为掌握内蒙古高纬度多年冻土区公路冻胀特性的影响因素及变化规律,依托国道G331线室韦—拉布大林公路进行了路基及路面温度、水分的现场实测,分析沥青路面结构的冻融过程、水分分布特征和水热相互作用,同时基于多孔介质传热传质理论,分析路面结构层内未冻水的迁移行为。研究结果表明:沥青路面表层的吸热作用和基层结构的储热行为使得路面结构层表现出显著的吸热储热效应,在此作用下,路基一般表现为明显的双向融化现象。路面温度场具有显著的双峰特征,极端温度出现频率较高,高温峰和低温峰的分布频率分别为20%和15%。在路面结构热效应的影响下,路面内水分迁移非常活跃,液态含水量表现出显著的季节变化特征。暖季时,液态含水量较高;冷季时,水冰相变,液态含水量急剧减小。沿深度方向,液态含水量呈不连续状态分布。底基层是路面结构层内水分聚集的主要区域,基层处的含水量较小。在外界冻融循环的影响下,基层和底基层内液态含水量均表现出不同程度的滞回现象,液态水的滞回现象主要发生在-10℃以上,降温期的液态含水量稍高于升温期。沥青路面基层发生未冻水的单向迁移行为,而底基层发生未冻水的双向迁移行为。
利用唐古拉站2004—2012年气象观测资料,基于KNN算法,结合机器学习思想,建立了一个气象回归模型,模拟了2005年唐古拉地区表层土壤水热变化趋势,结合实测数据,将模拟值与观测值进行对比,并对模型模拟效果进行了评估。结果表明:KNN模型能够较好地模拟活动层表层土壤水热状况,各层土壤温度的模拟值与观测值的相关系数均在0.99以上,均方根误差在1.25℃以内;不同深度土壤水分的模拟值与观测值的相关系数均在0.95以上,均方根误差在0.02m3·m-3以内。总体上,KNN模型能够对青藏高原多年冻土区唐古拉地区表层土壤水热状况进行较为精确地模拟,该模型对于青藏高原其他地区的适用性有待进一步研究验证。
季节冻土区道路工程冻融病害频繁,路基的水热耦合作用是病害发育的控制因素。为揭示该地区公路路基的水热作用过程,分析其影响因素和变化规律,基于内蒙古深季节冻土区室韦—拉布达林公路实体工程3年的观测数据,分析了沥青路面结构层和路基的冻融规律、含水率变化特征以及水热相互作用过程。观测数据表明,该地区公路路基冻融频繁,面层处的最高、最低温度和融化指数、冻结指数均为最大,其他部位的地温随着路基深度的增加有所减小,路基底部附近的融冻指数比约为天然地表的1.6倍以上。路基的完全冻结时间在150 d左右,且随着运营时间的延长,融化期有所延长。路基内含水率表现出显著的季节交替特性,底基层处的含水率最大,暖季时达到40%左右,基层处的含水率最小,在10%以下,路基体内的含水率在20%～25%。地温与含水率存在显著的线性相关性,水分的波动受温度影响显著。沥青路面的温度梯度和水分通量的统计关系表明,水分通量的变化主要集中在融化期内,且与温度梯度的变化吻合较好,底基层内的水分通量最为活跃,说明温度梯度是水分迁移和聚集的重要驱动力,沥青路面吸热和封水的结构特性是诱发路基下部水分在底基层处聚集的主要原因,提出此类地区...
生物结皮在高寒地区广泛发育,是影响冻土环境的重要因素之一。为了解高寒冻土区生物结皮对浅层土壤水热过程的影响,以黄河源区玛多县季节冻土区生物结皮为研究对象,采用定位监测的方法,分析了统一地貌单元内两种不同类型的生物结皮对浅层(0—50 cm)土壤水热变化的影响。研究结果表明(1)生物结皮对冻土浅层土壤水热过程有显著的影响,且与土壤的冻结融化状态密切相关:在冻结状态下,生物结皮对土壤水分和温度均没有显著影响;而在融化期,与裸地相比,两种类型生物结皮均增加了不同土层土壤未冻水含量,同时降低了浅层土体温度。(2)生物结皮对冻土浅层土壤水热过程的影响还与生物结皮的类型密切相关:1)其中深色藻结皮增加了5—15 cm土层土壤含水量(1%—5.4%),而浅色藻结皮增加了30 cm土层土壤含水量(5%—12%),且深色藻结皮的降温效应(1.1—2.1℃)显著高于浅色藻结皮(0.8—1.3℃)。(3)生物结皮覆盖下冻土浅层土壤中未冻水含量与土壤温度呈复杂的耦合作用。根据土壤中未冻水含量与温度的变化关系可分为三个阶段:T<-4℃时,土壤处于完全冻结状态,深色藻结皮覆盖下,土壤未冻水含量保持在4.3%...
