上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的影响分析
多年冻土地区挡墙结构温度场模拟分析研究
多年冻土地区挡墙结构温度场模拟分析研究
Ｔ ｅＡｎ ｌ ｓｓ ｆ ｅ ｅ ａｕ ｅＦ ｅ ｄ Ｓ ｍｕ ａｉ ｎ ｆ ｒ ｔ ｉ ｉ ｇ Ｗ ａｌ ｔｕ ｔ ｒ ｅ ｍａ ｒ ｓ ｇ ｏ ｈ ａｙ ｉ ｏ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｉ ｌ ｉ ｌｔ ｏ ａｎ ｎ ｌ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅｉ Ｐ ｒ ｆｏ ｔ Ｔ ｏ Ｒｅ ｎ Ｒｅ ｉｎ
原 北 部 及 西 部 高 山 区 ，并零 星 分 布 就 使得 青 藏 铁 路 沿 线 多年 冻 土 的 发育 和 分 布 明 显 受到 三 向地 带性 控 制 ，即 由热 量 和水 分 随 高度 变 化造 成 的垂 直地 带 性 ；由热 量 南 北 差 异
在 多年 冻 土 地 区修 建铁 路 路 基 ，打 破 了原 来
天然 地 表 与 外 界 的热 力 平衡 ，地 下 温度 场 将 重 新 分布 ，可 能 引起 多 年 冻 土 区冻 土 退 化 ，从 而 影 响
引起的纬度地带性 ；由距离海洋远 近、大气环流
特点 造成 的降水 不 同所 产 生 的地 带 性。
中图分类号 ：Ｕ４２２ １． ２文献标识码 ：Ｂ文章编 号 ：１０ — ９ ５（ ０ ０ － １７ ０ ０ ３ ８ ６ ２ １）４ ０ — ４ １ １
１引言
多年 冻 土 的面 积 约 占全球 陆 地面 积 的 ２ ％ ， ３ 主要 分布 在俄 罗斯 、加 拿 大 、 中国 和 美 国 的部 分
赵耀 文 （ 乌铁 建设 监理 公 司 ，新疆 乌鲁 木齐 ７ ０７ ） ３００
摘 要 ：在 多年 冻土地 区修 建铁路路基 ，打破 了原来天 然地表 与外界的热 力平衡 ，地下温度场将 重新 分布 ，可能 引起
多年冻土 区冻土退化 ， 从而影响路 基的稳定性。本文基 于多年 东突地 区的路基温度场 的数值模拟计 算分析 以及远期 的预测 ，
多年冻土区草皮护坡路基温度场的数值模拟
砂 砾 土 ຫໍສະໝຸດ Ｌ／ 粘土
泥
岩
冻土区路基 ，程 国栋 提 出了主动冷却路基 的原 理来保护路基下多年冻土，利用边坡草皮来控制热
传导是其中一个措施 ， 还能保护和改善路基两侧的 生态 环 境。植 被 对 冻 土具 有 保温 作 用和 冷 却作 用 Ｊ 。夏季 ， 植被部分地 阻挡 了太 阳直射和散射 辐射 ，使土体冷却 ；冬季 ， 植被阻挡土壤散热 ， 对 土体起保温作用。铁道部科 学研究 院西北分 院 曾于 ２ Ｏ世纪 ６ ～ Ｏ Ｏ ７ 年代在青藏公路风火山地区修 建 了路基试验工程 ，以草皮作为保温材料应用在边 坡工程上 ，保持 了边 坡冻土人 为上 限深度 的稳定 性 ，防止了路基工程的冻胀破坏。但由于草皮作为 保温材料 的特殊性 ， 目前应用效 果实测资料很 ｊ 少 。本文 旨在探讨草皮的保温效果 ，运用伴有相变 的热传导方程的有限元方法对有无草皮防护这两种 路基进行数值分析 比较。
一
及其退化特征 ，本文采用青藏高原的不稳定型多年 冻土 ，取 Ｔ ＝ 一 ． 二 为 附面层 温度增量 ， ３ ５ｃ ，△ Ｉ 综合文献资料 ， ］１ ，本次计算 中附面层 温度增量 ［７ ｏ
Ｈ＝
（ ｄ ） ￡
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０ｎ
： （ｙ∈ 、 ０ ，） 而
计算后 ，回归方程 即可得到 ，值得 推广应用。另 外 ，土工试 验 中 ，稳定 土无 侧 限抗 压强 度 与灰剂量 关系等也可以通过回归分析进行计算 ，这样如出现 数据偏离正常值也可以很快查出，提高了检测的准
确性。 收稿日 ２ ５ ０ —３ 期： ０ —８ ２ ０
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许顺 国等 ：多年冻 土区草皮 护坡 路基 温度场 的数值模拟
青藏高原多年冻土区冷却路基技术现场实效监测研究
