流体加热融雪系统运行对道路结构温度分布特性影响分析

为了明确流体加热道路融雪系统运行对道路结构短期/长期温度分布特性的影响,利用室外足尺试验系统对比分析了普通水泥混凝土路面结构与流体加热道路融雪系统道路结构在温度、温变速率及温度梯度分布特性等方面的差异,阐明了系统运行对道路结构短期/长期温度分布特性的影响规律。结果表明:融雪系统运行初期,快速上升的流体温度对管壁-路面材料界面存在强烈的温度冲击作用;随着系统持续运行,管壁-路面材料界面的温变速率逐渐减小并趋于稳定,且小于普通路面最大温变速率;同时,融雪系统的运行增大了路面结构内部的温度梯度,改变了路面结构一定深度范围内的热量传递方向。融雪系统道路结构年周期温度分布的观测结果表明:融雪系统的运行可在较短的时间内释放大量热能,降低了道路结构内部热量的散失,有效延缓了季节性冰冻地区冬季道路结构温度的降低及冻结深度的发展。

气候变化背景下宁夏灌区冻土变化特征及其对农业生产的影响

为掌握气候背景下宁夏灌区季节性冻土变化及其对农事活动的影响,争取最大限度地提高光热资源利用效率,挖掘生产潜力,开展了气候变化背景下宁夏灌区冻土变化特征及其对农业生产的影响研究。利用宁夏灌区4个代表性站点1961—2020年冬季逐日冻土资料,采用统计方法,分析宁夏灌区逐年最大冻土深度、土壤冻结日期、解冻日期及冻结日数变化特征,并分析冻土变化对农业生产的影响。结果表明,1961—2020年冬季各代表性站点中最大冻土深度均有明显的变化趋势,2001年以前各地最大冻土深度明显变浅,2001年以后惠农、永宁、吴忠整体冻土深度有所增加,永宁、吴忠呈波动性变化,无明显趋势性变化;1961—2020年中宁最大冻土深度明显变浅。土壤冻结日期、完全解冻日期分别有不同程度延后和提前趋势;各站点冻土持续日数年变化呈缩短的趋势,其中中宁的冻土持续时间缩短趋势最明显。

基于Stefan改进公式计算标准场地冻结深度的探讨

本研究依托于分布在全国季节冻土区600个气象台站,1971—2020年近50年实测季节冻土年最大冻结深度数据及温度观测数据,分别对600个台站的气温年变化趋势,气温冻结指数的年变化趋势等进行了探讨。并且在Stefan改进公式的基础上,进一步探讨了基于气温冻结指数的影响因子Ea与经度、纬度及海拔等因素在标准场地上的统计学关系,建立影响因子Ea与经纬度、海拔三者之间的相关关系式,将通过相关关系式计算得出的影响因子Ea与通过基于气温冻结指数的Stefan改进公式反推计算得到的影响因子Ea进行对比分析,验证相关关系的准确性。研究表明,因子在大多数点位拟合程度良好,但是一些位于多年冻土区边界处的点位,拟合差异较大。为解决这一问题,将研究区域重新划分为一般季节冻土区域及季节冻土区与多年冻土区边界处的过渡区域,分别进行相关性分析,再次建立影响因子Ea与经度、纬度、海拔之间的相关关系式。经过验证,点位拟合程度具有显著的提升。将相关关系式引入基于气温冻结指数的Stefan改进公式做进一步拓展,最终得到的经验公式将用于计算我国季节冻土区标准场地冻结深度。通常意义上由于Stefan公式中基于地表冻结指数的影响因子E本身计算较为繁复,应用于工程设计及施工并不简便,对难于计算或者难于获取到冻结深度的工程建设所在地,利用拓展后的经验公式计算得到的冻结深度值与气象台站观测值拟合度较高,能够较好地为工程建设提供冻结深度值作为参考。