季节冻土区公路工程冻胀破坏是影响工程安全运营与路基寿命的关键问题，这一问题在高纬度季节性冻土地区更为突出。为掌握高纬度地区公路冻胀特性，分析其影响因素和变化规律，本文基于内蒙古S201室韦至拉布大林公路深季节冻土区公路冻胀现场试验断面监测数据，分析了公路冻胀变形特征和水热状态。研究结果表明：该地区公路冻胀显著，冻胀变形过程表现出显著的季节周期性特征，主要发生在砂砾垫层和路基体，其中路面砂砾垫层的冻胀变形占总冻胀量的50%以上。该地区强烈的冻融循环和显著的水分迁移是发生冻胀的主要诱因。水热状态监测数据表明：路面结构层、路基及浅层地基受冻融循环影响显著，最大冻深在路面以下2.2～4.0 m附近，该区域显著的温度梯度使得水分在路面附近不断聚集，砂砾垫层的含水率高达70%，为该部位的冻胀变形提供了丰富的水分来源。
在气候变暖背景下，近几十年来全球寒区出现灌丛化过程，这将改变地表水热状况，影响局地水文循环，是寒区水文研究的热点，但是灌丛化过程对冻土冻融过程及水热传输过程的影响机理、程度还不清楚，相关研究极为薄弱。本项目拟在祁连山中科院寒旱所祁连站葫芦沟试验流域，以不同盖度金露梅灌丛为研究对象，采取开顶式生长室（Open-top chamber，OTC）模拟增温装置，基于野外试验数据，分析灌丛盖度和增温情景下冻土水热平衡及传输过程的差异，以此确定灌丛化过程对冻土冻融过程的影响；结合CoupModel冻土-植被-大气水热耦合模型，探讨升温情景下不同盖度灌丛区冻土分层水热梯度变化及传输特征，分析升温情景下灌丛对冻土水热传输过程的影响，初步定量评估灌丛化与升温引起冻土水热传输过程的时空差异性，预估气温升高后，冻土水热传输对灌丛化过程的响应，为大尺度寒区水文、陆面过程和气候变化相关研究提供相关参数和理论基础。
2016-01近年来,青藏高原多年冻土区生态环境呈现出逐年恶化趋势,从而对多年冻土活动层水热过程造成显著影响.此外,如何构建更加有效、针对寒区的陆面过程模式成为寒区研究的重点、热点之一.作为一种有效的参数估计方法,Bayes参数估计算法具有准确估计陆面过程模式参数的能力.因此,基于2005—2008年观测数据,利用CoupModel模型对青藏高原风火山流域土壤水热运移过程进行模拟;同时,利用Bayes参数估计方法估计部分水热运移参数.结果显示:模型对土壤温度(ST)的模拟效果较好,NSE系数均在0.90以上;也能够较好模拟浅层(0～40cm)土壤水分,NSE值均达到0.80以上,而对40cm以下土壤水分的模拟结果较差.模型也能够较准确模拟活动层土壤的冻结-融化过程.模型对温度水分极值和40cm深度以下水分的模拟存在一些偏差.值得一提的是,基于重要性采样MCMC方案的Bayes参数估计算法能够有效估计水热运移参数,模型模拟结果得到极大的改进.Bayes算法能够广泛解决陆面过程模式参数估计问题.
中国多年冻土和季节冻土面积分别占国土面积的21.5%和53.5%。在这些地区,地表层都被一层冬冻夏融的冻结-融化层覆盖,作为地基的冻结-融化层,在其冻融过程中土体性质受气温的变化直接影响着上部建筑物的稳定与安全,因此,在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设,就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。简要回顾了中国冻土力学的创始和发展过程,阐述了冻土力学在强度与变形、本构模型研究、水热过程研究、冻土与结构物相互作用研究及冻土力学测试技术的发展等5个方面的成就,并根据冻土力学学科特点、工程建设对冻土力学发展的要求以及相关学科的发展趋势,展望了冻土力学未来的发展方向。
从青藏高原冻土及水热过程出发 ,利用青藏高原活动层监测数据 ,讨论了冻土水热过程与植被生长环境的关系 ,比较了季节冻土区与多年冻土区水热过程的差异及与植被的关系 ,同时讨论了不同草地生态冻融过程的变化 .结果表明 ,冻土及水热过程与寒区生态环境有着密切的关系 ,冻土及水热过程不仅控制着地表状态的变化 ,影响着植被的发育程度 ,同时二者之间也存在着强烈的相互作用的关系 .一旦地表条件被破坏 ,干扰了冻土水热过程与地表植被生长间的平衡关系 ,将引起生态环境的退化 ,出现荒漠化 ,甚至沙漠化