青藏高原多年冻土区冷却路基技术现场实效监测研究第25卷第3期岩石力学与工程学报 V ol.25 No.32006年3月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March ，2006收稿日期：2004–10–18；修回日期：2005–02–21基金项目：国家自然科学基金重大项目(90102006)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412704)；中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1–SW –04)作者简介：马巍(1963–)，男，博士，1985年毕业于兰州大学数学力学系固体力学专业，现任研究员、博士生导师，主要从事冻土力学和冻土工程方面的教学与研究工作。
E-mail ：mawei@/doc/d6*******.html。
青藏高原多年冻土区冷却路基技术现场实效监测研究马巍，余邵水，吴青柏，张鲁新(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州 730000)摘要：以青藏铁路现场实体工程为背景，选用块石路堤、块石护坡和通风管路堤主动冷却措施进行现场实体工程试验，通过对路基内温度场的监测，研究这些措施对保护冻土的作用及效果。
分析结果表明，2个冻融周期后，块石护坡路基、通风管路基和块石路基均具有一定的调节降温作用，有利于下覆多年冻土的保护。
但是冻土上限的抬升需要消耗下部土体的冷能来实现，说明冻土路基温度场还处于不稳定阶段。
关键词：土力学；冷却路基措施；多年冻土区；青藏高原中图分类号：TU 445 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)03–0563–09STUDY ON IN-SITU MONITORING TECHNOLOGY OFCOOLING ROADBED IN PERMAFROST REGIONS OF QINGHAI —TIBET PLATEAUMA Wei ，YU Shao-shui ，WU Qing-bai ，ZHANG Lu-xin(State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering ，Cold and Arid Regions Environmental and EngineeringResearch Institute ，Chinese Academy of Sciences ，Lanzhou ，Gansu 730000，China )Abstract ：Qinghai —Tibet railway crosses 550 km continuous permafrost regions and 82 km discontinuous permafrost regions ，where high temperature regions(annual average ground temperature is above －1.0 ) occupy ℃275 km ，ice-rich regions cover 221 km ，overlapped sections of high temperature and ice-rich occupy about 134 km. As a result of the influences of both global climate warming and railway engineering on the permafrost degradation ，design and construction of roadbed in permafrost regions are faced with quite great difficulties. As the natural thermal state and underground ice are the important factors influencing the roadbed stability ，the choice of roadbed structure to protect permafrost is the leading principle of engineering design. Therefore ，many measures are put forward and adopted including crushed rock slope protection ，crushed rock embankment ，embankment of heat pipe ，embankment of