滩地不同植被类型小气候日动态特征研究

采用定位观测的方法,以河滩地为对照,对湖北黄州李家洲林场内4种典型抑螺防病林的气温、土温、空气湿度、光照强度的日变化动态以及表层(0～5 cm土层)土壤含水量特征进行了监测.结果表明:由河滩地到农林群落的建立,与对照比较,林分内气温、土壤温度和光照强度均明显降低,日变幅变小.其中,日均气温降低2.75℃,日较差值降低3.20℃;除已收割农作物的林分,地表土壤温度降幅大于深层土壤,两个层次日均土壤温度降低1.01℃;林分内空气相对湿度明显升高,变幅减小,日均值升高12.74℃;林龄越大,林农间种格局的林分内表层土壤含水量越低.随着农林复合生态系统的建立,林内小气候环境朝着更为阴、凉、湿的方向变化,且波动性减弱,稳定性增强.     

秸秆覆盖厚度对冻融期土壤温度的影响

基于冻融期玉米秸秆覆盖厚度为5,10,15,20,30cm及无覆盖6种不同地表处理条件下农田土壤温度的测定,分析了冻融期秸秆覆盖对土壤温度的影响及秸秆覆盖厚度与土壤温度变化之间的关系。结果表明,冻融期秸秆覆盖改变了土壤温度分布与变化特征。随着秸秆覆盖厚度从5cm增加到30cm,各土层土壤温度在冻融期的变幅以及由气温突然变化引起的土壤温度波动幅度减小,土壤剖面最低温度值升高,土壤温度响应气温变化的滞后效应增强,土壤温度变化速率线性降低。秸秆覆盖厚度对土壤温度的影响作用随着土壤深度的增加逐渐减弱,地表下60cm处,5种秸秆覆盖处理的土壤温度分布没有明显差异。研究成果可为季节性冻土分布区农田实施秸秆覆盖措施提供参考依据。     

气温升高对青藏高原沼泽草甸浅层土壤水热变化的影响

采用被动升温方式,利用OTCs系统对青藏高原沼泽草甸生态系统分别进行3～5℃(OTC-80)和1～2℃(OTC-40)升温处理,研究下垫面浅层土壤水热变化特征并对其产生的生态环境效应进行探讨。结果表明:与对照点(Out-C)相比,在近地表气温平均分别增高4.87℃,1.40℃的情境下,浅层土壤持续冻结期显著缩短而融化期显著延长;近地表气温升高导致浅层土壤温度上升,积温增大,加速了表层土壤蒸发速度和植被蒸腾速率,浅层土壤因缺水而影响植被生长;浅层土壤温度升高将进一步加速寒区有机质的分解速率,降低土壤碳库稳定性,促使青藏高原气候进一步向暖干化发展;近地表气温升高还将导致物种减少甚至消失,严重威胁着区域经济发展和生态安全。     

冻融期气温与土壤冻融过程的关系研究

为了揭示气温变化对土壤冻结与融化速率的影响及土壤冻融特征与气温之间的关系,进行了8个连续的冻融期气温和土壤冻融过程监测。结果表明:当气温急速持续下降至0℃以下且日平均气温为负值时,表层土壤无昼融夜冻特征,直接进入冻层稳定发展阶段。冻结期土壤最大冻结深度、土壤平均冻结速率均与稳定的日平均负气温具有密切的线性相关。消融期土壤双向融化,平均消融速率较冻结期冻结速率高35%~132%,土壤平均消融速率与消融期日内最高气温具有线性关系。研究结果对于季节性冻土地区农业生产和工程建设具有一定的指导意义。     

地表覆盖条件下冻融土壤水热动态变化规律研究

基于季节性冻融期地表覆盖条件下田间土壤温度、水分的剖面监测资料,分析了土壤的温度变化及其冻融过程,进而研究了冻融期裸地(LD)、地膜覆盖(MD)、秸秆与地膜双重覆盖(JMD)地块的土壤水分动态变化规律.结果表明:三种处理地块的土壤均经历初冻、快速冻结、稳定冻结、融化四个冻融阶段;在冻融过程中,三种地块均出现土壤水分的迁移现象,且含水率高值区及低值区出现的时间、深度以及持续的时间随地表覆盖条件的不同而异;深层土壤受气象条件及地表覆盖条件影响较小,含水率保持相对稳定.     

鸡公山自然保护区落叶阔叶林土壤呼吸研究

利用ACE自动土壤呼吸监测系统测定并分析鸡公山落叶阔叶林土壤呼吸的日变化特征,对影响土壤呼吸的土壤温度、大气CO2含量、大气温度、大气湿度等因子进行相关分析.结果表明:鸡公山落叶阔叶林土壤呼吸日变化呈单峰曲线,变幅最大的月份为8月;土壤呼吸与5 cm深处土壤温度呈幂函数关系,y=1.122exp(0.037x)(R2=0.395);土壤呼吸与5 cm深处土壤温度,30 m高处大气CO2含量、大气温度、大气湿度关系显著.     

