寒区不同材质垂直埋管土壤冻结深度测量差异性分析.pdfVIP

水 利 学 报 2017年1月 SHUILIXUEBA0 第48卷第1期 文章编号：0559—9350(2017)01—0086—10 寒区不同材质垂直埋管土壤冻结深度测量差异性分析 汪恩良，张安琪，包天鹅，刘兴超 (东北农业大学水利与建筑学院，黑龙江哈尔滨 150030) 摘要：寒区土壤冻结深度的观测以往多采用丹尼林冻土器进行人工测量，由于受到天气、地形、低温和人为等因 素的影响，往往难以开展。现多采用垂直埋管的方式对地温温度场进行测量，间接确定土壤冻结深度。本文以4 种常用管材(铁管、PVC管、PMMA管、PPR管)为研究对象，分析了不同材质的垂直埋管对地温和冻结深度变化 测量的差异性，得到如下结果：(1)冻融周期内，铁管、PVC管、PMMA管、PPR管测得的地温温度场有阶段性 差异，土壤冻结前期和融化期差异较小，冻结稳定时期差异明显扩大，40～120cm土层出现持续稳定差异，直 接导致各管计算冻融深度的差异。(2)计算各管冻融深度过程中，冻结期采用线性内插冻融层面间起始冻结温度 获得冻结锋面变化，融化期通过内插和线性外延土层温度场确定上下融化锋面变化，相比于传统内插温度场计算 得到冻融深度变化的方法，能够更为真实地反映了土壤的冻结状况。(3)利用上述方法对4种不同材质管材的温 度场测量结果进行插值分析，并将各管计算冻结融化深度与实际状况进行比较，得出保温材料插值计算冻深值偏 小，冻融周期减少8～13d，利用铁管温度场计算冻深值平均偏大约7．5em，但较保温材料能够更为精确反映土 壤的冻结融化过程。(4)利用Stephen经验公式计算了试验场区冻融状况，绘制了计算冻融过程线，整个冻融过程 结果与校正后人工观测结果基本吻合。 关键词：寒区；冻深测量；温度；插值法；差异性分析 中图分类号：TU413 文献标识码：A doi：10．13243／j．enki．slxb 1研究背景 冻土(frozen ground)是指具有负温或零温并含有冰的土类和岩石，通常按处于冻结状态的持续时 间划分为短期冻土、季节冻土和多年冻土。季节性冻土是指地壳表层冬季冻结、夏季全部融化的岩 土层n]。在我国，季节性冻土广泛分布于华北，东北，西北等地区，约占国土面积的54％[2]。气象观 测中主要采用Denillin冻土器对土壤冻结深度进行观测，但是测量结果会产生一定的误差，尤其是在 季节性冻土的融化阶段误差更为明显。同时，Denillin冻土器依靠人工测量获取数据，无法做到对土 壤冻结状况的实时监测、自动采集，而在我国工程冻土试验研究方面已基本实现数据的自动采集与 分析口。1。目前对冻土监测的主要技术手段有热敏电阻地温测量方法b’…、光纤光栅地温测量方法n]、 雷达探测法¨，、遥感探测法旧1等。光纤光栅测量需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件对传 感器波长漂移进行检测，不便野外数据采集。雷达和遥感测量适宜用于大面积的地质测量，难于应 用于局部地区的精确测量。冻土工程实践中更多的是利用热敏电阻对不同深度地温进行观测n““]，通 过推求0。c地温层位置确定土体冻融界面¨2‘1…。在地温观测过程中，通常将温度传感器埋置在相应土 层中然后进行回填，或者为了避免在使用过程中传感器遭到侵蚀破坏n“，方便回收再利用，进行套 管垂直埋设n“。地埋管目前在地源热泵领域应用较广n6。1“，而在冻土工程中，虽然相关地温和冻深测 收稿日期：2016～05—11；网络出版日期：2016一09—22 网络出版地址：http：／／www．enki．net／kcms／detail／11．1882．TV1516．004．html 作者简介：汪恩良(1971一)，男，河北滦南人，博士，教授，主要从事工程冻土和水工建筑物冻害防治研究。 E—mail：HLJWEL@126．com 一86— 量的研究已有很多n8。2…，但是不同材质的埋管对其结果的影响研究较少，大多凭经验选取材质。 本文通过监测记录不同材质管材内不同深度处的地温值，利用线性内插和外延的方法，对各管 材计算得到的冻融过程进行差异性分析。即假定以冻融层面温度线性变化为前提，在土壤冻结过程 中