考虑融雪及土壤冻融的新安江模型及其应用——以雅砻江上游径流模拟为例

寒区为中国大江大河的主要产流区,其径流预报精度直接影响下游水利工程调度和水资源科学管理。针对传统概念性水文模型较少考虑积雪融雪及土壤冻融过程对径流的叠加影响这一问题,以新安江模型为基础,以降水量和气温为驱动数据,提出了基于“等效土壤温度”和“土壤冻融特征曲线”的概念性土壤冻融模块来刻画积雪融雪及土壤冻融共同影响下的流域产流过程,构建了考虑融雪产流和土壤冻融的新安江模型。以雅砻江甘孜水文站以上流域为典型研究区,开展了流域2017—2022年冰雪消融期逐小时的径流模拟分析。结果表明,相比于HBV模型,考虑融雪产流和土壤冻融的模型可以显著提升流域冰雪消融期的水文模拟精度,各年份消融期径流的纳什效率系数中位数由0.69提升至0.83,相关系数中位数由0.88上升至0.92。本研究所提出的考虑融雪及土壤冻融的新安江模型可以为寒区的水文业务预报提供科学支撑。

基于超声波速的冻融盐渍土强度预测模型构建

现有宏观控制因素作用下对冻土宏观强度的研究主要采用试验手段,在实践中已取得较好的成果。室内外试验普遍存在试验周期长、成本高的特点,随着新技术手段的涌现,探索更为简便的方法和构建预测模型,成为了科研工作者长期努力的方向。同时宏观控制因素对冻土宏观强度的影响借助土体内部特征这一媒介发挥作用。由于超声波是岩土介质物理力学性质等相关信息的良好载体,利用超声波检测具有的无损、快速、简便等特点,可反映土体内部特征。因此,本文从两种思路出发,设计出包含不同类型参数的强度预测模型:思路1,宏观控制性因素到宏观强度特性;思路2,宏观控制性因素到超声波速反映的土体内部特征再到宏观强度特性。基于此,首先通过试验获取不同含盐量土体经历不同冻融循环次数的超声波速和单轴抗压强度作为基本数据,再将思路1参数设置为试验控制变量,将思路2参数设置为纵、横波速构造的超声特征参数群,即联合两思路参数作为模型输入,建立单轴抗压强度的BP神经网络预测模型,并采用缺省因子检验法评估该模型。结果表明,随冻融次数、含盐量增加,单轴抗压强度总体减小;冻融初期波速波动明显,中期趋缓,后期恢复至初始值附近,且控制性因素作用下强度随波速增加呈阶梯式下降状态。而将经灰色关联度及粗糙集优化的思路2参数作响应土体内部特性的最优子序列建立的BP模型,平均绝对误差小于0.05 kPa,决定系数大于0.96,各参数敏感性指数平均为1.4251。同时敏感性分析成功验证了控制性因素、最优子序列在模型构建过程的假设地位,单个控制性参数对单轴抗压强度的影响大于单个超声特征参数。此外,模型精度较高、实用性较强,可为冻土模型的强度预测及参数选取提供参考。

