哈爾濱地區(qū)凍層土壤水熱參數(shù)監(jiān)測試驗(yàn)研究.pdf

1、位于我國東北寒區(qū)的哈爾濱市，屬季節(jié)性凍土區(qū)，氣象因素的周期性變化，導(dǎo)致土水體系的季節(jié)性凍融。冬季土壤的凍結(jié)伴隨土體中部分組成的相變，使得三相組成比例發(fā)生變化，由此造成凍結(jié)土壤在水分、溫度等方面的遷移和變化比非凍土壤更為復(fù)雜，所以對凍層土壤水/熱物理特征參數(shù)監(jiān)測尤為重要。凍層土壤水分和溫度的準(zhǔn)確測定對凍土區(qū)地下水及溶質(zhì)的遷移及其對寒區(qū)融雪入滲過程與實(shí)踐都具有理論和實(shí)踐意義。
　　 本試驗(yàn)主要完成對哈爾濱地區(qū)凍層土壤水分特征、含冰特

2、征和溫度特征的監(jiān)測研究。研究首先對哈爾濱地區(qū)的氣候氣象、地形地貌以及土壤特征等自然地理特征進(jìn)行分析與整理。為了更好的完成針對哈爾濱地區(qū)的土壤水/熱物理參數(shù)監(jiān)測研究，特別對哈爾濱地區(qū)的凍層土壤特征及現(xiàn)有相關(guān)研究方法和監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行綜合分析。在此基礎(chǔ)上對土壤的物理性質(zhì)、土壤水理性質(zhì)及與水熱儲容及運(yùn)移有關(guān)的性質(zhì)進(jìn)行梳理，結(jié)合分析寒區(qū)凍層土壤特征，選定對凍層土壤的水熱遷移較重要的典型水熱參數(shù)，在本次試驗(yàn)過程中進(jìn)行監(jiān)測和分析，主要包括土壤性質(zhì)參數(shù)—

3、—土壤顆粒級配、土壤密度;土壤水分參數(shù)——含水率;土壤含冰特征——凍結(jié)土體體積含冰率;土壤熱能參數(shù)——溫度。
　　 提出了完成凍結(jié)土體的含冰量測定和低溫條件下凍層土壤水/熱參數(shù)耦合監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容主要有三點(diǎn)，第一進(jìn)行了低冰點(diǎn)惰性液體的低溫測定試驗(yàn)，選定乙二醚水基液作為試驗(yàn)液體。對凍結(jié)土體含冰量的測定及與儲容和運(yùn)移有關(guān)的水理性質(zhì)測定均需要選擇特殊的低冰點(diǎn)惰性液體進(jìn)行試驗(yàn)。通過對濃度為3％和4.7％（飽和）的Na2S

4、O4溶液、和濃度為10％NaCl、20％和26.3％（飽和）的NaCl溶液，濃度10％、20％、30％、40％、43％（飽和）的有機(jī)乳糖溶液以及低溫玻璃液、煤油、乙二醚水基液13種液體進(jìn)行低溫試驗(yàn)，選擇可用于低溫環(huán)境中冰體體積測定的乙二醚防凍液作為試驗(yàn)液體，對制備的非飽和凍結(jié)土樣進(jìn)行土樣含冰率測定試驗(yàn)。第二提出了凍層土壤區(qū)別于非凍土壤的主要水分特征參數(shù)監(jiān)測思路與方法，即體積含冰率的測定。試驗(yàn)選用粒徑分別為0.5-1mm、0.25-0.5

5、mm和≤0.25mm的三種不同砂土試樣，進(jìn)行初始含水率為5％、10％、15％、20％的12組正交試驗(yàn)，測定凍結(jié)后土體的體積含冰率。利用SPSS(StatisticalProductandServiceSolutions)軟件得到粗砂(粒徑0.5-1mm)試樣初始含水率與凍結(jié)后體積含冰率近線性相關(guān)y=0.533x+9.745，中砂（粒徑0.25-0.5mm）試樣初始含水率與凍結(jié)后體積含冰率近似二次曲線回歸曲線y=0.998x2-0.028

6、x+3.643。并模擬室外凍層環(huán)境，監(jiān)測不同粒徑飽和試樣凍結(jié)過程中內(nèi)部溫度變化。體積含冰率的測定為進(jìn)一步研究凍層土壤水理性質(zhì)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。第三為了方便快捷的測定典型埋深的土壤溫度，通過組合溫度傳感器、語音播報模塊、顯示模塊和取土鉆設(shè)計并制作語音式低溫地溫計，在測定土壤含水率的同時完成不同埋深低溫測定。
　　 最后，在室內(nèi)試驗(yàn)完成對凍結(jié)土體含冰特征測定方法的研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過野外試驗(yàn)監(jiān)測哈爾濱地區(qū)的凍層土壤水分和溫

7、度變化，利用經(jīng)典烘干法測定試驗(yàn)場地1m內(nèi)埋深的土體含水率，共在兩試驗(yàn)場測定得到不同埋深土壤含水率數(shù)據(jù)276條。利用設(shè)計制作的語音式低溫地溫計用于野外土壤溫度監(jiān)測，共測定土壤溫度數(shù)據(jù)276條。利用SPSS軟件對測定的土壤水熱參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性和回歸分析，地表土壤含水率受到日照、風(fēng)等影響明顯，0-60cm土層受到外界因素影響，土壤含水率與土壤溫度相互之間并沒有顯著的相關(guān)性，直至土壤埋深80cm以下土壤水熱參數(shù)才表現(xiàn)出線性關(guān)系。呼蘭試驗(yàn)場和水科院

8、綜合試驗(yàn)基地土壤埋深80cm以下土壤水/熱參數(shù)表現(xiàn)出線性性，且80cm埋深處土壤水熱參數(shù)呈現(xiàn)最強(qiáng)的相關(guān)性。呼蘭試驗(yàn)場凍埋深80cm土壤含水量變化與溫度變化基本呈線性相關(guān)，Yh80=-0.002Xh80+0.244。埋深100cm土壤水熱參數(shù)相關(guān)曲線Yh100=-0.002Xh100+0.238。利用SPSS軟件對水科院綜合試驗(yàn)基地埋深80cm和100cm的土壤水熱參數(shù)進(jìn)行耦合分析，Ys80=-0.002Xs80+0.234和Ys100=