awning ，thermal-insulation treatment embankment ，widened and heightened embankment and duct-ventilated embankment ，etc. The crushed rock slope protection ，crushed rock embankment ，embankment of heat pipe ，embankment of awning ，and duct-ventilated embankment are all actively protective technologies. The embankment of crushed rock slope protection ，crushed rock embankment and duct-ventilatedembankment are chosen to study the protective effects of the three kinds of embankments on the permafrost based on the in-situ monitoring results of the roadbeds in Qinghai —Tibet railway. The basic data of actively adjusting and cooling roadbed measures in permafrost regions have been obtained and analyzed. Results show that all of the564 ? 岩石力学与工程学报 2006年three measures have certain effects on adjusting and cooling roadbed，and are advantageous to protect permafrost under the roadbed. However，the rising of artificial permafrost table needs to consume the cold energy of soil below ground，which indicates that the temperature fields of permafrost foundation are in instable phase.Key words：soil mechanics；cooling roadbed measures；permafrost regions；Qinghai—Tibet Plateau1 引言青藏铁路要穿越多年冻土区632 km，其中穿越年平均地温高于－1.0 ℃的多年冻土区275 km，高含冰量多年冻土区221 km，高温、高含冰量重叠路段约为134 km。
多年冻土区埋地管道周围土壤温度场数值模拟
油 气 田地 面 工 程 第 ２ 卷 第 １ ９ Ｏ期 （ ０ ０ １ ） ２ １ ． ０
１ ３
能 量 守 恒 方 程
—
明显高 于其 他两 种情 况 ， 而 且 波 动 幅 度 较 大 ； 在 管
］ （ 一￡，ｈ ｝ ＋ １ ）ｐ ＋ ，
道 采 用 保 温 层 的情 况 下 ，保 温层 相对 越厚 ，管 壁热
｛ ［ｐｈ ＋ （ 一 ） ｅ Ｔ ｆｆ １ ， ）
一 一
流密度 及波 动 幅度 越 小 ，保 温效 果越 好 。
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油气田地面工程第 ２ ９卷 第 １ Ｏ期 （０ ０ １ ） ２ １ ． ０
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊ ｉｓ ． ０ ６ ６ ９ ． ０ ０ １ ． ０ ｏ ：０ ３ ６ ／ ．ｓｎ １ ０ — ８ ６ ２ １ ． ０ ０ ６
多 年冻 土 区埋 地 管道 周 围土 壤 温 度 场 数 值 模 拟
用 Ｆ ＵＮＥ 软件对 有无 保 温层 条 件 下埋 地 管 道周 Ｌ Ｔ 围土 壤温 度场水 分场 进行 数值计 算 ，可 为工程 建设 提供 一定 的理论 依据 。
鼍 ＋ （ Ｖ ｐ
一 Ｖ Ｖ／ ） （ ＋ 。 Ｊ ） 一 Ｐ－ （ ＋ ｃ １ ＋ Ｈ １ Ｊ
＋Ｐ （ ｆ Ｔ— Ｔ ） （） ３