冻融胚胎移植临床妊娠的影响因素分析及列线图预测模型构建

目的:探讨行激素替代治疗(hormone replacement therapy,HRT)的冻融胚胎移植(frozen-thawed embryo transfer,FET)周期临床妊娠的影响因素,构建临床妊娠预测模型。方法:回顾性分析2018年1月—2020年12月在南京医科大学附属妇产医院行HRT的2107个周期FET患者的临床资料。按照7∶3的比例随机分为训练集(1499例)和验证集(608例),并根据临床妊娠与否,分为临床妊娠组与未临床妊娠组,探讨各临床特征与临床妊娠结局的关系。利用最小绝对收缩和选择算子(least absolute shrinkage and selection operator,LASSO)回归模型筛选影响因素,通过十折交叉验证法选择模型中的最优参数λ,并通过多因素Logistic回归分析构建列线图预测模型,采用校准曲线、受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线和决策曲线分析(decision curve analysis,DCA)对其效能进行评估。结果:①2107个周期中有1354个周期(64.26%)获得临床妊娠。②LASSO回归模型筛选10个变量纳入模型,包括年龄、基础卵泡刺激素(FSH)、基础黄体生成素(LH)、基础抗苗勒管激素(AMH)、FET后14 d雌二醇(E2)及妊娠、流产、生产、人工流产和足月产次数。③调整混杂因素后,多因素Logistic回归分析发现年龄、基础LH、基础AMH和FET后14 d E2水平与临床妊娠相关(均P<0.05),并据此构建列线图模型。④该模型在训练集和验证集的ROC曲线下面积分别为0.662和0.683,并且校准曲线在训练集和验证集中的预测风险与实际结果之间具有良好一致性,表现出一定的区分度和良好的校准度。DCA结果表明,当训练集和验证集的阈值概率分别在1%~79%和1%~81%时,采用该列线图预测模型可以使患者的净收益提高。结论:建立了预测FET患者临床妊娠的列线图模型,在一定程度上可以帮助临床医师在移植周期中或移植前采取个性化治疗措施提高临床妊娠率。

季节冻土区路基土的损伤本构模型研究

为探索不同冻融循环次数和围压作用对季节冻土区路基土在不同含水率条件下的应力-应变关系及损伤机理,以辽宁阜新市某公路区间为试验路段,采用环刀法选取试验路段路基土样,通过冻融循环及三轴压缩试验,得到在不同冻融循环次数及围压作用下路基土的应力-应变曲线变化规律;根据损伤力学及统计学原理,将Weibull分布与Lemaitre有效应力原理相结合,建立了季节冻土区路基土损伤本构模型。结果表明:冻融循环作用可导致路基土试件强度降低,且随着试件含水率的增加,应力-应变曲线呈现由应变软化逐渐表现为应变硬化特征,试件最优含水率为应变软化与应变硬化的分界点;随着围压的增大试件强度增加,在冻融循环次数较少且围压较低时,试件的应力-应变曲线出现峰值应力,曲线表现出应变软化特征,在冻融循环次数较多且围压较大时容易出现应变硬化现象;经对比分析,所建立的损伤本构模型与试验应力-应变曲线吻合度较好,且模型所需参数均可通过三轴试验获得,说明该模型能够较好地描述季节冻土区路基土的应力-应变关系,具有实用性。另由试验结果可知,为降低东北地区冻融循环作用对季节冻土区路基强度的影响,提前做好路基的防排水工作对于路基冻融病害防治是非常重要的。

双梯度驱动的非饱和冻土水热耦合模型

青藏高原冻土地区的地质灾害与冻土因冻融作用引起的水分重分布密切相关,其实质是复杂水热耦合作用的结果。已有的冻土水热耦合模型较多关注未冻水含量梯度驱动引起的水分迁移过程,而缺乏对温度梯度驱动效应的探讨。基于经典热传导方程和非饱和土体渗流理论,考虑未冻水含量梯度和温度梯度的共同作用,建立了双梯度联合驱动作用下的非饱和冻土水热耦合模型。在采用已有试验数据对模型有效性进行验证的基础上,分别对-5、-10和-15℃3种环境气温条件下土体的水热响应开展了数值模拟。结果表明:温度梯度在冻结过程中对于水分迁移的驱动作用不可忽略;冻结过程中由于冰水相变释放潜热造成冻结速率逐渐减慢;土中水分聚集的位置处于冻结初期形成的冻结锋面处,且外界气温越低,内外温差越大,则土体水分发生聚集的位置越深,水分迁移量相对也越大,冻结过程中土体水分随深度呈S型分布;-5、-10和-15℃环境温度下含水率极值分别位于0.30、0.55和0.70 m深度处,含水率增量分别为3.5%、4.6%和5.5%。

