输水工程中淡水壳菜侵蚀混凝土的机理研究

淡水壳菜附着在输水建筑物内壁会导致混凝土性能劣化,研究淡水壳菜附着规律与侵蚀混凝土的微观机理对建筑物防护对策的制定具有重要价值。本文研究了淡水壳菜在输水建筑物内部附着规律、足丝入侵机制、体长空间差异性;通过原位混凝土硬度、侵蚀深度测试,分析了淡水壳菜对混凝土物理性质的影响;基于侵蚀前后混凝土微观形貌、化学元素变化及XRD衍射图谱,解析了淡水壳菜对混凝土侵蚀的微观机理,提出了侵蚀后混凝土的物相转化机制。结果表明:淡水壳菜附着密度在渡槽内部自入口到出口呈现出衰减规律;在倒虹吸内部附着密度呈现出沿程波动特点,但总体稳定。淡水壳菜平均垂向分离力与体长呈正相关关系;淡水壳菜体长在大尺度空间上表现为“南方长,北方短”特点,相差10 mm,体长分布形式符合高斯分布。淡水壳菜长期附着下,混凝土硬度降低、侵蚀深度有所增加;微观形貌疏松多孔,Ca、Fe等元素流失;混凝土的侵蚀产物主要为二氧化硅。

输水建筑物表面淡水壳菜防护涂层研发及适用性分析

淡水壳菜附着在输水建筑物壁面会导致输水结构混凝土性能劣化、糙率增加等诸多严重问题,然而当前尚缺乏切实有效的防治对策。针对输水建筑物中淡水壳菜防治难题,研发了一种无毒新型淡水壳菜防护涂层,通过试验手段表征了涂层微结构、表面能、力学性能等;研究了淡水壳菜活体在涂层表面的行为特性,对比了研发涂层与6种现存涂层表面淡水壳菜的平均附着率和平均垂向分离力,深入分析了淡水壳菜在现存涂层表面的附着机理及研发涂层的防附着机理。结果表明:与6类无毒现存涂层中防附着效果较好的硅橡胶涂层相比,本文所研发涂层淡水壳菜平均附着率、平均垂向分离力分别下降58.33%,46.67%;与混凝土表面相比,涂层表面淡水壳菜平均附着率、平均垂向分离力分别下降80.26%,91.11%。研发涂层同时具备“低表面能”“微结构”“弹性”“低污损脱除参量”特点,污损脱除参数优于同类涂层。本研究可为输水建筑物中淡水壳菜防护涂层选择与性能分析提供参考,对淡水壳菜防治提供一种新路径。

冻融土壤水热迁移与作用机理研究

季节性冻融土壤的水热变异及空间迁移过程是一个复杂的动力学系统,冻融土壤水热系统作为自然界能量循环的重要环节,在水资源、环境、能源以及人类工程等方面占有极其重要的地位,详细探求冻融土壤的水热扩散机理,准确地掌握土壤的水热迁移状况,对于科学合理的制定春播制度具有深远的影响。以高效利用冻土资源、提高农业经济、改善生态环境为宗旨,在总结国内外研究成果的基础上,阐述了土壤冻融交替的物理过程、冻层水分入渗、热量传导、土壤溶质的转化过程以及工程冻害防治,概括了冻融土壤的水热分布对于地表环境改变以及气候因子差异的响应机制,进而从机理上对冻融土壤特征参数、水热耦合动态模拟及预测模型进行了论述。同时,提出了冻融土壤结构多尺度结合、土壤覆被联合体间反演、统计模型与随机模型并行的研究思路,旨在为寒旱区季节性冻土水热循环、水热平衡研究以及科学合理的指导农业生产提供借鉴。

