检索结果-内蒙古大学图书馆

冻土是冰冻圈的重要组成部分,也是陆面生态系统中极其重要、不可忽视的下垫面。土壤冻结/融化界面位置的变化影响陆地生态碳循环过程以及局部甚至全球气候变化。获取准确的冻结/融化深度信息对地表能量平衡、高寒生态、水文径流和碳循环等有重要作用。本研究我们将考虑冻融界面动态变化的冻土参数化方案耦合到陆面过程模式中,并对其模拟能力进行了初步验证。结果表明:考虑冻融界面变化的陆面过程模式可以稳定、准确地模拟出冻融界面的动态变化。

关键词：冻土冻融界面陆面过程模式

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考虑冻融界面变化的陆面模式

考虑冻融界面变化的陆面模式

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第32届中国气象学会年会

作者：高骏强谢正辉王爱文中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京信息科技大学理学院

土壤的冻结和融化是土壤内部的重要物理过程,其冻融界面位置的移动影响土壤水热特性以及陆面和大气之间的水分能量交换,从而对陆面水热过程产生重要影响.本研究将土壤冻结和融化问题归结为考虑水热耦合的多运动边界问题,利用局部自适应... 详细信息

土壤的冻结和融化是土壤内部的重要物理过程,其冻融界面位置的移动影响土壤水热特性以及陆面和大气之间的水分能量交换,从而对陆面水热过程产生重要影响.本研究将土壤冻结和融化问题归结为考虑水热耦合的多运动边界问题,利用局部自适应变网格法进行数值离散,发展了考虑冻结和融化界面位置的移动对水热过程影响的土壤水热耦合模型.该模型基于陆面模式分层结构的敏感性试验表明:它能同时连续地追踪多个冻融界面,克服了等温线法在同一土壤层不能同时模拟多个冻融界面的困难,比高分辨率情形下的计算效率提高数倍且计算稳定.利用站点观测对土壤冻融界面的位置、土壤温度和未冻水含量所进行的模拟验证,进一步表明了该模型的合理性以及应用于陆面过程模式的模拟潜力.

关键词：冻融界面水热耦合模型运动边界问题

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基于冻融交界面的演化对多年冻土区边坡稳定性研究

基于冻融交界面的演化对多年冻土区边坡稳定性研究

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作者：张竞杰中国矿业大学

学位级别：硕士

多年冻土是一种特殊土类,它对温度十分敏感而且性质很不稳定。近数十年来由于全球气候变暖,青藏高原年平均气温普遍上升0.2～0.4℃,气温年较差逐年减小。与此同时,青藏高原人类活动强度不断提高,叠加效应进一步引起多年冻土的退化。随... 详细信息

