季节性冻结-冻融期地中蒸渗计资料处理探讨

本文针对地中蒸渗计在冻结-冻融期存在的问题,利用实验站冻土及土壤水分势能资料,探索了冻土层的发育及其水分运移规律,通过对亚砂土不同埋深及不同年度的地中蒸渗计资料处理,得出冻结期和冻融期地中蒸渗计资料的处理方法及其埋深临界值。这对准确利用冻结-冻融期地中蒸渗计资料具有重要的指导意义。     

冻结-冻融过程中水分运移机理

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征

利用位于典型多年冻土区的唐古拉综合观测场2007年9月1日—2008年9月1日实测活动层剖面土壤温度和水分数据,对多年冻土区活动层的冻结融化规律进行研究;同时,对冻融过程中的活动层土壤液态水含量的变化特征进行分析,探讨了活动层内部土壤水分分布特征及其运移特点对活动层冻结融化过程的影响. 结果表明：活动层融化过程从表层开始向下层土壤发展,冻结过程则会出现双向冻结现象. 一个完整的年冻融循环中活动层冻结过程耗时要远远小于融化过程. 活动层土壤经过一个冻融循环,土壤水分整体呈现下移的趋势,土壤水分逐步运移至多年冻土上限附近积累. 同时,土壤水分含量和运移特征会对活动层冻融过程产生显著的影响.     

冻融期土壤水盐变化特征分析——以黑河上游祁连县阿柔草场为例

冻融作用是土地盐碱化的形成机制之一,对冻融区春季积盐有明显的控制作用.在冻融过程中,土壤剖面结构发生变异,形成冻结层、似冻结层和非冻结层.以祁连山黑河上游阿柔草场为例,研究了解冻期土壤水盐运移变化特征.阿柔草场隶属青海祁连山地区,地处西北高寒地区,为季节性冻土区,大面积土壤经历冬冻春融的冻融循环.这种循环引起了土壤中水分和盐分运移的特殊规律,即冻结时土壤中的水分和盐分向冻层迁移,使得冻层的土壤含盐量明显增加;而融化时,由于地表蒸发,土壤中的水分和盐分又向地表强烈迁移,从而造成盐分在地表积聚,诱发盐分两次抬升.     

科尔沁草甸地冻融期土壤水热盐动态迁移规律

为掌握科尔沁草甸地冻融期土壤水、热、盐迁移规律,以科尔沁左翼后旗阿古拉生态水文试验站2013年10月—2014年5月土壤冻融期实测气象、土壤等数据为基础,用统计分析法对研究区草甸地冻融期土壤温度、水分、盐分的变化规律进行了分析。结果表明:气温对土壤剖面温度的影响随着土壤深度的增加而降低,土壤剖面温度变化滞后于气温变化的时间取决于气温升降幅度,且没有显著的规律;由于气温回升速度大于降温速度,导致土壤消融速度比冻结速度快;土壤冻结过程由表层向下进行,冻结温度与土壤含盐量呈负相关关系,用温度的线性内插法准确确定草甸地于2014年3月9日达到最大冻深104 cm;土壤消融时受地下暖土层热流和地表温度双重影响,由底部向地表和由地表向冻结层进行双向消融;地下水位埋深较浅,受土壤冻融作用影响,升降趋势显著;草甸地土壤冻结期盐分向地表积聚,并于2月达到最大,后经消融及雨水淋润作用开始下降;冻融期盐分变异性大于水分变异性,说明盐分的运移过程更为复杂。     

毛乌素沙地冻融期气态水迁移机理及影响因素

受冰-水间相变影响, 冻融期内土壤水、热传输过程变得复杂, 研究气态水分布特征与运移规律, 可为厘清冻融过程中沙地包气带水文循环机理提供关键信息。通过在毛乌素沙地建立原位监测点, 并利用修改后的Hydrus-1D冻融程序建立包气带水-汽-冰-热耦合数值模型, 对冻融期包气带气态水迁移过程展开研究。结果表明: 模拟与实测土壤水分及温度变化拟合较好, 证实所建立的模型具有良好的精度以及适用性; 对比典型未冻结、初始冻结、向下冻结以及融化时段结果可知, 冻融过程会改变剖面土壤水分、含冰量以及水汽密度分布, 其中水汽密度变化与温度联系紧密; 冻结后, 由温度梯度驱动的非等温气态水通量在总水分通量中的占比超过90%, 表明气态水占据主导地位, 其运移过程对于剖面土壤水分分布以及高含水量带出现有重要影响。     

硬壳覆盖条件下土壤冻融期水盐运动规律研究

采用大田试验,研究了水泥硬壳覆盖后冻融期土壤温度、水分、盐分的变化规律,采用室内土柱试验,研究了冻融交替时期土壤中的水盐运动规律,试验表明,土壤水泥硬壳覆盖后土壤的冻结时间减少,冻结深度变浅;明显抑制土壤水分的无效蒸发;明显抑制土壤在融冻时期的土壤返盐,同时由于“冻层滞水”在春季的融化,有淋洗表层土壤盐分的作用,使土壤表层脱盐,土柱脱融试验进一步说明,土壤经冻融过程后,土壤中的水盐发生了重新分布。     

地下水浅埋条件下越冬期土壤水热迁移的数值模拟

应用土壤冻融过程中水热耦合迁移模型,对内蒙古河套灌区地下水浅埋条件下整个土壤冻融过程进行了模拟,分析了越冬期土壤水热迁移规律．结果表明,快速冻结阶段土壤冻结速度随深度线性减小．冻结过程中某一深度处的含水量增量与冻结速度呈双曲线型相关关系．提出了土壤冻融过程中的特征含水量概念,以描述土壤含水量的动态变化特征．     