西藏色季拉山急尖长苞冷杉林线小气候特征简

利用自动气象观测站持续对西藏林芝色季拉山东坡急尖长苞冷杉Abies georgei var.Smithii林郁闭上限(海拔4 320m)数据进行观测,分析林线气候特征如下:1林线空气温度年变化呈现单峰型曲线,年均气温为0.56℃,年温差可达17.6℃;林线年降水总量为1 480.2mm,集中于春夏季节,具有明显的干湿季节变化;林线空气湿度较高,高于河谷地带,年变幅仅有25%,空气湿度年变化较小.2太阳总辐射、光合有效辐射和紫外辐射量年变化均呈单峰曲线,辐射量以12月最低,8月最高.3林线盛行南风和东南风,年平均风速为1.77m/s;以冬春季节风速大.4林线土壤含水量有明显的垂直变化,土壤含水量从10cm土层到100cm土层变化范围为5.25%~19.02%;林线地表土壤温度变化剧烈,年温差可达22.41℃,地表以下土壤温度变化较为平缓,土壤温差随着深度逐渐递减.     

西藏色季拉山急尖长苞冷杉林线小气候特征

利用自动气象观测站持续对西藏林芝色季拉山东坡急尖长苞冷杉Abies georgei var.Smithii林郁闭上限(海拔4 320m)数据进行观测,分析林线气候特征如下:1林线空气温度年变化呈现单峰型曲线,年均气温为0.56℃,年温差可达17.6℃;林线年降水总量为1 480.2mm,集中于春夏季节,具有明显的干湿季节变化;林线空气湿度较高,高于河谷地带,年变幅仅有25%,空气湿度年变化较小.2太阳总辐射、光合有效辐射和紫外辐射量年变化均呈单峰曲线,辐射量以12月最低,8月最高.3林线盛行南风和东南风,年平均风速为1.77m/s;以冬春季节风速大.4林线土壤含水量有明显的垂直变化,土壤含水量从10cm土层到100cm土层变化范围为5.25%~19.02%;林线地表土壤温度变化剧烈,年温差可达22.41℃,地表以下土壤温度变化较为平缓,土壤温差随着深度逐渐递减.     

弧形底梯形渠道混凝土衬砌板下温度与气温间的关系研究

基于弧形底梯形渠道混凝土板衬砌冻胀观测试验,分析讨论了气温对衬砌板下温度的影响及其两者间数量关系。研究结果表明:初冻期板下20 cm地温稳定通过0℃,冻结期及融化期内板下20 cm处地温始终小于日平均气温;冻结期内负积温是影响板下温度的最关键因素;大气与土壤间的热量交换值在初冻期、冻结期、融化期依次增大;负积温与板下地温及冻深间均很好地符合二次多项式相关关系。     

非饱和黏土冻结过程中水热变化特性模型试验研究

为研究正冻土水热变化特性,对非饱和黏土进行单向冻结模型实验。结果表明:土在冻结温度附近降温速率最小、持续时间较长;靠近上表面土层降温快,较其下层土提前进入冻结;且冻结历时短;靠近顶面的测点温度曲线重合度不如其下层,可能是受外界次要因素干扰,深层土壤受此影响较小;正冻土温度分布曲线沿深度大致分为两段,冻结区线段斜率大于未冻结区,随冻结时间增长,非冻结区线段斜率先增大后减小,最终两段折线趋近为一段斜直线,此时温度沿模型高度呈直线形分布;未冻水含量变化拐点大致在冻结锋面处,距冻结锋面越近,吸力越大,水分迁移量越大,随冻结时间的增长,非冻结区水分迁移速度变大;未冻区土水势梯度最小,正冻区及冻结区土水势梯度大小关系并不明确;未冻水含量变化与温度变化一致,未冻水含量变化分为三个阶段:缓慢下降阶段、快速下降阶段、指数下降阶段。     

土冻结过程中水热变化特性的模型试验研究

为研究正冻土水热变化特征及它们之间联系,对非饱和黏土进行单向冻结模型实验,结果表明：土在冻结温度附近降温速率最小,持续时间较长;靠近表面土降温快,较其下部土提前进入冻结,且冻结历时短;靠近顶面的测点温度曲线重合度不如其下层,可能因为受外界次要因素干扰时深层土壤受影响小;正冻土温度分布大致分为两段,冻结区线段斜率大于未冻区,随冻结时间增加,非冻结险段线段斜率会先增大后减小,最终两段线变为一段线,此时温度沿土柱高度线形分布;未冻水含量变化拐点大致在冻结锋面处,距冻结锋面越近,吸力越大,水分迁移量越大,随冻结时间的增加,非冻结区水分迁移速度变大;未冻区土水势梯度最小,正冻区及冻结区土水势梯度大小关系并不明确;未冻水含量变化与温度变化一致,未冻水含量变化分为三个阶段：缓慢下降阶段、快速下降阶段、指数下降阶段。     