高寒山区季节冻土冻融特征参数变化及其影响因素——以天山南坡为例

季节冻土在高寒山区广泛分布,其冻融过程会对水文水资源和生态环境产生深刻影响。研究气候变化背景下高寒山区季节冻土冻融特征参数变化及影响机理,可为高寒山区水资源管理和生态保护提供科学依据。本文选择天山南坡作为研究区,基于13个气象站点1958年以来季节冻土冻融参数(最大冻深、冻结期、始冻日、解冻日)、气温、地表温度、降雨和积雪等数据,使用空间分析和多元线性回归统计等方法对冻融参数的时空变化特征进行分析,量化不同气候因素对季节冻土冻融变化的影响权重。结果表明,季节冻土最大冻深在(48.5±11.4)~(96.8±8.5)cm之间,冻结天数在(102±10)~(141±14)d之间,多年平均始冻日在11月7日至19日之间,多年平均解冻日在3月1日至28日之间。1950年代至2010年代期间,始冻日逐渐推迟,解冻日逐渐提前,冻结天数缩短。空间分布上,最大冻深有“海拔高,最大冻深大”的规律;空间变化趋势上,最大冻深在研究区中部显著增加;冻结天数在研究区内大范围显著缩短。季节冻土冻融变化与气温相关性最强,温度(气温和地表温度)是季节冻土冻融变化的主导因子。定量评价发现,气温影响占比(24.1±3.6)%,地表温度影响占比(12.1±3.1)%,降雨影响占比(9.6±1.7)%,积雪影响占比(5.1±1.5)%。

1985-2020年呼伦贝尔市冻土气候变化特征

利用1985-2021年呼伦贝尔市15个国家气象站各层地温、第一冻土层下限、最大冻土深度资料,研究呼伦贝尔市冻土气候演变特征,同时采用重标极差(R/S)和非周期循环分析,统计最大冻土深度等气象要素时间序列的Hurst指数、分维数和非周期循环的平均循环长度,分析最大冻土深度等气象要素变化趋势和记忆周期。研究表明:(1)0 cm地温、40 cm地温和80 cm地温都呈增加趋势,且0 cm地温增加趋势最显著,特别是0 cm地温最小值增大更加明显。(2)冻结持续日数呈缓慢减小趋势,其中中部偏北海拔超过600 m山区持续时间最长,西南部和东南部地区持续时间最短。(3)7月中旬冻土从北部地区开始,9月-10月下旬向西南和东南地区扩展,次年5月上旬-6月下旬自西南和东南地区向北部地区逐渐消失。(4)最大冻土深度呈现逐年减小趋势,突变年份出现在1988年,最大冻土深度在7-9月最浅,次年2-4月最深,10月-次年1月是最大冻土深度不断加深的过程,5-6月是最大冻土深度显著减小的时段,最大冻土深度最大值出现在西部偏南地区。(5)冻结持续日数和最大冻土深度未来减小趋势仍将持续,持续时间分别为10、8 a;0 cm地温、40 cm地温和80 cm地温未来增加趋势仍将持续,持续时间都为12 a。

藏区季节性冰冻地段路基施工技术要点

G248线大岭山至新城二级公路处于甘南藏族自治州东部,海拔较高,冬季气温低,属于季节性冰冻地区。在季节性冰冻地区修建公路时,首先要考虑的就是冻胀作用导致公路出现翻浆、冻胀、拥包等病害。因此,在施工前就选择适宜的填料,做好排水设施,从而避免通车运营后经常需要进行维修和养护。

青藏高原季节冻土的气候学特征

青藏高原季节最大冻土深度变化特征是研究寒区陆面过程的重要方面.利用青藏高原地区35个地面站1961-1998年最大冻土深度的观测资料及5cm土壤温度资料,分析了青藏高原地区土壤季节最大冻结深度时空变化特征.结果显示:青藏高原土壤季节最大冻结深度度呈现明显的变化规律,20世纪60年代至80年代中期土壤季节最大冻结深度相对处于一个增大期,80年代中期至今土壤季节最大冻结深度在减小.冻结期间5cm土壤累积负温距平指标能够较好的描述土壤季节最大冻结深度变化特征,土壤季节最大冻结深度也是高原地区地面热源强度一个较好的表征参数.

甘肃河西季节冻结深度年代际变化特征及其气候成因分析

根据甘肃河西1958-2003年17个气象站的土壤冻结上、下限记录和最长连续冻结的初、终日资料, 采用小波分析方法研究了甘肃河西季节冻结的年代际变化特征. 结果表明: 甘肃河西最大冻土冻结深度的变化存在8～10 a的周期振荡, 20世纪80年代中期是其变化的转折期, 反映了甘肃河西冬季气候自80年代中期以来变暖的事实. 气候成因分析说明, 气候变暖对河西季节冻结影响显著. 冬季最低气温与甘肃河西季节冻结深度和冻结时间关系密切,特别是冬季地气温差和气温日较差与其关系尤为密切.