寒区冻土层含冰孔隙结构导热模型构建及应用分析

冻土主要由固、液和气三相物质构成,其中固体可以看成骨架,另外两相物质填充在孔隙中,是典型的多孔介质。寒区冻土层融沉过程中,其中的孔隙结构、矿物颗粒和含冰量等参数变化幅度较大,导热系数等热物性参数随之变化,目前在精细表征和分析研究方面存在一定不足。针对含冰冻土,采用多孔介质描述方法,考虑其相态变化特性,将其分为未冻区、融化区、固结区及已冻区;基于表征单元体(representative elementary volume,REV)方法,结合冻土物理学和传热传质学理论,构建了冻土层导热分析模型,包括微观模型和宏观分析模型;以寒区土壤冻融过程为例进行模拟计算,分析了孔隙率、含水率、含冰率以及通道构成系数等对冻土导热系数的影响规律。所建模型可为寒区冻土传热机理分析及导热特性研究提供理论基础。

冻土力学的研究进展与思考

从冻结土的宏观力学性质，正冻土中的水、热迁移理论，正冻土的水热力耦合模型四个方面分析综述了国内外冻土力学的发展历史、研究现状与我国冻土力学研究中存在的问题，指出：（１）当前冻土力学的研究内容应该从对冻结上的宏观强度与变形性质向更切合实际工程需要的正冻土、正融土微、细观热、力学耦合性质方面深化；（２）冻土力学的研究思路应该从对土样纯力学量的试验研究向土样组构、级配、含水量、饱和度等土性指标在不同负温下对土样颗粒排列与胶结特性的强度、变形影响机理方面转移；（３）冻土力学的研究对象也应该从室内冻结试验的研究向具有各种不同水热交换边界条件与水热迁移内在规律的冻土体发展。

土壤冻胀离心模拟试验

介绍了在清华大学离心机上进行的土壤冻胀离心模拟的模型模拟试验、４０ｇ 下离心模拟重复试验等初步试验成果． ３０ ｇ 和４０ ｇ 下的土壤冻结模型模拟试验结果一致， 说明土壤冻胀离心模拟试验中热传导缩比关系正确． ４０ ｇ 下土壤有／ 无荷离心模拟重复试验结果相近， 说明土壤冻融离心模拟试验的可行和可靠性．

陆面模式中土壤冻融过程参数化研究进展

土壤冻融过程在寒区水文和气候系统中有着重要作用。陆面模式中土壤冻融过程的参数化对模式的设计和模拟结果有着关键作用。通过对广泛应用的Bucket ,SIB ,BATS ,VIC ,BEAS ,LSM等几种主要的陆面模式中的冻融过程参数化方案进行了总结和比较。首先 ,详尽地描述了土壤冻融与气候变化的数值模拟研究 ,总结和评述了土壤冻融过程对气候变化的作用。其次 ,对几种主要的陆面过程模式在土壤水热参数化方案中对冻融过程的考虑及其特点进行了比较和讨论。还对冻结深度和冻结周期的预报模式进行了简介 ,最后对该领域当前面临的主要研究问题进行了探讨和阐述。

冻土斜坡模型试验相似分析

南水北调工程、青藏铁路建设工程等一系列工程的实施,将进一步影响和加剧青藏高原多年冻土区斜坡稳定性问题,冻土区边坡开挖及斜坡稳定性是工程活动中必须解决的问题之一,冻土斜坡稳定性研究在国内尚属空白。通过相似模型试验对高原多年冻土区斜坡在自然和人类活动影响下的失稳机制和活动规律进行分析,是开展研究的重要手段。根据相似理论第一定律,对冻土斜坡模型试验进行了相似分析,应用积分类比法推导并建立了冻土斜坡模型试验的相似指标和相似判据,得出在用原状土作模型介质时,6个相似常数减少为2个相似常数,即cτ和cl。模型与原型的时间比例尺是由几何比例尺决定的,即cτ=c2l,仅有一个相似参数为自变量,另一个为因变量。据此对青藏高原多年冻土区青藏公路沿线K3035处冻土斜坡进行了相似模型设计和冻融模型试验。模型再现了K3035处7°斜坡在4个冻融循环条件下,坡体中部(水平、垂向)4#位移伸张计质点位移曲线随时间的变化特征。实验表明,斜坡土体中部在第一次冻融循环中已有滑动迹象,随着滑坎进一步后退和靠近观测基准点,必然出现一次较大的位移,直至周边土体出现滑塌为止。模型试验结果与现场观测资料相比较是令人满意的。

