基于水热变化的煤矿井筒冻土抗折强度试验

基于水热变化下的人工冻土力学试验是人工冻结法设计过程中进行合理设计和安全施工的前提和必要条件。通过采用设计正交试验及统计拟合方法,针对海测滩煤矿立井井筒处黄土冻土试样进行不同含水率及冻结温度下抗折强度试验,分析了冻土的挠度-抗折强度变化关系及其力学性能,对比了不同含水率及不同冻结温度下冻土抗折强度变化,并对立井井筒黄土基土在冻结过程中的抗折强度建立了基于冻结温度、含水率变化的预测模型。结果表明,立井井筒处冻土的抗折强度随含水率的增大呈先增加后减小变化,在含水率15%~20%时其抗折强度较大;冻结温度与冻土抗折强度呈近线性关系,温度降低,冻土抗折强度增大;采用冻结法施工时冻结参数选择温度-15℃,含水率20%较为合理。

考虑雨水感热的降雨对多年冻土水热变化影响模型研究

青藏高原暖湿化诱发的多年冻土和寒区工程水热变化是第三极冻土生态与地质演化问题的关注焦点。目前降雨影响下的多年冻土地表能量收支建模未考虑雨水温度的影响,忽略了降雨能量脉冲作用。在已有的冻土水热耦合理论的基础上,通过引入考虑雨水感热的地表能量平衡理论,完善了考虑降雨能量的冻土水热耦合模型,基于青藏高原北麓河现场监测验证了模型的有效性,并分析了夏季降雨对地表能量平衡和活动层水热的影响机制。结果表明:考虑雨水感热的修正模型模拟土壤体积含水率、温度和热通量的平均偏差误差分别在±1.198%、±0.704℃和±1.66 W/m^(2)之内,一致性指数分别大于0.877、0.929和0.937;优化后的模型提升了对地表吸放热状态的评估,能够较好地预测了雨后活动层水热的变化;夏季降雨增加地表蒸发潜热和雨水感热,降低地表净辐射、感热和土壤地表热通量使地面降温,降温效果与降雨强度正相关;同时受降雨时段影响,白天降雨事件的降温效果显著,雨水感热促进地表冷却,而夜间雨水短暂加热地表,蒸发潜热的显著作用使地表依旧持续降温。在地表温度梯度降低和雨水入渗的作用下,温度梯度水汽通量减少,液态水通量增加,在强降雨和连续降雨下出现液态水的向下输送和累积。但相比增加的液态水对流传热,活动层热传导、水汽扩散潜热和水汽对流传热的降低更显著,使土壤总热通量减少而导致土壤降温,延缓活动层温度的升高。

祁连山天涝池流域亚高山草甸冻融期土壤水热变化特征

祁连山是我国重要的生态安全屏障,其高寒生态环境和水源涵养能力广泛受到近地表冻融过程的复杂影响。为了解土壤水热在冻融期的变化情况,以祁连山中部天涝池流域亚高山草甸为研究对象,分析2014—2019年冻融期大气温度、土壤温度及未冻水体积含水量(USWC)变化特征,通过统计分析法对亚高山草甸土壤冻融期土壤温度对大气温度的响应及土壤水热拟合进行了探讨。研究结果表明:冻融期亚高山草甸土壤呈单向冻结双向融化特征,观测时段内冻结深度在100~140 cm,土壤温度与大气温度的相关性较好,其中0~40 cm深度土壤温度与大气温度显著正相关(P<0.01),120~180 cm土壤温度与大气温度显著负相关(P<0.05);冻融过程中土壤USWC变化趋势呈“U”形,40~60 cm深度土壤层和表层分别在冻结期和融化期出现水分高值区;土壤USWC与负温绝对值之间具有较好的幂函数相关关系(y=axb),其中经验参数a始终为正值,b始终为负值且逐年增大;观测期间(2014—2019年)的土壤冻结时长、冻结速率和冻结深度等都在减小。本研究可为祁连山亚高山草甸土壤冻融作用对径流形成的影响研究奠定基础,对进一步探讨祁连山区季节性冻土对气候变化的响应提供科学参考。

