In-situ experiment investigations of hydrothermal process of highway in deep seasonal frozen soil regions of Inner Mongolia, China

To reveal the influencing factors and changing rules for the hydrothermal interaction process of highway subgrade, the field measurements of Shiwei-Labudalin Highway in Inner Mongolia, China was conducted for 3 years, based on which the freezing-thawing rules and water content changing characteristics were analyzed. The main results show the subgrade presents a frequent freezing-thawing alternation, and the water content of subgrade exhibits an obvious seasonal alternation. The subbase has the maximum water content, while the base has the minimum water content. The change of water flux is concentrated in the thawing period and consistent with the change of temperature gradient. The subbase layer has the most active water flux due to the heat absorption and impermeability of pavement that easily causes the water accumulation in this layer. Therefore, the prevention and treatment for the freezing-thawing disease should be started from heat insulation and water resistance.

黑河高山草甸冻土带水热传输过程

以黑河源区高山草甸冻土带的基本气象参数、植被参数和土壤水热性质参数为输入条件,利用CoupModel模型计算了试验点两个完整年度日尺度上的各种基本水热状况,计算结果较符合实测值(7层地温和土壤液态含水量平均R2分别为0.95和0.83)。利用模型输出的土壤热通量和土壤水迁移分析了试验点季节性冻土区的水热传输过程:在土壤层开始冻结期,下层土壤液态水向冻结锋面集结,集结期向上的地热通量急剧增加;在冻结期,土壤热传导主要与上下层的土壤温度有关,土壤水迁移基本处于零通量状态;在融化期,在融化锋面未出现液态水分集结现象,融化层土壤水热传输过程迅速改变并与非冻结土壤一致,向下的地热通量急剧增加。

寒区典型下垫面冻土水热过程对比研究(Ⅰ):模型对比

冻土水热传输和水热耦合过程是寒区水循环的核心环节和重要组成部分,土壤温度和湿度(含水量)的观测和模拟是冻土水热过程分析的基础.以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文试验研究站葫芦沟试验小流域为依托,选取季节冻土区的高寒草原、高寒草甸和多年冻土区的沼泽化草甸、高山寒漠等4种典型寒区下垫面,分别布设自动气象站,并调查相关土壤和植被参数,利用SHAW和CoupModel模型对试验点的土壤水热条件进行模拟计算.结果表明:4个试验点多层土壤含水量和地温SHAW模型计算值与实测值对比平均相关系数R2分别为0.65和0.90;CoupModel模型计算值与实测值对比平均R2为0.72和0.93.总体上,地温的模型估算结果略好于含水量;相对于SHAW模型,CoupModel模型是更适合寒区各种下垫面的一维SVATs模型.

寒区典型下垫面冻土水热过程对比研究(Ⅱ):水热传输

依托中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文试验研究站葫芦沟试验小流域,选取4种典型寒区下垫面,利用CoupModel模型对试验点的土壤水热传输过程进行模拟计算.结果显示:冻土对土壤水热传输影响为开始冻结时,冻结作用导致土壤水向上运动,往冻结锋面集结;稳定冻结期,土壤水运动微弱,接近零通量;解冻期,土壤水运动与上下层水势有关.冻融阶段的土壤水相变会带来热量的急剧变化.不同下垫面土壤水迁移差异主要体现在冻结过程中土壤水向上运动期间.沼泽草甸试验点因土壤含水量较大,吸水过程较长且吸水量大于其他3个试验点;高山寒漠试验点因为土壤孔隙较大,成冰作用会使土壤中毛细孔增加,导致冻结过程中出现多次土壤水向上运动状态.植被覆盖、土壤性质、土壤含水量和冻土类型等是寒区不同下垫面冻土水热传输过程差异的主要原因.