不同积雪覆盖条件下冻融土壤水分运动规律研究

积雪覆盖作为中国北方高寒黑土区土壤冻融期最普遍的上边界条件,直接影响土壤水分分布、迁移过程及土壤温度、冻结深度、冻结速率等。通过野外试验,对哈尔滨地区的季节性冻融黑土在裸地、自然积雪、压实积雪、加厚积雪4种不同覆盖条件下的土壤水分迁移规律进行动态观测。从时间、空间角度分析土壤含水率变化,结果表明:积雪厚度和密度都可以很大程度上影响积雪对土壤的保护作用,在仅考虑积雪自身沉降造成密度增大的情况下,积雪厚度越大保护效果越好,土壤含水率对气温变化的响应及土壤解冻时间依次延后,延后程度随土壤深度增加而增大;当人为改变积雪密度时,相较于单纯增加积雪厚度,密度大的积雪可以更好地保护土壤,使气温对土壤的直接影响更小。当遇到冬季降雪量较小的情况时,可以考虑采用人为压实积雪的方法,加强对土壤的保护作用。

北方高寒区不同覆盖条件下土壤温度差异性分析

以北方寒区典型城市哈尔滨市的大田为研究区域,通过冬季大田试验(试验周期2013-11-01—2014-04-30),设置裸地、5、10和15 cm厚度秸秆覆盖4个处理,分别测定不同处理条件下3、5、8、10、15、20、40、60、100、140 cm等深度土壤温度以及气温和太阳总辐射,采用统计学理论对其进行对比分析。研究结果表明:秸秆覆盖对于热量具有双向阻碍作用,只是在不同的外界条件下双向阻碍作用的主导地位在不断调整;某深度下土壤温度变化是秸秆覆盖与土壤导热性相互作用的结果;裸地温度差异性最大,其次为5 cm秸秆覆盖和15 cm秸秆覆盖,最后为10 cm秸秆覆盖,秸秆覆盖对于土壤温度差异系数的影响并非随着秸秆厚度的增加单调增加。

基于多变量时间序列局部异常系数的滑坡预警方法

针对蠕变型滑坡变形具有渐变性、阶段性和变异性等特征,应用数据挖掘技术提出基于多变量监测时间序列的滑坡预警方法。采用动态时间规划方法度量边坡变形多测点时间序列间的相似性,确定边坡的时空变形规律;考虑主要影响因素和边坡变形等多变量,利用多变量局部异常系数划分滑坡变形演化阶段;基于统计学方法拟定基于局部异常系数的滑坡预警阈值,提出基于多变量局部异常系数阈值的滑坡预警方法。卧龙寺和新滩滑坡验证算例结果表明,提出的方法对累计位移、变形速率和加速度均较敏感,比已有估算方法更具时效性,能防止因环境因素波动而造成的误判,具有更好稳健性。提出的方法应用于某渠坡滑坡预警,结果表明渠坡现阶段较为稳定。因此,提出的方法可为蠕变型滑坡预警提供参考。

冻融期不同覆盖和气象因子对土壤导热率和热通量的影响

为了研究冻融期不同覆盖和气象因子对土壤导热率和土壤热通量的影响,在2015年11月-2016年4月期间,设置了裸地(BL)、自然积雪覆盖(SC)、6 000 kg/hm^2秸秆+积雪覆盖(SM1)、12 000 kg/hm^2秸秆+积雪覆盖(SM2)和18 000 kg/hm^2秸秆+积雪覆盖(SM3)5种不同的处理,测定了20、40、60和100 cm土壤含水率和温度,并计算出土壤导热率和土壤热通量。研究结果发现:在土壤冻结期,土壤导热率随着土壤的冻结而增大,直至完全冻结后基本保持不变,而在土壤融化期则逐渐减小。冻融阶段,积雪和秸秆覆盖会延缓土壤导热率的变化,减小土壤导热率的变化。冻结期,裸地处理的土壤导热率最大,平均为1.55 W/(m×K);融化期,裸地处理的土壤导热率最小,平均为0.79 W/(m×K)。在冻结期,土壤热量向上传递,传递量先增加后减小;在融化期,土壤热量向下传递,传递量逐渐增加。积雪和秸秆覆盖可以减小土壤热通量及其变化。积雪和秸秆覆盖条件下的土壤热通量比裸地少4.73~8.84 W/m^2。裸地处理的土壤导热率与水汽压的相关性最好,相关系数为-0.84,与风速的相关性最差,相关系数为-0.43。积雪和秸秆覆盖条件下的土壤导热率与环境温度的相关性最好,相关系数为-0.67^-0.73,与风速的相关性最差,相关系数为-0.18^-0.25。土壤热通量与太阳辐射的相关性最好,相关系数为-0.88^-0.91,与风速的相关性最差,相关系数为-0.44^-0.53。整体而言,积雪和秸秆覆盖会减小大气环境对土壤导热率和热通量的影响。