新疆阿勒泰地区积雪变化特征及其对冻土的影响

依据新疆阿勒泰地区气象台站观测的1961-2011年最大积雪深度、积雪日数资料与安装在库威水文站的雪特性站观测的积雪密度资料,讨论了新疆阿勒泰地区积雪的变化特征.结果表明:阿勒泰地区近50a来最大积雪深度变化均呈显著增加的趋势,且西部最大积雪深增加趋势大于东部.积雪日数变化较为复杂,在空间分布上有差异,位于最东面的富蕴和青河50a来积雪日数呈减少趋势,其余各站均为增加趋势,且东部历年平均积雪日数略高于西部,积雪日数的增加趋势比最大积雪深度增长得平缓.2011年8月-2012年9月在阿勒泰额尔齐斯河上游库威水文站架设的雪特性站观测资料表明,在额尔齐斯河源头高山区冬季积雪主要是空心化的密实化过程,升华可能是其主要的物质损失过程,引起升华的主要气象要素是气温、风速和水汽压.各站月最大冻结深度与海拔关系较为密切,随海拔的增加而增大.积雪20cm厚是积雪对下伏土壤冻结影响的一个界限,积雪厚度超过20cm就有一定的保温作用;积雪超过40cm时,气温变化对下伏土壤冻结的影响保持稳定,冻结深度也达到稳定值;但当积雪厚度超过70cm之后,冻结深度会再次发生变化,可能是由于地温从下向上的影响或地温不能与气温交换而产生的又一次变化.

季节性冻土区高速铁路路基冻深研究

针对季节性冻土区高速铁路路基冻胀的最大变形量应小于5mm的严格要求,开展季节性冻土区高速铁路路基冻深的研究。在综合分析国内外相关冻深求解方法的基础上,提出采用改进的Berggren法计算高速铁路路基设计冻深的公式。该公式考虑了路基的热力特性、气象条件以及地基条件,适用于特性各异的多层土路基。运用现场监测和基于比奥固结理论的有限元仿真分析方法及改进Berggren法,对某典型冻土区段高速铁路的路基冻胀及温度场和位移场进行测量、计算和分析,结果表明:路基冻深的发展历经较浅且小幅波动、向下快速发展且达到最大、逐渐减小和浅层小幅波动等阶段;路基冻胀变形主要发生在冻深的70%范围内;该典型冻土区段最大冻深的有限元仿真计算值为1.98m,改进的Berggren法计算值为1.94m,与实际监测值1.90m的计算误差分别仅为4.2%和2.4%,表明有限元仿真分析方法和改进的Berggren法均为确定路基冻深的有效手段。

寒区隧道围岩最大冻结深度计算的半解析方法

寒区隧道围岩的最大冻结深度是隧道抗冻胀结构设计、防排水与保温隔热层设计的重要基础参数。基于准稳态假定,采用积分法推导了能够考虑衬砌、保温层及冻结围岩中未冻水含量的寒区隧道围岩最大冻结深度的解析计算公式;利用围岩温度场数值模拟结果反演得出了解析计算公式中的参数影响半径与冻结半径比?的取值,从而得到了围岩最大冻结深度的半解析解。将所得解的计算结果与现场实测数据及数值模拟结果进行了对比,验证了所得解的合理性。利用得到的半解析解分析了工程冻土段围岩冻结深度的影响因素,结果表明:初始地温、年平均气温对冻结深度的影响最为明显,岩体骨架导热系数、岩体孔隙率的影响次之。

青藏高原总辐射变化对高原季节冻土冻结深度的影响

利用青藏高原及其毗邻地区22个辐射观测站建站至2000年的总辐射及日照百分率观测资料,确定了Angstr m-Prescott模型参数,以此模型估算了高原及毗邻地区116个站1961年1月至2000年12月份的总辐射.结合高原地区75个气象站的冻土观测资料,探讨了青藏高原地区总辐射变化对高原土壤季节冻结深度的影响.结果显示,冬季总辐射变化对季节冻深有较大影响.冷湖、玉树两个较典型的站点中总辐射与土壤冻结深度的负相关关系显著,与典型站点相似,德令哈、格尔木两站总辐射与季节冻深亦呈负相关.研究区域内,近乎80%的调查站点,总辐射与季节冻结深度之间关系呈现负相关;另外21%的站点呈现正相关关系.多元回归分析结果显示,纬度、海拔、总辐射及气温4个因子与季节冻结深度的相关显著.总辐射是高原土壤季节冻结深度的重要影响因子之一.