沙坡头植被固沙区生物结皮对土壤水文过程的调控作用

生物结皮的土壤水文过程一直是学术界比较关注的争议性问题。通过对生物结皮的生态调查和水文物理实验分析、野外人工模拟降雨条件下的土壤水动力学试验、以及天然降雨后土壤水分的动态监测,分析了生物结皮对降雨渗透、土壤水分再分配和土面蒸发等土壤水文过程的调控作用,认为:(1)生物结皮层不仅降低了水分渗透速度和深度,还引起了土壤水分渗透的不稳定性,即指状流的出现;(2)生物结皮的逐年发育使土壤水分的分配格局和分配过程发生了很大变化,土壤水分再分配过程有明显的浅层化趋势,即生物结皮的降雨拦截作用;(3)生物结皮通过降低反射率和提高毛管作用,大大提高了土面蒸发。生物结皮对土壤水文过程的调控作用正在深刻地改变着固沙区的土壤水环境。

马粪沟流域不同景观带水文过程

目前高寒水源区完整水文过程规律研究还非常薄弱。应用同位素技术与水化学分析模拟方法来甄别高寒区马粪沟流域不同景观带冰川、积雪、冻土、地表水、地下水和降雨等水体对出山径流的贡献组合与路径,旨在揭示各景观带的水文过程。据端元混合模型计算,在湿季出山径流52%来自地下水补给,其地下水主要是由冻土融水、冰雪融水和降雨下渗转化形成;冰雪带融水占11%;高山寒漠带和灌丛带地表径流占20%;高山草原带约占9%;降雨直接补给占8%。整个流域降雨很少直接产生地表径流,而是在各个景观带转化成壤中流或地下径流,然后汇入河道。

青藏高原冻土及水热过程与寒区生态环境的关系

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 。

黑河源区高山草甸的冻土及水文过程初步研究

介绍了黑河源区野牛沟流域在试验点尺度和山坡尺度上所开展的冻土水文过程初步结果.冻土水文观测场建于最大冻结深度约为3.0 m的季节冻土区,近50 a来,该区降水量变化不大,器测蒸发量(20)和风速呈明显的降低趋势,而气温和地表温度则分别上升约1.0℃和1.7℃.研究区季节冻土冻结上限和下限深度均与地表温度呈二次多项式关系,这表明地表温度与冻结或融化区地温变化之间有一个滞后过程.在地表融化季节,季节冻土存在两层现象.当融化深度接近最大冻结深度时,存在向上和向下的双向融化现象,但自下而上融化速率较慢.2005年9月—2006年9月,具有较高代表性的3个山坡径流场均没有观测到产流量,结合蒸散发观测和野外调查,发现夏季高山草甸具有明显的地表径流拦蓄和水源涵养作用.COUP模型能够较好的连续演算试验场生长季节高山草甸-季节冻土-大气-维水热传输和耦合过程,但因其土壤完全冻结临界温度阀值设置偏高,影响了非生长季节的计算精度.

基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟——在中国西北寒区的应用

中国西北高山、高原广泛分布着冻土和积雪,春季融雪和冻土融化是该地区重要的水文过程.基于模块化的寒区水文建模环境CRHM,根据流域水文过程特征和观测数据约束,选取描述不同寒区子水文过程的模块构建寒区水文模型,并基于长期观测的两个典型寒区小流域来验证模块化的寒区水文模型.在冰沟流域,主要模拟雪的积累/消融、雪的升华、融雪下渗和融雪径流过程.结果显示:冰沟流域积雪升华占降雪量(145.5cm)的48%,其中风吹雪引起的升华损失量(35cm)占积雪升华(69cm)的一半,风速和辐射引起的积雪升华是该地区积雪物质平衡的重要组成;构建的寒区水文模型可以再现春季积雪消融引起的径流过程.在左冒孔冻土流域,主要模拟冻土下渗过程、冻土坡面产流过程和土壤冻融对径流的影响.结果显示:构建的寒区水文模型可以捕捉到春季主要的冻土融化径流过程.两个流域的验证结果揭示:模块化的建模方法在搭建模型结构的时候减少了模型的不确定性,所以在未经率定的情况下,具有在无资料和资料缺少地区模拟寒区水文要素和水文过程的能力.

黑河流域上游寒区水文遥感-地面同步观测试验

介绍了黑河流域上游寒区水文遥感-地面同步观测试验,论述了试验目标与研究内容、试验区的选择设计以及寒区水文长期观测试验.上游试验以理解寒区水文过程、提高寒区定量遥感水平为主旨,以积雪和冻土为主要研究对象,开展了微波辐射计、高光谱成像仪航空遥感和地面同步观测,并选择典型小流域进行长期寒区水文过程观测与研究.试验集中在冰沟积雪小流域、阿柔草场和扁都口裸露耕地3个不同地表覆盖区,以积雪和冻土变量与参数的测量为主.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开,分别布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其它水文要素观测网络;航空飞行传感器分别采用微波辐射计、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机,收集获取了试验区丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波等卫星数据.通过试验,初步构建了上游寒区航空-卫星-地面综合数据集,可以应用于改进和验证寒区陆面/水文过程模型.