荒漠杜加依林冠层水热变化及CO_2交换特征

选取新疆艾比湖湿地国家级自然保护区荒漠杜加依林为研究对象,利用通量塔连续观测数据分析新疆艾比湖流域内杜加依林冠层界面水热垂直变化和CO_2交换特征,进一步比较了冠层界面湍流碳通量、植物冠层储存碳通量及净碳交换量,探讨了不同时间和垂直空间序列下杜加依林冠层界面温湿廓线与CO_2交换过程的相互关系。结果表明,新疆艾比湖流域内杜加依林冠层上方大气稳定度生长季的6—9月为中性(z/L=0.009),非生长季为不稳定(z/L=-0.449),全年总体呈不稳定水平(z/L=-0.194);冠层界面上气温垂直变幅小于5℃,随高度呈递增趋势,湿度垂直变幅超过40%;地-气碳通量呈秋冬小春夏大规律,年碳收支高于干旱区平均水平,为-0.026 mg CO_2m^(-2)s^(-1),表现为碳汇;垂直空间尺度上垂直温湿度差与生态系统净碳交换量(NEE,Net Ecosystem Exchange)拟合较好,温度拟合结果为R^2=0.7350(P﹤0.01),湿度拟合结果为R^2=0.3627(P﹤0.01),水热变点分别为5%和1℃,而季节尺度上温度拟合结果较好,温度拟合结果为R^2=0. 5221(P﹤0. 01),湿度拟合结果为R^2=0.1716(P﹤0.01),变点为55%和18℃。生长季较小的冠层垂直温差有利于杜加依林对大气CO_2的吸收,而冠层高湿环境则会抑制杜加依林对CO_2的吸收。

近50年内蒙古东部水热变化及对农业的影响

利用内蒙古东部农业区25个气象站近50a降水量、气温、日照时数和相应的产量资料，研究内蒙古东部主要产粮区水热变化与农业的关系。结果表明：近50a该区气温增温速率高于全国平均增温速率，降水和日照时数存在减少趋势，增温幅度从西向东递增，有明显时段差异，尤其20世纪90年代以后暖干化趋势明显，水热匹配格局发生变化。降水是影响产量的主导因素，其次是温度因子。降水在Ⅰ-Ⅲ区主要影响时段是6～8月，而Ⅳ区是4—5月；生长季或夏季温差和平均最高气温对产量影响较显著，水分短缺和高温胁迫是造成减产的重要原因。

气温升高对青藏高原沼泽草甸浅层土壤水热变化的影响

采用被动升温方式,利用OTCs系统对青藏高原沼泽草甸生态系统分别进行3～5℃(OTC-80)和1～2℃(OTC-40)升温处理,研究下垫面浅层土壤水热变化特征并对其产生的生态环境效应进行探讨。结果表明:与对照点(Out-C)相比,在近地表气温平均分别增高4.87℃,1.40℃的情境下,浅层土壤持续冻结期显著缩短而融化期显著延长;近地表气温升高导致浅层土壤温度上升,积温增大,加速了表层土壤蒸发速度和植被蒸腾速率,浅层土壤因缺水而影响植被生长;浅层土壤温度升高将进一步加速寒区有机质的分解速率,降低土壤碳库稳定性,促使青藏高原气候进一步向暖干化发展;近地表气温升高还将导致物种减少甚至消失,严重威胁着区域经济发展和生态安全。

基于水热变化的青藏公路路基纵向裂缝现场测试及成因分析

青藏公路现场调查表明,近年来路基纵向裂缝所占路基主要病害比例逐年上升。本文基于青藏公路五道梁段典型断面的温度和水分现场监测结果,分析了不同季节冻土路基温度和水分的空间分布特征,揭示了冻土路基内部温度场、水分场变化的特性:路基内部温度变化滞后于路基表面,并且温度随深度增加呈下降趋势,随大气温度而呈季节性周期变化,温度梯度随深度增加而递减;5月、9月水温分布图表明,受大气降水及地表水重力入渗的影响,加之温度梯度的作用,水分向0℃线集聚明显,致使距路基顶面2m至3.5m范围含水率增大;随着温度降低至0℃以下,未冻水含量集聚减小,2.5m至3.5m以内,含水率急剧下降。研究结果表明,冻土路基内部水热变化是纵向裂缝发生的关键因素,温度的改变引起水分的迁移、冻胀与融沉,冻融循环进一步加剧了纵向裂缝的发育。

季冻区水热变化引起的路基冻胀翻浆研究

路基内部温度和水分呈现动态变化,水分的迁移和温度的改变导致道路冻胀翻浆的产生。为了研究季冻区路基内部水分、温度的变化,以黑龙江省鸡讷公路的林口至大罗密段为依托工程,对典型路段天然位置和路基内部的温度和水分进行实时监测。通过分析黑龙江哈同二级公路的道路病害类型,项目监测了天然位置和路基内部的温度变化过程,分析了路基内部水分和温度在时间和空间上的变化规律,为数值模拟路基水分和温度变化规律提供具体的数据资料。最后从水热变化角度分析了路基内部冻胀翻浆病害产生的机理。