青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征

青藏高原被誉为“中华水塔”, 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）, 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致, 但滞后于日平均气温的变化, 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同, 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征, 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时, 季节冻土消融速率大于冻结速率, 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中, 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移, 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中, 各土层土壤含水量逐渐增加, 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系, 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。     

冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析

为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响, 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象, 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明： 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响, 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期, 冻结层含水率几乎都呈增加趋势, 其中浅层土壤增幅最大; 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大, 反之则小。融化期, 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm, 水分损失以蒸发为主, 冻结层对土壤蒸发有抑制作用; 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异, 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度试验研究

提出了用于非饱和原状黄土增湿的蒸汽增湿方法,给出了蒸汽增湿试验步骤,通过对比试验分析确定了适宜的试验参数,从增湿后水分分布是否均匀、土体密度是否改变等方面论证了蒸汽增湿方法的有效性。对含水率的测试结果表明,微波炉法测试结果能满足精度要求,酒精燃烧法在测试较高含水率时误差较大。进一步应用蒸汽增湿法得到的不同含水率原状土样测定了非饱和黄土冻融后的强度指标,揭示出当非饱和原状黄土含水率过低时,冻融作用对黄土的粘聚力值基本没有影响,当含水率较高时,经历冻融循环后黄土粘聚力值较冻融前降低,冻结温度越低以及冻融循环次数越多,降低值越大。经历冻融循环后黄土内摩擦角值较冻融前增加,冻结温度越低,增加值越大。在含水率较低时冻融循环次数几乎不引起内摩擦角值发生变化,在含水率较高时冻融循环次数越多,引起内摩擦角增加值越大。     

辽西地区风积土冻融特征的试验研究

针对辽西地区的风积土进行了单向冻结试验,研究了土样在冻结过程中的温度变化规律和温度梯度对冻胀的影响;分别针对封闭系统和开敞系统进行了有外加荷载和无外加荷载作用下的冻融试验,对在一定温度条件下荷载和水分对风积土冻融性质的影响进行了试验研究,获得了温度、外荷载和水分对冻融影响及其冻融演变规律。研究结果表明,温度和温度梯度是影响土体冻胀的主要因素,而外荷载主要对融沉的演化过程和最终冻胀量产生影响,水分的迁移则主要对冻胀的演化过程产生影响。     

多年冻土区活动层土壤水分对不同高寒生态系统的响应

土地覆被变化对土壤水分的影响是生态水文学和流域水文学研究的关键问题,基于长江源典型多年冻土区不同高寒草地土壤水分的观测,结合降水、生物量（包括地上和地下）和土壤理化性质,研究了活动层土壤水分变化对不同高寒生态系统的响应. 结果表明：高寒草甸生物量、土壤养分含量均比高寒草原高,且对降水响应更为强烈,致使高寒草甸土壤水分变异性弱于高寒草原. 在土壤完全融化阶段,高寒草甸土壤活动层存在一个低含水层（50 cm左右）和两个相对高含水层（20 cm和120 cm）,但高寒草原土壤水分在活动层剖面上有随深度逐渐增大的一致性趋势;在秋季冻结过程中,高寒草甸土冻结起始日滞后于高寒草原土3~15 d;在春季融化阶段,高寒草原土更高的含冰量需要更多的融化潜热. 此外,表层土壤中（0~20 cm）,高寒草甸土比高寒草原土有更大的持水特性,而在活动层中下部则呈现完全相反的结果,不同高寒生态系统的演替改变了土壤的水热迁移过程.     

大兴安岭湿地多年冻土区活动层水热特征分析

大兴安岭北部是我国唯一的中高纬度多年冻土区,其水热特征分析对陆气能量交换、生态系统和气候变化等研究有重要意义。基于2011—2020年期间对大兴安岭森林生态站附近的湿地多年冻土开展的气温和0~2 m地温和土壤含水量数据,对大兴安岭湿地多年冻土活动层的水热特征进行了分析。结果表明：湿地多年冻土活动层内地温的变幅随深度减小,且具有滞后性。融化期地表温度高于深层地温,冻结期相反。2012年、2013年、2019年和2020年的平均融化速率分别为0.49、0.61、0.47和0.56 cm·d^-1,向上平均冻结速率分别为1.34、2.12、2.58和1.65 cm·d^-1。向下平均冻结速率分别为1.69、1.02、3.32和1.00 cm·d^-1,最大融化深度分别为78.73、85.65、66.22和74.94 cm。2012年5月—2013年5月期间,土壤未冻水含量随地温变化的拟合关系较好,相关系数大于0.90,且深层拟合效果优于表层。融化期土壤水分变化幅度大,与地温的相关性差,随深度增加相关性减弱。湿地充足的水分为多年冻土的双向冻结提供了条件。研究成果可为大兴安岭湿地多年冻土区的冻融循环、水热耦合机理和模拟研究提供数据基础和理论依据。     

季节冻土区风积沙土路基冻结过程中水热迁移数值分析

基于Harlan模型和Darcy定律,并考虑温度梯度对水分迁移影响、温度和含水量对水热参数影响以及各种环境气候因素的影响,建立了完全依赖气象资料和水热参数的风积沙土路基冻结过程中水热耦合迁移数学模型,采用全隐式有限差分格式和TDMA迭代法对内蒙古锡林浩特地区沙漠公路207国道K135+000处冻结期间路基水热迁移规律进行了数值模拟.结果表明:该地区道路冻结深度随时间近似线性变化,冻结速度达到2~3 cm·d^-1,最大冻深为3 m左右,冻融时间约为180 d;水分迁移主要发生在冻结锋面附近,从未冻区向冻结区迁移,且随着冻结锋面前移,迁移量逐渐增大;整个冻融期间最大冻深底部层位含水量变化较大,路面下0~50 cm范围内温度变化比较剧烈.