寒区流域水文模拟研究

冰雪和冻土的水文物理特性,及其对径流形成过程的作用,是寒区流域产汇流的主要矛盾或矛盾的主要方面.针对北方寒冷地区,寒季水循环的大气水、土壤水及地面地下径流的动力和热力过程,在水文物理及冰雪水文的有关理论基础上,参照国内外非寒区流域模型(新安江模型、水箱模型、萨克拉门托模型)的结构,研究建成了具有物理基础的概念性寒区流域水文模型.利用我国东北地区现有的寒区观测资料,对寒区产汇流的各主要环节,分别进行了模拟研究.

西南喀斯特地区水土过程与植被恢复重建

受地质背景的强烈制约,西南喀斯特地区地表缺水少土,生境异质性高,在人类不合理的土地利用下极易诱发石漠化,是我国生态治理、扶贫攻坚的重点和难点地区。在简要介绍西南喀斯特地区土壤-岩石环境特征的基础上,重点阐述了该区水文-侵蚀过程与规律,探讨了植被恢复现状与治理对策,并提出了未来的发展方向。认为今后应基于水土过程研究,将植被恢复与生态治理和惠民增收有机结合,促进西南喀斯特区域生态与社会经济可持续发展。

季节性冻土区包气带水汽热耦合运移研究进展

季节性冻土区占据中国超过一半的国土面积,冻融作用会显著改变土壤性质与包气带水、热传输过程,并且由于温度与气态水对土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究对于探究季节性冻土区土壤水循环过程十分关键。该研究综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐明了季节性冻融作用对水汽热耦合运移研究中水力参数及水分相态转化过程的影响,探讨了水汽热耦合模型适用性,总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性,并对该领域尚需加强研究的方向提出建议:1)聚焦“土壤-植被-大气”系统水循环过程,构建适用于季节性冻土区的包气带水汽热-植被耦合模型,探究土壤水资源生态效应,为植被恢复与生态系统稳定提供理论指导;2)在寒旱区工程建设中考虑气态水的影响,明确覆盖层下水汽运移机理,对建设过程中由水汽运移引起的工程病害提出具体防治措施。通过本研究梳理归纳以期为深化包气带水汽热耦合运移理论以及解决季节性冻土区相关实际问题提供科学依据与参考。

寒区流域水文模型及其应用研究

从影响寒区水文物理特性各要素入手,分析研究寒区特有的一些水文现象物理成因,在水文物理及冰雪冻土水文的有关理论基础上,参考非寒区流域模型的结构,建立具有物理基础的寒区概念性流域水文模型。利用黑龙江省牡丹江流域3个水文站的多年径流系列资料,对寒区产汇流的各个主要环节进行了模拟计算,得到了令人满意的计算结果,并为进一步研究寒区不同特性的区域流域水文模型奠定了基础。

青藏高原高寒冻土区生物结皮对浅层土壤水热过程的影响

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%左右;当土壤温度-4<T<4℃时,土壤未冻水含量与土壤温度呈正相关关系,土壤温度影响土壤含水量,随着土壤温度升高土壤未冻水含量增加;土壤温度T>4℃,土壤未冻水含水量与土壤温度呈负相关关系。此阶段水热相互耦合,随着土壤温度升高,土壤中未冻水含量的降低。同时土壤含水量影响土壤温度,随着土壤含水量的增加,土壤温度降低。研究结果揭示了高寒草甸退化过程中生物结皮对冻土浅层土壤水热过程的重要影响,这一研究结果将为后期冻土区生态修复提供理论依据。

寒冷地区冻土水文特性与产流机制研究

分析了寒冷冻土地区(以下简称寒区)的气候特点和冻土水文特性,在揭示冻土期土壤水分动态规律和特点的基础上,探讨了不同于无冻地区和无冻期的产流机制和相应的降雨径流关系,对寒区应用蓄满产流模型提出了改进意见,文中提出的实际成果资料和分析方法为寒区水文预报和水文计算提供了依据。