青藏粉土单向冻结冻胀率变化特性研究

开展了饱和青藏粉土在开放系统不同温度梯度条件下的单向冻结试验,对冻结过程中冻结深度和冻胀速率的发展变化过程进行了研究.结果表明:不同顶板温度下,土样均在25 h左右达到冻结稳定状态,之后冻结深度基本不再发生变化.土样冻结过程中,冻胀速率表现为快速减小、较小值保持稳定、快速增大、较大值保持稳定四个阶段.基于以上试验结果,对土样冻结过程中冻胀率的变化过程进行了研究,发现冻胀率随冻结深度的增加先减小后增加,冻胀率从减小变为增大的时刻就是冻结深度趋于稳定的时刻,而冻胀率快速增大的时刻为冻胀速率进入较大值保持阶段的时刻.冻胀率变化的内在机理为土样冻结过程中由冰透镜体分凝所导致的未冻区固结和已冻区冻胀共同作用的结果.

寒区长大隧道温度实测与仿真

基于现场实测数据对寒区长大隧道内温度的变化规律进行了分析,基于数值仿真分析对不同环境气温、围岩原始地温、自然风速、列车运行速度和频率条件下隧道洞内温度场和冻结深度的变化规律及保温层的适用范围进行了研究.研究结果表明:若环境气温或围岩原始地温低,自然风速大,或列车运行速度大和运行频率高,则洞内可能出现负温分布,所以寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段;保温层法不能完全解决寒区长大隧道洞口保温问题,当环境气温低于15℃,持续冻结时间超过45d时,需要采取主动保温措施.

寒区隧道温度场和排水沟埋置深度研究

研究目的:寒区隧道冻害问题时有发生,防排水对策是冻害防控措施的重要组成部分,其中尤以排水沟的合理埋置深度最为重要,该深度受温度场控制,被气象环境、地质环境和工程措施三个因素影响。鉴于国内外对考虑热流固耦合效应的寒区隧道温度场和排水沟埋置深度的研究较少,本文结合实际工程对此问题进行研究,以期为寒区隧道冻害防治提供技术支撑。研究结论:本文采用理论分析、数值试验、现场测试三种手段,基于流固耦合传热理论,对寒区隧道温度场和排水沟的埋置深度进行研究,得到结论如下:(1)揭示了寒区隧道温度场的时空分布规律,发现了区域冻结深度与隧道排水沟埋置深度的差异性;(2)研究寒区隧道排水沟埋置深度时,应以热扩散系数作为控制指标,密度、导热系数、比热容均为二级指标;(3)提出了排水沟埋置深度计算公式,该公式基于最冷月平均温度,考虑了地表岩土体和隧道围岩的热扩散系数的差异性,为寒区隧道排水沟设计提供了依据;(4)通过对东北某隧道温度场监测数据的深入分析,验证了该计算公式的正确性,可为后续类似隧道工程的防寒工作提供借鉴或指导。

路基的填料冻胀分类及防冻层设置

我国冻土区铁路路基表层的冻胀病害严重,且没有相应的路基填料冻胀性分类标准。在分析路基的冻胀特性、影响路基冻胀的因素、路基冻害整治中存在的问题的基础上,借鉴国内外地基土的冻胀性分类,并结合铁路路基填料分类的特点、铁路线路冻胀限高和维修标准,提出铁路路基填料冻胀性分类方案,并建议在冻土区设置路基防冻层。路基填料冻胀性分类方案以各类土的细粒含量、冻前含水量和冻胀高度为指标,进行冻胀敏感性和冻胀等级两级分类。路基防冻层应用细粒含量<5%的砂类和细粒含量<15%的砾类、碎石类不冻胀土填筑,防冻层的厚度根据路基的标准冻深。列车的运行速度和载重量确定。