多年冻土是一种特殊土类,它对温度十分敏感而且性质很不稳定。近数十年来由于全球气候变暖,青藏高原年平均气温普遍上升0.2～0.4℃,气温年较差逐年减小。与此同时,青藏高原人类活动强度不断提高,叠加效应进一步引起多年冻土的退化。随着冻土退化,其力学性质出现不稳定和不均匀性,粘聚力和抗剪强度显著降低,造成多年冻土区边坡发生滑坡、崩塌、泥流等灾害。边坡失稳加剧了多年冻土区脆弱生态环境的恶化,同时对建(构)筑物安全运营产生威胁。目前,对于冻土边坡的研究还未引起充分的重视,研究资料也相对匮乏。因此,正确认识多年冻土区边坡失稳类型、开展冻土边坡失稳机理的研究,进行冻土边坡稳定性影响因素及变化规律的分析,对多年冻土区生态环境保护和工程运营安全十分必要。本文以青藏高原典型冻土边坡为研究对象,运用现场调研、资料分析、数值仿真等手段,在总结多年冻土区边坡失稳类型及特征的基础上,分析了多年冻土区边坡温度场分布特征。基于强度折减法,计算了冻融界面动态变化的边坡安全系数,并对边坡稳定性影响因素进行了探讨。基于以上研究内容,取得了以下成果:(1)总结归纳出多年冻土区边坡常见的失稳类型及特征,重点研究了热融滑塌这一类型失稳机理及影响因素,同时介绍了多年冻土区边坡稳定性计算方法,包括极限平衡法以及有限单元法,并基于极限平衡法绘制了安全系数随有效粘聚力、有效内摩擦角、边坡坡度以及浸水比变化的关系图表。推导出安全系数是土体的有效抗剪强度指标的增函数,是坡度及浸水比的减函数。(2)利用ABAQUS软件建立多年冻土区边坡温度场的计算模型,确立所需的热力学参数及热学边界条件,分别计算了冻结期和融化期的温度场分布特性,并绘制不同深度下地温随深度分布图,确定融化期下各月份的融化深度。结果表明气温季节性变化对边坡活动层(0-2m)的地温具有重要影响,边坡以下0-2m的土体温度变化是影响多年冻土区边坡热稳定性的主要因素。(3)建立了活动层处于冻结和融化状态的边坡稳定性计算模型。基于上述温度场计算结果,确定土体的融化深度和冻融界面厚度,对多年冻土区边坡进行冻土、冻融界面、融土分区,确定土体力学参数,利用强度折减法,对活动层处于冻结状态和融化状态的边坡分别进行边坡稳定性计算。同时将根据边坡位移云图确定的滑动面位置与等温线云图确定的冻融交界面进行对比,得到多年冻土区边坡的潜在滑动面与冻融交界面基本一致。最终分析活动层处于冻结和融化状态下的安全系数规律,结果表明随着冻融交界面的下降,边坡稳定性也逐渐降低。最终确定了边坡稳定性最差的时期为暖季的10月份。(4)利用ABAQUS软件研究冻融循环次数、含水率、坡度以及气候变暖对多年冻土区边坡安全系数的影响规律,并与极限平衡法计算的安全系数规律进行对比分析。同时建立冻融循环次数、含水率、坡度与边坡安全系数的拟合表达式。结果表明多年冻土区边坡的稳定性随着冻融循环作用次数的增加而降低,安全系数下降幅度随着冻融循环次数的增加逐渐放缓最终趋于稳定;随着含水率的增大,边坡安全系数随之减小;同时在坡度较低情况下,可不考虑坡度变化对边坡温度场的影响,边坡安全系数随着坡度的增大而降低。最后研究气候变暖因素对多年冻土区边坡的温度场分布、位移场、塑性应变情况以及边坡稳定性的影响规律。在全球变暖趋势下,冻土上限逐渐下降,安全系数随之减小,边坡达到临界状态下位移以及塑性应变值逐渐增大。本文共附有图65幅,表11个,参考文献91篇。

关键词：多年冻土边坡稳定性分析冻融界面温度场分析强度折减

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冻土场地地震反应分析研究中的关键问题探讨

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世界地震工程 2019年第2期35卷 209-216页

作者：李琼林胡进军王琼黑龙江省地下工程技术重点实验室哈尔滨学院黑龙江哈尔滨150086 中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室黑龙江哈尔滨150080

总结了当前场地地震反应分析的计算方法与发展现状,得到寒区场地中由于冻土层结构的存在会对地震动的传播和场地的地震反应产生影响的结论。土体在冻结过程中其强度与刚度会显著增强,在地震过程中冻融土层界面的容易发生滑移破坏,并对... 详细信息

总结了当前场地地震反应分析的计算方法与发展现状,得到寒区场地中由于冻土层结构的存在会对地震动的传播和场地的地震反应产生影响的结论。土体在冻结过程中其强度与刚度会显著增强,在地震过程中冻融土层界面的容易发生滑移破坏,并对场地地震反应和地震波的传递特征具有较大影响,是冻土场地地震反应分析中应当考虑的关键问题。鉴于当前场地地震反应计算方法不能模拟该界面的滑移特征的局限性,建议构建冻土场地地震反应计算新方法,并阐述了构建该方法所需要开展的基础性研究工作。

关键词：冻土场地场地地震反应冻融界面土层结构界面滑移

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春融期根-土复合体边坡稳定性影响因素研究

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长江科学院院报 2023年第11期40卷 154-159页

作者：张小荣马艳霞张吾渝青海大学土木工程学院西宁810016 青海大学青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室西宁810016

春融期,受冻融影响,季冻区边坡极易出现浅层热融滑塌现象,为研究春融期生态边坡的稳定性,通过室内冻融界面直剪试验,将根系简化为主根型,对比分析了素土及根-土复合体冻融界面处土体的抗剪强度指标变化规律;结合数值模拟,对比分析有无... 详细信息

春融期,受冻融影响,季冻区边坡极易出现浅层热融滑塌现象,为研究春融期生态边坡的稳定性,通过室内冻融界面直剪试验,将根系简化为主根型,对比分析了素土及根-土复合体冻融界面处土体的抗剪强度指标变化规律;结合数值模拟,对比分析有无冻融界面试样塑性区的剪切破坏情况,建立模型,计算植物根系穿过冻融界面土体时的边坡安全系数。结果表明:随冻融次数增加,素土冻融界面土体抗剪强度损伤程度大于根-土复合体,素土及根-土复合体冻融界面处土体黏聚力均降低,而摩擦角均增加;冻融界面试样的剪切塑性区主要于正融区土体内发展,且剪切塑性区体积明显大于无冻融界面试样;根系穿过冻融界面土体时,显著提高冻融界面土体的抗剪强度,增强春融期边坡的稳定性。研究成果可为季冻区生态边坡工程的设计、施工和维护提供有效的科学依据。

