as a water source for consecutive upward transport of dissolved N and C. The changes in C and N in the upper 10 cm soil layer served as a good sign for identification of water and salt influences on soil microbial activity during freezing/thawing.     

秋浇条件下季节性冻融土壤盐分运动规律

针对内蒙古河套灌区春季地表反盐的问题,采用田间试验的的方法对秋浇条件下季节性冻融土壤的盐分运动规律进行了分析。结果表明,秋浇在短期内只是将上层土壤盐分淋洗至下层,冻结初期才是盐分从田间排走的主要时期;在冻结和排水的共同作用下,冻结期土壤盐分运动规律复杂,导致冻结层储盐总量变化不大,而主要的返盐过程则发生在消融期。在经历整个试验期后,0～100cm和0～150cm土壤储盐量均有不同程度增加,说明秋浇并没有完全达到淋洗盐分的目的。另外,良好的排水条件在一定程度上抑制了盐分的向上累积,这一点在冻结期表现最为显著。     

积雪与地表联合覆盖条件下冻融土壤水盐运移规律

为探索石河子灌区冻融季节积雪与地表联合覆盖条件下土壤水盐运移的变化规律,2015—2016年通过田间小区试验,进行了秸秆、地膜、活性炭3种地表覆盖和裸地对照在整个季节性冻融期土壤水盐时空动态变化规律研究。结果表明;地表覆盖比裸地具有更好的保墒、降盐效果。冻结土壤完全融通后,秸秆、活性炭覆盖出现含水量增幅的最大土层范围分别是0—30,0—40cm,反映出这2种覆盖经历冻融过程后更有利于土壤水分的保持和融雪水的高效利用;活性炭、秸秆、地膜覆盖和裸地在0—30cm土层含盐量相比初始值的增幅分别为18.08%,20.30%,30.91%,32.81%,可见活性炭覆盖下抑制盐分向上运移效果最为显著,秸秆覆盖次之;经历冻融过程,土壤水分和盐分变异性随土壤深度的增加而呈现递减趋势。     

季节性冻融土壤盐分离子组成与冻结层盐分运移规律研究

该文对冻融过程中土壤盐分离子组成及冻结层盐分运移规律进行研究,在内蒙古河套灌区永联试验站开展了冻融期土壤水盐及其离子成分监测试验,分析了冻融期地温、冻结层深度、地下水埋深与水质、土壤含水率、土壤盐分及离子组成的变化规律,通过离子相关性分析确定了土壤盐分运移的主控离子成分和盐分类型,进一步利用二元水盐体系相图探讨了冻融期主控盐分的运移规律。结果表明:冻融期地温梯度变化主要发生在0～1.0 m范围土层中,地下水埋深在冻融期变化趋势为快速增大-缓慢增大-减少,地下水矿化度均值在融化期显著降低;研究区地下水中变异性最大的离子为Na~+、Cl~–和SO_4~(2–),土壤盐分运移和扩散是地下水矿化度变化的主要原因;土壤中Na~+、Cl~–与SO_4~(2–)与含盐量相关系数高于0.9,冻融期土壤盐分浓度变化的主控盐分类型为氯化钠和硫酸钠;冻结层积盐或者脱盐取决于土壤盐分梯度和不同盐分的共饱和点,研究区最大氯化钠浓度(质量分数1.55%)和最大硫酸钠浓度(2.01%)均低于各自的共饱和点,当冻结前土壤溶液浓度梯度为正(从上到下浓度增大)时,冻结层易积盐,反之冻结层主要表现为脱盐。研究对阐明冻融期冻结层盐分累积规律的成因具有重要意义。     

蒙古高原中部草地土壤冻融过程及土壤含水量分布

利用土壤剖面的温度、湿度观测数据,结合气象资料初步分析了蒙古高原中部典型针茅草原在季节转变过程中(2003～2004年)的土壤冻融过程和土壤含水量分布动态。研究表明,0～150cm深度范围的土壤完全冻结天数为154～160d。冻融日循环主要发生在表层0～5cm。0～30cm土层的土壤含水量变化剧烈,与地温有较好的一致性。0～10cm深度土壤含水量高于其他土层。随着深度的增加,土壤含水量季节波动性变小。冻结过程有利于保持土壤水分,有利于春季草地植被返青。     

咸水灌溉沙地后的水盐运移规律

实地观测不同深度土壤含水率、基质势、土壤溶液含盐率 ,利用定位通量法和盐分均衡法 ,研究了咸水小畦灌条件下塔克拉玛干沙漠土壤的水盐运移规律。结果表明 :(1)在小畦灌条件下 ,停止灌水后 2 4h ,91.2 5 %的灌水渗入 15 0cm土层以下 ;停止灌水后 72h ,96.6%的灌水渗入 15 0cm土层以下 ,此时 ,0～ 15 0cm土层土壤平均含水率为 0 .0 5 3cm3cm- 3,此后土壤含水率缓慢下降。 (2 )秋季停灌后 ,土壤表面蒸发量在 2～ 6mm。停灌后 2h ,上行水区域在 0～ 2 0cm土层 ;停灌后 60h ,上行水区域在 0～ 90cm ;此后至停灌后 14 4h ,上行水深度稳定在地下 90cm。 (3 )咸水灌溉后 ,80cm以上土层土壤溶液含盐率明显下降 ,以下土壤溶液含盐率变化不明显。停灌 2 4h后 ,0～ 15 0cm土层液相盐分储量开始降低 ,至停灌后 14 4h ,0～ 15 0cm土层液相储盐量相当于灌水前的 5 3 .46%。 (4 )停止灌水后 ,10 0cm× 10 0cm地面日平均积盐量在 13～ 3 5g。