寒区隧道隔热层设计参数的实用计算方法

根据冻土学基本理论推导寒区隧道围岩的季节冻结深度和季节融化深度计算公式。根据传热学的热流连续定律,分别计算隧道围岩的热流量及含隔热层和衬砌隧道围岩的热流量;采用当量换算法推导出寒区隧道隔热层厚度及导热系数的计算公式。以青藏铁路风火山隧道为例,采用推导的隔热层厚度及导热系数公式进行计算。结果表明:隧道DK1 159+046断面在2004年需要的隔热层厚度为4.1 cm,导热系数为0.03 W.(m.℃)-1;考虑未来50年升温2.6℃,全隧道铺设厚度为5 cm、导热系数为0.03 W.(m.℃)-1的隔热层,在前20年基本保证围岩不融化,在之后的30年围岩可能会融化。隧道实际的隔热层厚度为5 cm,导热系数为0.03 W.(m.℃)-1,2004年实测地温资料表明隧道围岩没有融化。此计算公式在寒区隧道设计的初始阶段,可用于指导隧道隔热层厚度和导热系数的参数设计。

艾比湖地区土壤呼吸对季节性冻土厚度变化的响应

利用LI-8100土壤CO2排放通量全自动测量系统,于2010年1—4月测定了艾比湖地区不同植被类型样地的土壤呼吸速率,结合环境因子、冻土厚度及室内土壤理化性质分析,探讨了温带干旱区季节性冻土厚度变化对土壤呼吸的影响。结果表明:土壤温度在冻结期是影响冻土厚度的最主要环境因子,而解冻期冻土厚度变化与土壤温度等环境因子关系不显著(P>0.05);冻土厚度在不同时期影响土壤呼吸速率的程度不同,冻结期两者呈显著正相关(R2=0.782,P<0.05),解冻初期两者呈弱相关(P>0.05);土壤呼吸速率在土壤冻结期与解冻初期不存在显著差异(P>0.05),但在解冻完全期则表现出明显的增加趋势(差值为0.14—0.37μmol·m-2·s-1),表明冻土融化会明显地增加土壤碳排放,从而增加大气中的CO2。结果阐明了艾比湖地区季节性冻土厚度变化对土壤呼吸的影响,为揭示全球变暖背景下冻土退化过程中的碳释放机理提供理论基础。

祁连山2种植被下冻土的季节变化及数值模拟

[目的]探究祁连山地区冻土的季节性变化以及植被对祁连山季节冻土的影响,建立冻土深度与温度的关系。[方法]对比观测了祁连山排露沟小流域的阴坡青海云杉林下土壤和阳坡草地土壤冻结融化过程,定量分析土壤冻结层随季节的变化。[结果](1)祁连山区季节性冻土每年10月中下旬开始冻结,4月冻土层上界面开始融化,8月消融完毕。该冻结融化过程可划分为单向冻结、单向融化和双向融化3个阶段段。(2)青海云杉林内土壤的冻结起始时间与草地土壤基本相同,但冻结速率比草地快,最大冻结深度比草地大;青海云杉林土壤冻结层融化阶段的起始时间亦与草地基本相同,融化速率相近,但青海云杉林下冻土融化持续的时间更长。(3)积温决定土壤冻结融化进程,当冻结小时积温达到约-460℃·h,土壤开始冻结;当小时积温达到约62℃·h,土壤冻结层的上界面开始融化。[结论]土壤冻结层深度与小时积温的相关系数达到0.9以上,可用于预测预报冻土的冻结状态。

黄河源区季节冻土最大冻结深度估算方法

鉴于黄河源区实测季节冻土最大冻结深度资料极其匮乏,基于1996～2008年黄河源区及其周边气象站点季节冻土数据,分析了季节冻土最大冻结深度与负积温的关系及时空变化规律,建立了最大冻结深度估算公式,对气温空间插值并由最大负积温和高程估算季节冻土最大冻结深度。结果表明,在季节冻土的迅速发展期,冻结下界深度与负积温呈线性相关;最大冻结深度和最大负积温相关性显著;最大负积温可反映季节冻土随时间的变化趋势;黄河源区仅阿尼玛卿山及其周边存在山地多年冻土,季节冻土最大冻结深度由西北向东南方向递减;气温较高年份中东部地区最大冻结深度明显变小,最大冻结深度小的地区对气候变暖更加敏感;1996～2007年间,最大冻结深度随时间推移呈减小趋势。