密度 明显 降低 且 波动 幅度 减 小。管道运行 １ ７个月后 ，无保 温层 与分 别采 用 ３ Ｏ和 ５ ０ｍｍ 保 温层 时 相 比 ，管道底部 最大融深相 差 １ １ ． ７和 １４ ． ６ｍ。采用保 温材料 可降低 冻土融化速率 ，防止 冻土退化 。
关 键词 ：多年 冻土 ；埋地 管道 ；水 热耦合 ；多孔介 质 ；数值模 拟
对 埋地 管道周 围土 壤 温度场 进 行研 究 Ｌ ，并 取 得 ４ ］
青藏高原东部多年冻土区工程地质条件与评价
青藏高原东部多年冻土区工程地质条件与评价摘要文章紧密结合作者自身工作实践，就青海省天峻县多年冻土区的工程地质条件进行了具体分析，并提出了冻土防治的具体措施。
关键词青藏高原；冻土区；融沉；防治1 研究意义冻土对温度非常敏感且易变，它是在地壳内热源和外热源的综合作用下形成、发展、退化及消亡。
冻土由固体矿物颗粒、粘土塑性冰包裹体和液相水（未冻水和强结合水）和气态包裹体（水气和空气）组成，它们都各有其特性，彼此相互联系，相互作用。
冻土的发育对与工程建设影响极大，研究的目的在于工程建设时能合理的避让、利用多年冻土，使人们的生活、生产顺利进行。
中国是继俄罗斯、加拿大之后的世界第三大冻土国。
冻土面积约占国土面积的75%，其中季节冻土占52.6%，多年冻土占22.4%。
青藏高原的多年冻土位于高纬度多年冻土南界以南，属于高海拔多年冻土，是世界上中、低纬度地带海拔最高，面积最大的多年冻土区，面积约为149×104km2，占中国多年冻土总面积的70%。
国外对于冻土的研究多侧重于冻结状态下冻土强度、应力-应变特点、压缩变形等方面的研究，对冻土融化引起的变形破坏研究较少。
国内近年来在冻土物理、化学及力学性质研究方面取得重要进展。
对冻土中质迁移、成冰及冻胀机理提出了一些新的概念；对冻融过程中微结构的变化及其特征的研究取得了新进展；对冻土中碳氢水合物的形成条件及其基本性质进行了深入研究，为寒区地下能源的调查与开采提供了科学依据；对冻土流变机制、屈服准则及本构关系提出了新的认识；对冻土在应力作用下的微结构变化、损伤理论及物理蠕变模型的研究有了突破性进展；提出了预报冻土长期强度的一些新方法（如时间一温度比拟法对热力学方法等）；对含盐冻土等特殊土质的物理、化学及力学性质研究取得了一批新的成果。
从上个世纪70年代开始，全球进入一个升温的时期，青藏高原作为全球气候的“启动器”和“放大器”受升温影响更加明显，据国内外有关部门监测，青藏高原气温正以每10年0.35℃的速率上升。
高海拔多年冻土区埋地式输气管道周围土体温度场及管—土热力耦合数值计算
高海拔多年冻土区埋地式输气管道周围土体温度场及管—土热力耦合数值计算高海拔地区的多年冻土区域具有独特的地质和气候条件，对于管道的设计和建设提出了严峻的挑战。
在高海拔地区，全年气温低，气候干燥，土壤中冻结含水量高，土体的温度场及其对地下管道的热力耦合效应需要进行深入研究。
在高海拔多年冻土区埋地式输气管道的设计过程中，了解周围土体的温度变化情况是十分重要的。
土体的温度场受到多种因素的影响，如地表温度、大气温度、土体热传导和地下水温度等。
因此，需要进行管道周围土体温度场的数值计算。
数值计算是一种重要的研究方法，可以通过建立数学模型来模拟实际的物理过程。
在高海拔多年冻土区埋地式输气管道周围土体温度场的数值计算中，需要考虑多个方面：首先，需要确定土壤的物理性质参数。
土壤的物理性质参数包括导热系数、比热容和密度等。
这些参数的准确性对于模拟土体的热传导过程至关重要。
其次，需要获取地表温度和大气温度的数据。
地表温度和大气温度是约束周围土体温度场模拟的重要因素，可以通过气象站台的观测数据或者遥感技术获取。
接下来，需要考虑土体热传导的影响。
土体热传导是指热量在土壤中的传导过程，可以通过导热方程进行描述。
导热方程是一个偏微分方程，可以通过数值方法进行求解。
最后，需要考虑地下水温度对土体温度场的影响。
地下水温度是指土壤中地下水的温度，通常地下水温度较稳定。
地下水温度的变化对土体温度场的稳定性和温度分布起到重要影响，可以通过实测数据或者数值模拟方法进行获取。
通过以上考虑和分析，可以建立高海拔多年冻土区埋地式输气管道周围土体温度场的数值计算模型。
该模型可以通过计算机程序进行求解，得到不同时间段的土体温度分布情况。
进一步地，可以考虑管—土热力耦合效应。
管道的运行过程中，会释放热量到周围土壤中，而土壤的温度场又会对管道的温度分布和热交换产生影响。
因此，需要对管—土热力耦合效应进行研究。
总结起来，高海拔地区的多年冻土区埋地式输气管道周围土体温度场及管—土热力耦合数值计算是一个复杂而重要的研究课题。