金沙江元谋干热河谷区水热变化的多时间尺度分析

为揭示金沙江元谋干热河谷区水热变化状况,采用小波分析方法,具体分析了元谋年均气温、年降水量序列中存在的多时间尺度特征。结果表明:元谋干热干热河谷区自1955年以来气温一直呈现出降低的趋势,而降水量则有微弱增加的倾向;从小波变换实部和模值可以看出,元谋年平均气温序列在25年和7年左右时间尺度的振荡最为明显,而降水量则在28、18年时间尺度的振荡最为强烈;就周期性特征,年均气温有7年和25年左右的时间周期,其中25年的周期最明显,降水量则有4、9、18年和28年左右的时间周期,长周期比短周期显著;对于突变特征,年均气温对应于25年和7年时间尺度的突变分别有4次和14次,年降水量对应于28、18、9年和4年时间尺度的突变有分别有4、6、12次和28次。

黄土高原典型半干旱区水热变化及其土壤水分响应

利用黄土高原典型半干旱代表区68a(1937-2004年)降水、气温资料和34a(1971-2004年)土壤湿度资料,研究黄土高原半干旱区水热变化及土壤水分响应。结果表明:黄土高原半干旱区在近70a中气温以下降为主,3-6月降水存在显著增多趋势,气温、降水倾向具有明显时段差异。干旱年份或少雨时段长周期振荡加强、短周期衰减;相对冷的时期气温振荡周期明显,反之不明显。干旱是该地区土壤的基本气候特征,生长期土壤水分波动式下降,蓄水期土壤水分波动式上升,总体上以下降为主,20世纪70年代中后期土壤水分较好,80年代土壤水分较差,90年代末到21世纪初转好。土壤水分对短期降水变化、降水气温气候变化及短周期振荡都存在明显响应。

冻土区路基与埋地管道水热变化模拟分析

为研究冻土区工程水热分布规律,基于不饱和土Richards方程推导出了冻土水热变化的耦合关系式。应用有限差分原理进行离散化,编制计算程序,对中俄输油管道漠大线进行模拟。通过模拟结果与实测数据对比验证了应用模型计算程序的可靠性。应用程序分别对冻土区路基与埋地管道的水热分布变化进行模拟分析。对于冻土区斜坡路基:冻土斜坡路基的融化界面随时间增加而逐年降低,融化界面与水分富集层位置相近,均呈倾斜分布,影响斜坡路基的稳定性。对于冻土区埋地管道:管道长期运营加剧其周围多年冻土上限下降,管道附近10年后的下降约为天然情况下的4倍。

沙漠表层粒度与水热变化的环境效应分析──以古尔班通古特沙漠为例

重点探讨了古尔班通古特沙漠不同类型沙漠区（流动沙漠和固定沙漠区）表层沙粒度组成特征及其与热量传输和含水率的相互关系。实地测量和采样分析结果表明：不同类型沙漠区的粒度结构组成与沙层热量传输、水份迁移和沙面蒸散直接相关，并且对地表的感热和潜热以及沙漠对气候的反馈起到了重要作用。同时，沙漠表层粒度与水热传输变化过程，直接影响沙漠区植物成活率与生长，并对沙漠气候与环境变化产生重要影响。

水热变化对冬小麦生长发育的模拟试验

应用CERES小麦模式,在假定水热条件变化(日平均温度变化-1℃,0℃,1℃和2℃,日降水量变化±20％,±10％,±5％和0％,共28种组合)的气候情景下,模拟了小麦的生育过程。结果表明,对于试验点镇江来说,温度变化比水分变化对小麦的影响更显著;温度升高,发育加快,生育期缩短;水热变化对籽粒产量的影响多数为不利,特别在温度降低、水分减少时更为明显;温度升高、降水减少均可使土壤有效水分减少。

不同利用方式下沙地的水热变化

研究结果表明:生长季内(6～9月) ,气温变化幅度农田最大,林地最小;土壤温度(0～2 0cm)差异以裸地最大,农田居次,林地最小;水面蒸发量由大到小排序为裸地>农田>林地;农田平均空气湿度为85 .8% ,林地为73.5 % ,裸地为6 8.8% ;农田、林地与裸地相比均具有一定的水分涵蓄作用,但作物和林木对土壤水分的消耗作用也不容忽视。

近50年来浙江宁波地区高温期水热变化研究——以宁波市鄞州站为例

本文选取1961—2013年宁波鄞州气象站地面观测数据,运用趋势分析、突变分析、相关性分析等方法,开展宁波地区高温期水热变化研究.得出以下结论:1)自1961年以来,宁波地区高温期温度和降水呈缓慢上升的趋势,相对湿度出现明显下降,其中温度上升是导致该地区相对湿度下降的主要因素;2)相对湿度变化在20世纪末、21世纪初出现突变,突变后相对湿度下降更加明显,有明显向"暖干"气候转变的趋势;3)2000—2013年,高温天气下的温度与相对湿度呈现明显的负相关,温度与相对湿度的相关系数达到了历史最高值0.633.高温天气成为近10年来相对湿度明显下降的决定性因素.

