岛状多年冻土区高速铁路路基热状态及工程措施效果分析

为揭示岛状多年冻土区高速铁路路基热状态,提出合理有效的制冷结构,在新建哈尔滨至伊春高速铁路某车站试验段开展现场监测,获得岛状多年冻土的地温数据;基于实测地温数据,采用冻土水热耦合理论,对将在试验段实施的两侧双排普通热棒路基、两侧双排+中心单排全季热棒路基、两侧单排+基底横向通铺全季热棒路基3种制冷路基结构进行数值模拟,对比了3种制冷路基结构的地温分布特征及对下伏岛状多年冻土的降温效果。研究结果表明:铁力地区年均气温和降水呈增大趋势,天然场地岛状多年冻土地温在-0.3℃左右,属于高温极不稳定多年冻土。3种制冷路基结构中,两侧单排+基底横向通铺全季热棒对岛状多年冻土保护及降温效果最优,两侧双排普通热棒最差。普通热棒路基的多年冻土上限呈“两侧凸,中间凹”形态,抬升不明显;全季热棒路基的多年冻土上限呈“上凸缓斜平顶”形态,抬升显著。研究成果可对多年冻土区高速铁路路基建设和结构优化提供技术支撑。

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.

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.

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.

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。

季节性冻土和多年冻土对场地地震反应的影响

季节性冻土和多年冻土的存在,对场地的地震反应将产生一定的影响。根据一维波动理论,应用水平层状场地地震反应的等效线性化有关程序,对季节性I,II类场地的冻土区和多年冻土区在不同地震波作用下的反应进行计算,分析冻土层的变化对场地地震反应的影响。计算结果表明:在季节性冻土区,冻土层使自由场地的地面峰值加速度减小,且随冻土地温降低,冻土厚度增大、地面的加速度减小。对II类场地的冻土层影响大于I类场地;在多年冻土区,冻土层厚度越大,II类场地的地面加速度越小,而在I类场地上没有此规律。多年冻土上界以上为融土时,地表面的加速度峰值比上界以上为季节性冻土时要大。

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.

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。

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。

冻土冻融对地下水的影响:以祁连山多年冻土区大通河谷融区为例

冻土区地下水的形成、补给、径流、排泄方式以及地球化学特征受到冻土分布及其季节性冻融过程的强烈影响。以地处祁连山多年冻土区的大通河谷融区为典型研究区,基于钻探、坑探和地球物理工作查明了区内冻土特征和分布情况;结合水文地质观测及抽水试验,分析了研究区河流融区内地下水的赋存条件,深入研究了区内冻土冻融过程影响下地下水的水文地质和水化学特征,认为冻土冻融过程决定了研究区的地质和水文地质条件,控制着地下水的补给、径流、排泄方式,特别是对地下水质有优化作用——冻土区地下水质明显优于非冻土区。冻土区地下水成因和赋存条件研究对于其开发利用有重要意义。

内蒙古深季节冻土区公路水热过程的实体工程试验

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,提出此类地区道路工程的冻融病害防治需从保温和隔水两方面入手。

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。

祁连山区黑河上游高山多年冻土区活动层季节冻融过程及其影响因素

祁连山区黑河上游多年冻土和活动层土壤水热过程基础观测数据薄弱,制约了黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应研究.根据2013~2014年在黑河上游高山多年冻土区东支峨博岭北坡和西支冲积平原的活动层土壤温度、含水量观测资料,系统分析了活动层季节冻融过程、土壤水热动态及其影响因素.结果表明,高山多年冻土区气候条件以及地形地貌、植被、岩性和含水量等局地因素明显影响活动层季节冻融过程及其土壤水热动态,此外还受到积雪、水体和冬季逆温等因素的影响.峨博岭北坡地表温度年较差、活动层底板温度和年平均地温均明显低于黑河西支冲积平原同等海拔处.峨博岭北坡融化始日早、达到最大融化深度的日期晚、融化过程历时长、融化速率小;冻结（自地表向下）始日晚、冻结过程历时长、冻结速率小,完全冻结阶段历时长;在融化上升阶段和冻结下降阶段,活动层含水量变化速率明显较大.本文结果可为黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应的辨识、模拟和预测提供基础资料和验证.

冻土水文研究进展

冻土改变了区域水热条件、产汇流过程、产流量多寡及年内/际变化,冻土水文成为寒区生态—水文过程的核心环节。系统总结了国内外冻土水文研究进展,包括冻土水热传输特征,特殊的产汇流过程,流域尺度水平衡,以及各种水热传输物理模型和流域尺度水文模型。未来冻土水文的发展应在数据和方法积累的基础上,进一步探索产汇流过程机理,并建立完善的分布式冻土水文物理模型,定量探索冻土变化对区域/流域水资源和生态的影响。