覆盖物对冻融土壤热量空间分布与传递效率的影响

为了明确覆盖物对冻融土壤热量传递阻碍作用的机理和特性,基于冬季大田试验(2016年11月1日—2017年4月30日),设置裸地、自然降雪覆盖、5 cm秸秆覆盖+自然降雪、10 cm秸秆覆盖+自然降雪4种处理,分别测定了不同处理条件下10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 cm深度的土壤总含水率、液态含水率和温度等数据,计算了不同处理条件下冻融土壤的热容量、相变热量和热量变化量等相关参数,进而分析了覆盖物对冻融土壤热量空间分布和传递效率的影响。结果表明:试验期30 cm深度范围内土壤热量交换量占比较大,不同时期内热量变化占比可达54.57%~81.17%;在冻结期4种处理条件下,土壤热量传递整体呈现出热量散失的趋势,在融化期4种处理条件下,土壤热量传递整体呈现出热量吸收的趋势;自然降雪覆盖、5 cm秸秆覆盖和10 cm秸秆覆盖对于热量传递的影响率分别为17%、8%和17%;4种处理条件下土壤热量无变化时间段均较长,分别为29.17%、39.41%、43.33%、50.88%。

季节性冻土区不同调控模式对土壤水盐迁移协同效应的影响

为了有效揭示季节性冻土区农田土壤水盐空间演变机理,以野外大田试验为研究载体,设置了生物炭调控(CS)、秸秆调控(JS)、生物炭与秸秆联合调控(CJS)和对照组(BL)4种调控处理,分别测试了冻结期与融化期各土层处土壤能量累积效果、水盐空间分布特征,进而探究了冻融条件下土壤水盐迁移协同效应关系。研究结果表明:冻结期,秸秆的覆盖调控作用显著地提升了土壤保温效果,减少土壤热量散失,土壤冻结速率减慢,土壤水分在浅层的富集现象显著,同时,其有效地提升了土壤水分与盐分的协同效应关系,其中,JS处理条件下浅层土壤储盐量分别相对于BL、CS和CJS处理提升了42.4、18.4和18.0 g。融化期,生物炭与秸秆的联合调控作用增加了地表对于光照和热量的吸收,加快了土壤的融解速率,同时,土壤的持水能力增强,盐分淋洗效果显著,土壤水分与盐分的协同作用效果显著高于其他3种处理。为丰富寒区农田土壤水盐调控技术以及科学合理提升农业水土资源利用效率提供理论指导。

冻融期秸秆和积雪覆盖条件下土壤热容量的特性研究

为了揭示冻融期不同秸秆和积雪覆盖条件下土壤热容量的时空分布特征,通过冬季大田试验,设置裸地（BL）、6 000kg/hm^2秸秆覆盖（SM1）、12 000kg/hm^2秸秆覆盖（SM2）和18 000kg/hm^2秸秆覆盖（SM3）4种不同处理,采用中子仪和和时域反射仪分别测定土壤的总含水率和液态含水率,进而计算出土壤热容量.研究结果表明,在冻融期,土壤热容量随着土壤冻结的发生逐渐降低,当土壤完全冻结以后,土壤热容量基本不变,在土壤融化时,土壤热容量又逐渐増加.在冻结期,秸秆和积雪双重覆盖会延缓土壤热容量减小的时间,增加土壤热容量,减小土壤热容量的变化幅度;在融化期,秸秆和积雪双重覆盖会延缓土壤热容量增大的时间,同时增加了融雪水入渗,所以增加了土壤热容量,增大了土壤热容量的变化幅度.在冻结期,随着土层深度的增加,土壤热容量减小的时间逐渐变晚,土壤热容量逐渐增加,土壤热容量变化幅度逐渐减小;在融化期,20cm土层土壤热容量最先增加,60cm土层土壤热容量增加的时间最晚,40cm土层土壤热容量的变化幅度最大.SM1、SM2和SM3这3种处理融化期的土壤热容量和变化幅度都比冻结期大.