为掌握气候背景下宁夏灌区季节性冻土变化及其对农事活动的影响，争取最大限度地提高光热资源利用效率，挖掘生产潜力，开展了气候变化背景下宁夏灌区冻土变化特征及其对农业生产的影响研究。利用宁夏灌区4个代表性站点1961—2020年冬季逐日冻土资料，采用统计方法，分析宁夏灌区逐年最大冻土深度、土壤冻结日期、解冻日期及冻结日数变化特征，并分析冻土变化对农业生产的影响。结果表明，1961—2020年冬季各代表性站点中最大冻土深度均有明显的变化趋势，2001年以前各地最大冻土深度明显变浅，2001年以后惠农、永宁、吴忠整体冻土深度有所增加，永宁、吴忠呈波动性变化，无明显趋势性变化；1961—2020年中宁最大冻土深度明显变浅。土壤冻结日期、完全解冻日期分别有不同程度延后和提前趋势；各站点冻土持续日数年变化呈缩短的趋势，其中中宁的冻土持续时间缩短趋势最明显。

本文利用简易沙箱装置,模拟地埋管在土壤中取热至土壤内层部分冻结以及取热后土壤的温度恢复过程。通过改变圆管换热器内冷冻液的温度,定性分析恢复过程中冻结层厚度、土壤温度场等变量的变化规律,研究考虑土壤冻结的温度恢复过程中,冷冻液温度改变对含湿土壤温度恢复特性的影响。得出冷冻液温度越低,相同恢复时间后冻结层半径越大,冻结层半径较停机时刻的恢复量越低,全部冻土融化所需时间越长,冻结锋面处温度越低,冻结锋面温度恢复量越低以及冻结锋面处的温度恢复速率除相变阶段较其前后小幅下降以外其余时刻都随时间递减等结论。本文相关结论对后续研究土壤相变传热机理、冻土融化模型等模拟实验具有实际参考价值,并可为实验条件不足的研究者提供现实依据,为其后续研究地埋管周围冻结土壤的温度恢复特性提供有针对性的帮助。

在季节性冻土区,由于冬季气候寒冷,土壤中水分冻结发生相变。为了研究冻土区发生冻结对同沟敷设原油和成品油管道周围土壤温度场的影响,采用非结构化有限容积法对同沟敷设埋地管道周围土壤温度场进行模拟计算。模拟不考虑冻结相变和考虑冻结相变两种情况下的温度场,分析发现在冻结很长一段时间内,由于土壤中水分释放大量的相变潜热考虑相变情况下的土壤温度高于不考虑相变情况下土壤的温度,考虑相变情况下的管道散热损失小于不考虑相变情况下的管道散热损失;而在冻结后期,随着土壤导热系数的增加,考虑相变情况下的土壤温度低于不考虑相变情况下土壤的温度,考虑相变情况下的管道散热损失大于不考虑相变情况下的管道散热损失。因此,为了使管道能够经济安全的运行,需要考虑土壤发生冻结对管道温度场的影响。

本文在建立冻土水热耦合迁移的数学模型基础上，采用全隐式有限差分格式并用线性化迭代方法求解。边界条件处理采用半控制容积法，时间步长根据迭代情况自动调节，求解过程中为防止振荡过大采用松驰迭代等措施。通过计算与实验结果对比，取得较好效果，表明采用的数学模型及数值计算方法可靠。用此模型模拟了非实验状态下（历时３０ｄ及表面温度降至－２０°Ｃ）的土壤冻结过程。模拟显示温度分布随冻结历时的加长而变缓，最后趋于线性分布，随上、下表面温差的加大而变陡；水分分布基本形状并不随时间及上、下表面温差而变，只是冻深及上迁水量随历时加长、温差加大而增大。