冻土路基水份迁移数值模型

给出了冻土路基水份迁移问题的二维数值模型 ,提出水头应由重力水头、吸力水头、温度水头和相变界面水头四部分组成 ,定义了温度水头和相变界面水头 ,并给出了相应的确定方法 ;对如何确定有关参数及计算过程进行了阐述 。

冻土路基温度场、变形场和应力场的耦合分析

基于提出的正冻土三场耦合的理论框架以及所开发的全面考虑正冻土骨架、冰、水三相介质水、热、力与变形的真正耦合作用的分析系统3G2001，对214国道花石峡试验路基实测的地温变化和路基路面变形进行了对比分析验证;根据路面冻胀融沉过程曲线，将冻土路基的变形过程分为4个阶段，即剧烈冻胀阶段、冻胀持续稳定阶段、剧烈融沉阶段和融沉持续稳定阶段，揭示了冻土路基冻胀融沉的热力学内在机制.对比结果显示：分析所得的路基温度场与实测值变化规律一致，其量化相差在10%～20%以内;分析所得耦合变形随时间的变化与实测值相一致，路中的分析变形值与实测值相差也在允许范围内.

浅表土人工冻土冻胀特性的研究

利用自制冻胀试验装置,对淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂在不同冷端温度、含水率及荷载作用下的冻胀规律进行试验研究。结果表明:在试验含水率及干密度范围内,土体冻胀率随冷端温度下降线性降低,随土样含水率增加线性增大,随干密度增加而增大,随上部荷载增大呈指数规律降低。同时对淤泥质黏土进行了正交冻胀试验,表明各因素对土体冻胀率的影响程度的由大到小顺序为:含水率、冷端温度、干密度、上部荷载。最后给出了不同因素对黏性土冻胀的预测模型。

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.

不同加载频率及循环应力水平对人工冻融软土动力特性影响试验研究

近年来冻结法作为一种提高土体强度的手段被广泛应用于地铁隧道施工中,然而在列车循环荷载作用下冻土融化后会产生较大变形,影响地铁列车的运营安全。基于室内动三轴试验,研究列车加载频率、应力幅值和固结压力对冻融土体动孔压及应变的影响,得到地铁列车循环荷载下冻融软土的动力特性规律。试验研究表明:冻融后土体强度显著降低,且由于列车循环荷载作用会发生更大程度的下降。在地铁不同频率荷载下,其加载频率越低,动孔隙压力值越高,冻融后软土应变增幅明显。在相近循环应力比下,固结压力比应力幅值对冻融土动力特性影响更大。同时,基于试验数据,建立地铁列车循环荷载作用下的冻融土孔压累积模型,模型预测值与试验值较为吻合。

黄土高原砂壤土冻融过程的观测和模拟

针对黄土高原冬季陆面过程,使用兰州皋兰地区冬季观测资料和水热耦合模式(SHAW),进行了观测资料和数值模拟分析.结果表明:冬季,黄土高原地区入射的太阳辐射较小,降水稀少,空气干燥,12月、1月及2月的月平均气温均低于0℃,净辐射很小,积/融雪期间,净辐射出现了负值.地表能量分配中感热潜热都很小,但感热相对潜热占主要地位,在无降水时期日平均潜热通量几乎都在10 W.m-2以下.水热耦合模式对地表能量中短波净辐射和长波净辐射模拟较好,感热通量和潜热通量的模拟存在一定的偏差.模式对浅层30 cm和40 cm土壤温度及土壤湿度模拟较为成功,模拟值对观测值的相关性较高,相关系数均达到0.87以上.土壤温度模拟偏高,土壤湿度的模拟稍偏低.