关键词：根-土复合体冻融循环冻融界面直剪试验边坡稳定性

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冻土对气候变化的响应及基于POD方法的降维外推算法研究

冻土对气候变化的响应及基于POD方法的降维外推算法研究

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作者：高骏强华北电力大学(北京)

学位级别：博士

冻土是冰冻圈的重要组成部分,不仅分布广泛,而且在相变过程中对于水分、能量传输过程影响重大,是陆面生态系统中极其重要、不可忽视的下垫面。土壤冻结/融化界面位置的移动影响陆地生态碳循环过程以及局部甚至全球气候变化,同时由于其... 详细信息

冻土是冰冻圈的重要组成部分,不仅分布广泛,而且在相变过程中对于水分、能量传输过程影响重大,是陆面生态系统中极其重要、不可忽视的下垫面。土壤冻结/融化界面位置的移动影响陆地生态碳循环过程以及局部甚至全球气候变化,同时由于其对气候的敏感性,是气候变化的灵敏指示器。获取准确的冻结/融化深度信息对地表能量平衡、高寒生态、水文径流、寒区工程和温室气体排放等有重要作用。在实际工程计算中,使用数值解法是求解偏微分方程的有效途径。但是,数值解法求解方程的维数与区域剖分节点的数目是正相关的。为了得到足够的精度,定解区域需要更精细的划分,相应的计算量也会增大。这意味着在计算过程中将有巨大的计算量,同时需要计算机具有庞大的内存容量。研究如何在保证足够精度的前提下,降低计算的自由度、简化计算、节省计算时间和所需内存空间这一科学问题具有重要意义。针对以上科学问题,本研究发展了考虑冻融界面动态变化的冻土参数化方案,并将其与陆面过程模式CLM4.5耦合,进而利用新模型揭示冻土对全球气候变化的响应过程。同时,本研究运用POD方法构建降阶有限差分模型,由于使用模拟初始很短时段的数值结果构建POD基,再外推进行未来时段模拟,避免了现有POD降阶模型重复计算的缺陷。主要成果结论如下:（1）利用117个站点观测资料分析了内蒙古最大土壤冻结深度变化过程。伴随着温度的变化,内蒙古地区的最大土壤冻结深度具有明显的季节变化,冻土主要出现在冬、春季。且随着纬度的增加,冻土深度对于温度的响应具有滞后性。内蒙古地区冻土自西向东大致呈现出先升高后降低的趋势,最大值出现在呼伦贝尔草原、锡林郭勒草原区域,极值超过了260cm。同时,最大冻土的空间分布与空气温度的空间分布体现了很高的相关性。全年、冬季、春季的相关系数分别为-0.819,-0.782,-0.787。近36年来,内蒙古地区最大土壤冻结深度呈现明显的下降趋势。与之对应,内蒙古地区的平均温度呈上升趋势。这些结论表明,土壤冻结深度与气候变化密切相关。尤其是部分生态脆弱的多年冻土区,微小的气候变化可能就会导致较大影响。进一步证明了深入研究土壤冻结融化时空变化的必要性。（2）将双向Stefan方法与垂直一维土壤热扩散方程耦合,并进行了一系列敏感性试验以及青藏高原D66观测站点的试验验证。结果表明,新模型可以稳定、准确地模拟出冻融界面的动态变化。与此同时,新模型还能够提高土壤温度的模拟能力。这是因为在耦合过程中,将冻融界面位置视为0℃等温线深度,从而更新了土壤温度垂直廓线分布。陆面过程模式CLM4.5同样适用热扩散方程模拟具有垂直分层的土壤温度,因此,上述试验结果为接下来在CLM4.5中耦合包含冻融界面的新冻土参数化方案提供了理论依据。（3）利用双向Stefan冻融界面模拟方法,结合CLM4.5自身的算法过程,发展得到了考虑冻融界面变化的陆面过程模式CLM4.5FTF。为了评估新模式的模拟能力,我们在多年冻土区D66站点、季节性冻土区葫芦沟站点进行了日尺度上的模拟验证。同时,在年际尺度上对北半球高纬度多年冻土区活动层进行了模拟,并模拟了中国区域不同冻土类型的分布特征。所得结果同样与观测数据相一致。这证明了新发展模型的合理性和有效性。在此基础上,我们运用该模型模拟1970-2010年全球冻土的空间分布和变化趋势。结果表明,在全球气候变暖的大背景下,多年冻土区活动层厚度逐渐加深,季节性冻土最大冻结深度除黑海、里海周边区域基本呈下降趋势。进一步的研究结果表明,是由于该地区大气强迫数据的冬季空气温度的下降导致了冻结深度的加深,模拟结果是合理的。（4）我们将POD降阶方法与包含沉积物浓度的二维浅水方程经典有限差分格式、Maxwell方程的经典FDTD格式相结合,分别构建了新的降阶外推差分模型。针对现有POD降阶模型通常存在的重复计算的问题,本研究使用初始很小时段的结果计算POD基,以此构建降阶模型再进行外推模拟。研究证明了新发展的两个POD降阶差分模型数值结果的误差估计,以此为根据确定选取POD基的个数以及是否更换POD基。对于每个新模型,通过两个数值算例试验,我们证明了POD降阶外推差分模型在解决包含沉积物浓度的浅水方程问题、以及Maxwell方程都是非常有效的。