黄河源区多年冻土活动层土壤水文过程季节变异分析

为从整体上认识多年冻土活动层土壤水文过程季节变异特性,以黄河源区巴颜喀拉山北坡冻土剖面为例,结合大气降水、冻土土壤水分、冻土层上水的野外观测,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行模拟分析,分析冻融作用对活动层土壤水文过程的影响,研究结果表明:(1)冻土层上水位与土壤水热之间存在着相互影响、相互作用的关系,依据活动层土壤温度变化,基于冻融过程,多年冻土活动层土壤水分与冻土层上水位可划分为冻结稳定、快速融化、融化稳定和快速冻结4个阶段。(2)降雨入渗是坡面尺度下活动层土壤水文过程的主要驱动力,活动层冻融锋面是主要限制性因素,受冻融过程影响,冻结期降雨减少,土壤冻结,土壤储水能力下降,土壤水分下渗停止,坡面侧向流动减弱,土壤水分和冻土层上水位处于下降趋势;融化期降雨增多,土壤融化,土壤储水能力上升,土壤水分下渗强烈,坡面侧向流动增强,土壤水分和冻土层上水位处于上升趋势。(3)受坡面地形影响,上坡活动层厚度大于下坡,上坡冻融锋面变化较下坡平缓,上坡土壤水分和冻土层上水位的变化幅度相对下坡较为平缓,而上坡土壤水分相对下坡含量较低,下坡冻土层上水位相对稳定。

黄土丘陵区冻土坡面侵蚀过程特征研究

为了探究黄土丘陵区未冻坡面和冻土坡面在不同径流坡长条件下侵蚀之间的差异,在室内进行模拟冷冻和放水冲刷试验,采用3种径流坡长(2 m,4 m和6 m)和2种坡面类型(未冻坡面和冻土坡面),定量研究了未冻坡面和冻土坡面的产流产沙过程和水沙关系。结果表明:(1)未冻坡面和冻土坡面的初始产流时间均随着径流坡长的延长而缩短,在相同径流坡长条件下,冻土坡面的初始产流时间较未冻坡面减少;(2)未冻坡面的平均产流量与平均产沙量和冻土坡面的平均产沙量均随着径流坡长的延长而增大,而冻土坡面的平均产流量随着径流坡长的变化无显著差异;(3)未冻坡面产流率和产沙率的关系分为缓慢和急速增加两个阶段,而冻土坡面的产沙率则随着产流率的增大而增大;(4)累积产流量与累积产沙量之间呈正相关关系,参数c的绝对值与径流坡长呈正比,并且冻土坡面大于未冻坡面。土壤冻结后使初始产流时间大大缩短,径流量的增加伴随着冻结土壤的不断融化导致冻土坡面侵蚀加剧。

黄河源区冻土水文关键要素变化过程及特征分析

冻土水文要素变化及关键参数的确定是黄河源区水文过程分析和模型模拟研究的核心内容之一。为进一步认识冻土冻融影响下黄河源区冻土水文关键要素变化及特征,论文选取玛曲季节冻土观测站和康穷多年冻土观测站进行对比分析,结合降水、蒸散发、冻土土壤水分的野外观测,采用HYDRUS-1D模型冻融模块进行模拟分析。结果表明:(1)冻土冻融过程会改变土壤水力参数,季节冻土饱和含水率θs冷季大于暖季,残余含水率θr冷季小于暖季;多年冻土饱和含水率θs冷季大于暖季,残余含水率θr仅深层冷季小于暖季。(2)季节冻土与多年冻土在年内冻结期间土壤含水量呈“U”形变化;在冻结稳定时期季节冻土储水量减少比多年冻土快。(3)冻结稳定时期季节冻土与多年冻土底部渗漏通量都不断减少,而多年冻土由于底部冻土层的存在,底部渗漏通量减少到0后保持不变。(4)季节冻土与多年冻土在地下20 cm处存在冻结锋面,冻结开始期间土壤水双向流向冻结锋面,融化开始期间土壤水由冻结锋面双向流出。研究对于深化黄河源区冻土水文过程的认识,优化水资源管理具有重要的理论和实际价值。