室内土体单向冻结水分迁移的试验研究

以江苏镇江、扬州等地区具有代表性的表层黏土为研究对象,对土体进行了单向冻结实验,研究了不同饱和度、不同温度梯度、不同冻结速率及不同补水条件下土体中水分迁移的现象.实验结果表明:在有外界水源补给的条件下,土体冻结时间越长,非饱和土中水分迁移现象范围越大,对于饱和土每层含水率基本波动范围不大;温度梯度越大,土体完全冻结且水分迁移达到稳定状态所需时间越短,水分迁移的范围越广;在无水源补给的条件下,冻结速率越大,土试样中水分迁移分布曲线变得越平缓;相对于无外界水源补给条件下,有外界水源补给的试样最终完全冻结时水通量更大,土样中水分迁移分布的范围更明显.     

融雪-降雨型滑坡失稳机理

冻区融雪降雨导致的滑坡对公路交通基础设施的建养造成了巨大威胁,本研究以新疆伊犁地区某公路工程为依托,为此进行现场勘察,建立了新疆某公路6#滑坡监测站,通过建立监测站,对该边坡的位移、水分、温度等信息开展监测,利用该监测站2019年11月至2020年8月整个冻结融化期的监测数据,同时基于geostudio软件的非饱和土分析,将数值模拟土壤含水率变化与现场监测数据进行拟合,建立了有效的数值方法,并对融雪期该边坡在季节性冻土冻融影响下边坡的稳定性进行了分析,研究了融雪期表层边坡土的含水率变化与边坡稳定性的关系,并根据建立模型分析了该滑坡的初始滑动。结果表明：融雪水对土壤含水率的变化起主导作用—融雪水及冻结滞水沿着裂缝优势入渗,在融雪期初期增大土体含水率,增大土体自重;在融雪期维持土体较高含水率,随着连续降雨发生,湿润锋下移,土体孔压增大,形成暂态饱和区,边坡失稳。融雪期长时降雨是该滑坡发生的重要原因。将数值模拟土壤含水率变化与现场监测数据进行拟合,在此基础上进行边坡稳定性分析的方法具有较高可信度,可为该地区之后滑坡预警提供参考。     

水泥预加固-人工冻结联合工法加固地层冻胀特性

为研究采用联合工法施工,能够有效控制土体冻胀位移的施工参数,本文以广州地铁十四号线某联络通道冻结工程为背景,通过有限元软件建立联络通道冻胀位移场三维数值模型,研究了盐水温度和水泥掺量对土体冻胀位移的影响,并计算不同冻结壁厚度下地表冻胀位移量以及联络通道开挖土体的塑性区域,在满足施工安全的前提下,进一步对冻结壁设计参数进行优化,以减小土体冻胀位移。结果表明：采用水泥预加固-人工冻结联合工法施工,当水泥掺量设定为12%,盐水温度控制在-25℃~-31 ℃时,积极冻结末期,地表冻胀位移能够满足工程监测要求;水泥掺量设定为12%,冻结壁厚度设定在1.8m,盐水温度控制在-31 ℃。可见相对于原施工方案,采用联合工法施工,积极冻结末期地表冻胀量减小了73%。     

温度对季冻区粉质黏土强度及变形特性的影响

为研究温度变化对天然状态及饱和状态下粉质黏土强度以及变形的影响,以典型季冻区广泛分布的粉质黏土为研究对象,通过GDS非饱和土三轴测试系统对天然状态下非饱和土以及GDS温控式静/动三轴测试系统对饱和粉质黏土,在不同温度条件下进行三轴试验。对试验结果进行研究分析可得：非饱和以及饱和粉质黏土的应力-应变曲线均呈现出应变硬化的特性。非饱和粉质黏土的黏聚力随温度降低表现出不断增加的趋势,而内摩擦角随温度降低逐渐减小,但整体变化趋势较小。饱和土的黏聚力与非饱和土变化趋势相同,随温度的降低其黏聚力逐渐增加,但相同温度时其黏聚力小于非饱和土,其内摩擦角则呈先减小后增加的转变趋势。无竖向压力作用时,相同围压条件下,非饱和与饱和粉质黏土轴向变形量随温度降低而增加,相同温度条件下,两者的轴向变形量随围压的增加会有所减小。试验成果可为季冻区粉质黏土地层工程的设计施工提供理论依据。     

