寒区不同材质垂直埋管测温方式差异性分析

寒区土壤温度场观测多采用垂直埋管方式,常用管材有铁管、PVC管、PPR管、PE管等,在实践中发现同一地点不同材质测管所测温度场存在较大差异.为研究几种常用测温管材测试值的差异性,2014年11月3日至2015年4月29日对四种材质垂直埋管与土壤直埋传感器的测温方式进行了现场比对试验.结果表明:(1)不同材质垂直埋管因其物理性质的差异,在测温过程中对温度场有不同程度的影响,PVC管和PPR管的测温值分别偏高于相应土层温度约0.8℃和0.3℃,而铁管和PE管则分别偏低于相应土层温度约0.4℃和0.6℃.(2)管材中温度场数据与土壤温度场数据相关性由高到低排序为:铁管>PPR管>PVC管>PE管.(3)通过最小二乘法,求得铁管-土壤各层埋深温度场的转换系数,并得到铁管-土壤温度场拟合方程,经证实相关性显著.

寒区不同材质垂直埋管土壤冻结深度测量差异性分析

寒区土壤冻结深度的观测以往多采用丹尼林冻土器进行人工测量,由于受到天气、地形、低温和人为等因素的影响,往往难以开展。现多采用垂直埋管的方式对地温温度场进行测量,间接确定土壤冻结深度。本文以4种常用管材(铁管、PVC管、PMMA管、PPR管)为研究对象,分析了不同材质的垂直埋管对地温和冻结深度变化测量的差异性,得到如下结果:(1)冻融周期内,铁管、PVC管、PMMA管、PPR管测得的地温温度场有阶段性差异,土壤冻结前期和融化期差异较小,冻结稳定时期差异明显扩大,40~120 cm土层出现持续稳定差异,直接导致各管计算冻融深度的差异。(2)计算各管冻融深度过程中,冻结期采用线性内插冻融层面间起始冻结温度获得冻结锋面变化,融化期通过内插和线性外延土层温度场确定上下融化锋面变化,相比于传统内插温度场计算得到冻融深度变化的方法,能够更为真实地反映了土壤的冻结状况。(3)利用上述方法对4种不同材质管材的温度场测量结果进行插值分析,并将各管计算冻结融化深度与实际状况进行比较,得出保温材料插值计算冻深值偏小,冻融周期减少8~13 d,利用铁管温度场计算冻深值平均偏大约7.5 cm,但较保温材料能够更为精确反映土壤的冻结融化过程。(4)利用Stephen经验公式计算了试验场区冻融状况,绘制了计算冻融过程线,整个冻融过程结果与校正后人工观测结果基本吻合。