高压冻(融)土-结构接触面剪切应力-应变关系

为揭示深厚表土冻融土-混凝土结构接触面剪切力学特性,利用改进的DRS-1高压直残剪试验系统,开展系列高法向应力、升温条件下冻(融)土-结构接触面直剪试验,总结高应力作用下不同融化程度冻(融)土-结构接触面剪切应力-应变关系曲线的基本特征.通过试验分别建立峰值前和考虑应变软化特征的高应力、升温条件下冻(融)土-结构接触面剪切应力-应变经验方程,探讨接触面剪切应力极值和初始剪切模量随法向应力水平、融化程度等的变化规律.结果表明:随融化程度的加深,冻(融)土-结构接触面剪切应力-应变关系曲线形态由具有应变软化特征逐渐转变为具有应变硬化特征;当接触面剪切应变较小时(峰值前),标准的双曲线模型对高应力、升温条件下冻(融)土-结构接触面剪切应力-应变关系仍具有良好的适用性;而具有应变软化特征的全过程剪切应力-应变关系可采用改进的双曲线模型描述.

冻土模式的改进和发展

本研究首先对当今常用的冻土模式进行了改进。以土壤总焓和土壤水总质量替代原来的温度和体积水含量作为方程预报量,使冰水相变速率项变为诊断量,避免了原冻土模式计算过程中由于冰水相变速率项预估的误差造成计算过程中的温度偏差。同时对该新形式模式所发展的诊断量方程组设计了合理省时的数值计算方案。实验表明,改进后模式的模拟结果与观测值有较好的吻合。此外,分析比较了目前常用的3种冻融方案的理论基础及模拟结果,发现基于热力学平衡态推导得到的包含土壤水势影响的参数化方案能很好地模拟土壤的冻融变化过程,不同的冻融方案会对土壤内的温度、水量及表面的感热和潜热模拟结果产生较大的影响。

人工冻土单轴抗压强度GA-SVM预测模型

为了预计冻结法凿井中井壁结构设计中的人工冻土单轴抗压强度,利用支持向量机在处理小样本分类学习的独到优越性及遗传算法全局并行搜索优化的特点,结合影响人工冻土单轴抗压强度因素,提出了人工冻土单轴抗压强度不同核函数的遗传支持向量机计算模型,并运用该模型预计了两淮地区第四系人工冻土单轴抗压强度。结果表明,多项式核函数的遗传支持向量机模型较高斯径向基核函数及Sigmoid核函数的遗传支持向量机模型较准确地预计人工冻土单轴抗压强度。该模型为人工冻土单轴抗压强度的预计提供了一条新途径。

冻融土壤Philip入渗模型参数的BP预报模型

为提高季节性冻土区冬、春季储水灌溉的灌水质量和效果,在季节性冻土区冻融期间进行了大田冻融土壤的系列入渗试验,获取了自然冻融条件下的大量土壤入渗试验数据,拟合得到了不同冻融条件下的Philip入渗模型参数,建立了入渗模型参数与土壤基本理化参数间的BP神经网络的预报模型,实现了基于土壤体积含水率、黏粒含量、土壤密度、土壤温度以及灌溉用水水温等基本理化参数对Philip入渗模型参数稳渗率A、吸渗率S的预报。所得到的预测值与实测值之间相对误差的平均值控制在7%以内。研究表明,利用冻融土壤条件下土壤常规理化参数对Philip入渗模型参数进行预报是可行的,可为季节性冻融土壤灌溉技术参数的确定提供有力支撑。