寒区公路路堑边坡开挖水热耦合模拟

为研究绥大高速公路路堑边坡开挖前后的水热分布特征,利用海伦站气象数据,结合工程现场实际边坡状况,构建考虑各项气候条件的饱和/非饱和瞬态水热耦合数值计算模型,分析边坡开挖前后水分场、温度场的分布特征、冻结深度及不同工况下的差异性影响因素。结果表明：边坡开挖导致水分场大幅改变,3月中旬体积含水量大幅下降,中下旬下降幅度最大为74.61%,占整个非冻结期91.59%;随着埋深的增加,温度波动变化滞后性明显,波动范围呈指数衰减。未开挖土体冻结深度可达1.95 m,开挖边坡最大冻结深度为0.76 m,冻结消融期为31天。不同工况下水分场分布状态不同,体积含水量高低受土体渗透性影响较大。高体积含水量会抑制冻结锋面的推进速度,延迟土体温度变化趋势,不同工况下温度变化差异性受体积含水量影响显著。     

松嫩平原北部季节冻土冻融过程及热量传递规律

为深入了解松嫩平原北部季节冻土冻融过程及热量传递规律,同时为东北寒区工程及寒区农业的土体环境的高效利用提供科学依据。基于松嫩平原北部季节冻土原位监测,开展季节冻土温度变化特性及分层热通量变化规律研究。结果表明：深度小于50 cm土体温度日变化明显,土体温度季节差异随着土体深度增大而减小。2017年3月3日达到最大冻深(164 cm),4月22日为最终融化日期,最终融化深度为130 cm。不同深度土体温度对地表温度响应呈滞后效应,随着土体深度的增加,滞后时间延长;季节冻土在冻融期内浅层土体受到净辐射的影响,热量交换极其频繁;随着土层深度的增加,净辐射的作用减小,热量在土体中传递的损耗增加,热量交换程度减弱,在冻结期,土体损失的热量大于吸收的热量。在整个冻融期内保持负值,冻深线以下土体中的热量持续向上传输,表明160 cm深度以下土体持续对冻土层传递热量。     

重塑黏土单向冻结过程中水分迁移试验研究

利用室内水分迁移试验装置,通过改变土体初始含水率和温度梯度,进行土样单向冻结试验,研究含水率和温度梯度对土体中水分迁移和土样冻结过程的影响。结果表明:土样冻胀后在上部冻结区产生了不规则网状裂缝,裂缝最密集区域含有大量冰晶体,导致此处出现含水率峰值,峰值大小主要受初始含水率影响,但其出现位置主要由温度梯度决定; 上部冻结区增加的含水量来源于外界水分补充和未冻结区的水分迁移,下部未冻区的含水率较初始状态降低,其降低程度主要受初始含水率控制; 在整个冻结过程中,外界水分一直向土样内部迁移,水分迁移速度先增大再降低,温度梯度增大导致入流量和入流通量相应增加,初始含水率越大则入流量越小; 土样冻胀速率和冻结速率主要受温度梯度影响,整体趋势都是先增大到峰值,再逐渐降低并趋于稳定。     

青藏铁路冻土路基活动层形成特性研究

在环境温度季节性变化的条件下进行室内模拟试验,探索了模拟冻土路基活动层形成的试验方法,研究了青藏高原多年冻土区路基活动层的形成活动规律。试验表明：活动层从初始形成到基本稳定过程中,近地表土层对外界温度场的变化响应灵敏,随外界温度的改变出现规律的波动;深层土层对外界温度的变化表现出滞后性,温度曲线波动幅度较小;活动层在趋于稳定的过程中土层的温度特征呈现出较为明显的区域相似性,在一定外温影响范围内土层温度场变化规律接近;在环境负温的初期表层土层迅速降温,活动层厚度开始逐渐减小,受外界气温及深层冻土冷源作用的共同影响,活动层冻结过程中会出现从上下边界同时冻结的现象,加快了活动层的冻结速度。     

季节性冰冻地区公路路基冻胀融沉过程规律研究

为准确掌握路基结构温度场的分布特点和冻胀融沉过程的变化规律,以季节性冰冻地区典型道路结构路基温度场和变形量的跟踪观测数据为基础,开展了季节性冰冻地区路基温度场分布与冻胀融沉变形量,以及冻结深度三者的规律研究。研究显示:路基温度场分布特性以年为周期呈余弦规律变化,不同深度路基温度变化存在滞后性;根据路基冻结深度变化规律,可将冻结过程划分为四个阶段。在此基础上,基于观测数据,冻胀量和冻结深度分别与地表负积温呈显著正相关,可通过监测冻结深度的变化得到冻胀变形量,降低监测成本及实测难度。