葛藤覆被下干热河谷冲沟沟岸土壤水热变化特征

干热河谷冲沟沟岸裸露、陡立、土壤水热变化剧烈,导致植被恢复极端困难。通过野外调查和定位监测,在葛藤覆被沟岸,根据藤本生物量设置4个处理(T1:309.70g/m^2鲜藤覆被地块,T2、T3、T4:594.34、1103.43、1693.27g/m^2枯藤覆被地块),并选取裸露地块作为对照CK,研究了葛藤不同覆被状况对沟岸土壤水分和温度在单次降雨过程变化的影响。结果表明:相比裸露沟岸而言,1)鲜藤覆被沟岸土壤含水率仅为8.68%,较裸露沟岸还降低了4.47%;枯藤覆被沟岸土壤含水率则相对增加,T2—T4土壤含水率分别为14.91%、16.75%、19.44%,较裸露沟岸增加了1.76%、3.6%、6.29%。2)鲜藤覆被可明显增加土壤水分活跃层深度、变化幅度和变异程度,枯藤覆被下土壤水分活跃层深度、变化幅度和变异程度则相对减小。3)随鲜、枯藤覆被量增加,水分补给过程中土壤含水率的增加量增大,同时水分衰减过程中土壤含水率的散失量减小;增加枯藤覆被量后,沟岸表层土壤含水率变化率的波形逐渐平缓、波动依次减小、波长稳步增大。4)随鲜、枯藤覆被量的增加,沟岸表层土壤温度波动逐渐减小。研究成果对干热河谷冲沟沟岸生境改良与植被恢复具有重要的指导意义。

不同利用方式下沙地的水热变化

研究结果表明 :生长季内 (6～ 9月 ) ,气温变化幅度农田最大 ,林地最小 ;土壤温度 (0～ 2 0cm)差异以裸地最大 ,农田居次 ,林地最小 ;水面蒸发量由大到小排序为裸地 >农田 >林地 ;农田平均空气湿度为 85 .8% ,林地为 73.5 % ,裸地为 6 8.8% ;农田、林地与裸地相比均具有一定的水分涵蓄作用 。

藏北高寒草地土壤冻融过程水热变化特征

为深入认知藏北高寒草地土壤冻融循环过程,依托申扎高寒草原与湿地生态系统观测试验站,开展了高寒草地土壤剖面水热变化过程监测,基于2015–2016年数据,对藏北高寒草地冻融循环过程中温度、含水率变化特征进行了分析,并探讨了冻融过程与气温、降水的关系。结果表明,土壤剖面各土层温度和含水率均呈准周期性变化,且变化幅度随深度增加而降低;11月初至次年4月底是藏北高寒草地土壤的冻结期,可分为初冻期(11月)、稳定冻结期(12月至2月上旬)、消融前期(2月中旬至3月下旬)和消融后期(3月下旬至4月中旬)4个阶段;观测期土壤冻结的最大深度在160 cm左右;冻结深度上下限和积温呈现出显著的相关关系,含水率和温度变化相互影响,水分在土壤热量传递时有着重要作用。研究结果可为进一步理解冻融水热耦合作用及生态系统对冻融的响应提供理论支持。

覆盖造林对旱地土壤水热变化及成活率的影响研究

采用地膜和杂草覆盖造林,平均成活率比对照分别提高25%和9%;地膜规格以30 cm^2为宜;杂草覆盖面积以60 cm^2、厚10 cm^2为好.侧柏覆膜造林的生长进程一直高于对照,3～4月生长较快,4～8月生长中庸,9月以后生长缓慢,10月初停止生长.不同土层含水量为：5 cm层平均提高了30.6%,10 cm提高了23.4%,15 cm提高了10.6%.不同土层温度的变化趋势为,5 cm层较对照提高了12.2%,10 cm层提高了8.7%,15 cm层提高了4.1%,30 cm层提高仅1%.

不同海拔下青海云杉林土壤冻融期水热变化特征

为了解森林土壤水热在冻融期的变化情况,以祁连山中部天涝池流域内2750 m低海拔、3050 m中海拔和3250 m高海拔下的青海云杉林为研究对象,统计分析2014-2019年冻融期土壤温度及未冻水体积含水量(USWC)在不同海拔梯度下的变化特征和差异性.结果表明,观测时段内,2750~3250 m海拔内的青海云杉林10~40 cm土层的土壤于11月中旬开始冻结,5月上旬全部融化;土壤冻结速率小于融化速率;随海拔梯度的增加,土壤始融期逐渐延后,融化速率逐渐减小;较2750和3250 m而言,3050 m处存在土壤始冻期最早、冻结时长最长、冻结速率最快、土温变化范围最大等现象;USWC在冻融期的变化趋势呈现“U”形,USWC的高低对土壤导热率具有一定影响,USWC与土壤负温绝对值间具有较好的幂函数(y=ax^(b))相关关系.