关键词：冻土冻融界面双向Stefan方法陆面过程模式特征正交分解有限差分方法

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季节性冻土地区根-土复合体土质边坡稳定性分析

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科学技术与工程 2023年第3期23卷 1248-1253页

作者：张小荣马艳霞张吾渝青海大学土木工程学院西宁810016 青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室西宁810016

为了研究季节性冻土地区根-土复合体土质边坡稳定性,通过分析土体强度参数、融化层深度、融化层重度及坡度对根-土复合体土质边坡稳定性的影响,模拟了春融期土坡温度场及水分场的变化特征,运用强度折减法计算了春融期素土及根-土复合体... 详细信息

为了研究季节性冻土地区根-土复合体土质边坡稳定性,通过分析土体强度参数、融化层深度、融化层重度及坡度对根-土复合体土质边坡稳定性的影响,模拟了春融期土坡温度场及水分场的变化特征,运用强度折减法计算了春融期素土及根-土复合体边坡的安全系数。结果表明:春融期,素土及根-土复合体边坡在冻融界面处剪切塑性应变集中,呈条带状分布,沿着冻融界面发生平面状热融滑塌;相比素土边坡,根-土复合体边坡安全稳定系数明显增大。由此可得,植物根系穿过冻融界面处时,增加了根系周围土体强度,提高了边坡安全稳定,为季节性冻土边坡工程的设计、施工和维护提供有效的科学依据及必要的数据参考。

关键词：根-土复合体水热力耦合冻融界面边坡稳定性

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寒旱环境灌木根系增强春融期边坡稳定性影响

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科学技术与工程 2024年第12期24卷 5096-5103页

作者：高英马艳霞张吾渝张小荣杨丰华西安交通大学城市学院土木建筑工程系西安710018 青海大学土木工程学院西宁810016 青海省交通规划设计研究院有限公司西宁810000

春融期边坡极易发生热融滑塌现象,为研究植被根系与边坡冻融界面呈不同夹角α条件下边坡的潜在滑移面破坏形式、位移特征以及稳定性影响。结果表明:随融化深度的增加,春融期素土及根-土复合体边坡的等效塑性应变贯通带越明显,易沿着冻... 详细信息

春融期边坡极易发生热融滑塌现象,为研究植被根系与边坡冻融界面呈不同夹角α条件下边坡的潜在滑移面破坏形式、位移特征以及稳定性影响。结果表明:随融化深度的增加,春融期素土及根-土复合体边坡的等效塑性应变贯通带越明显,易沿着冻融界面发生平面状滑塌;相比于素土边坡,春融期(3月份)根-土复合体边坡最大位移量减小约69.65%,春融期(4月份)根-土复合体边坡最大位移量减小约71.88%,且根-土复合体边坡位移的减少量随着α角的增大而呈增大趋势,表现出根系伸入冻融界面处时具有较强的固土能力;当根系与冻融界面夹角α由45°增大至90°时,根-土复合体边坡的安全系数呈增长趋势,且根系与边坡冻融界面垂直时,根系具有相对最大限度地增强春融期边坡固土护坡作用,可有效提高春融期边坡的稳定性。研究成果为探讨冻融界面处植物根系对春融期边坡稳定性具有理论研究价值和实际指导意义。

关键词：根-土复合体水热力耦合冻融界面边坡稳定性

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