多年冻土路基温度场变化及数值模拟
多年冻土路基温度场变化及数值模拟发布时间：2022-10-21T09:10:06.316Z 来源：《科学与技术》2022年12期作者：王金奎[导读] 多年冻土是存于地表下一定深度范围内常年维持冻结状态的特殊土壤王金奎新疆交通职业技术学院摘要：多年冻土是存于地表下一定深度范围内常年维持冻结状态的特殊土壤，且广泛分布于我国东北和西北地区，我国是世界第三大冻土国。
随着全球气候变暖，地表温度上升，使得冻土出现退化趋势，主要表现为寒区工程设施出现冻胀融沉、不均匀沉降等病害，所以分析多年冻土路基内部温度场变化规律，对研究寒区道路设计、工程修建及寒区病害防治等工作具有重要意义。
关键词：多年冻土；温度1. 冻土温度传输理论根据傅里叶定律，冻土中热量传输一维微分方程为：下边界条件根据现场勘探资料显示，地表下20m土壤受温度变化影响较小，土层温度较为恒定，一般为-1.5℃～-2℃，故建计算时取-2℃。
四周边界条件为了计算方便，在温度场两侧的边界条件一般设置为隔热。
初始条件上层路基层初始温度为模拟初始月份现场此土层相应的地温，由于地温数据不足，本文以此月份平均气温上层全融状态的初始温度条件。
根据钻孔测温资料，青藏高原地表下地温较低，结合现场勘探资料2000年10月份路基填土、粉质黏土、含砾黏土、碎石砂土的土层温度分别为1.01℃、-0.56℃、-1.49℃、-1.95℃，故以这4个温度作为各个土层的初始温度条件。
3. 多年冻土路基温度场模拟结果分析本文将研究路基温度场模型在20年内的温度场变化，时间单位取为月，步长为0.1月，计算时长为进行20年共240个月。
研究资料发现在每年的冻融循环中，温度大概在每年10月份向下传输到最低处，冻土出现最大融深，10月后土体开始重新冻结，故本文根据土体的最高地温研究冻土路基设计原则，拟研究冻土地温温度最高时土层温度场。
此处只列出第5年10月份、第10年10月份、第15年10月份和第20年10月份模拟结果进行对比研究。
冻融问题渗流场和温度场耦合数值模拟
冻融问题渗流场和温度场耦合数值模拟摘要：冻融作用在自然界中普遍存在，如自然环境科学中渗流与温度的相互作用会影响到渗流场和温度场的分布，从而影响生物的生存环境。
高寒地区工程的冻融破坏作用例如路基冻胀稳定问题，寒区隧道的冻胀破坏等，这些都是渗流和温度的耦合问题。
为了揭示冻融作用下渗流场和温度场的变化规律，建立了描述渗流场及温度场耦合的偏微分方程，其中渗流方程中考虑了温度作用引起的介质渗透特性的变化和水量变化及温度梯度对渗流的影响。
在温度方程中考虑了相变对介质热物理参数的影响及水流动引起的对流作用影响。
然后利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics成功的求解该方程组，通过算例与Lunardini的解析解进行了对比，验证数学模型的合理性。
最后通过一个冻结壁算例，计算了在水流和热传导作用下的冻融情况和温度场的变化规律。
结果表明温度场对渗流场分布有一定的影响，同样渗流对冻融作用的影响显著，在冻融和渗流的作用下温度场发生了明显的变化。
关键词：渗流场温度场耦合冻融相变数值模拟引言1973年Harlan.R.L.提出第一个水热迁移耦合模型[4]，他的基本思想是水的迁移类似于非饱和土体中水分的迁移，因此在水分场数学描述中应用了达西定律。
随后有许多学者对水热耦合模型。
但Harlan模型仍然被广泛使用。
Lai Yuanming[5]运用水热耦合模型计算指出，渗流作用降低了隧道的冻深。
令峰[6]等在分析多年冻土地区路基稳定性时，对地表水入渗的影响进行了分析，在模型的建立中考虑了水流对温度场的影响，计算结果表明，渗流作用加深了季节融化。
Jeffrey M. McKenzie[8]等运用Sutra软件对带相变的渗流温度耦合进行数值模拟分析了参数的影响，并提出了验证模型。
张旭芝[9]也对高原多年冻土涵洞温度场及地基土冻融变形规律进行了研究分析。
由于温度场中相变的作用会对耦合作用更加剧了温度场与渗流场的耦合性。
有限元计算在多年冻土区混凝土灌注桩温度场分布
有限元计算在多年冻土区混凝土灌注桩温度场分布黑龙江省混凝土及外加剂专家委员会摘要：针对在多年冻土地区建设青藏铁路时混凝土桥灌注桩水化放热引起周围冻土温度场变化这一实际工程问题，采用伽辽金法推导出带相变的瞬态温度场问题的有限元公式，在考虑混凝土作为放热边界的条件下综合考虑了气温变化、风速等多种因素，建立了多年冻土区混凝土桥灌注桩水化放热的传热模型，计算了由于混凝土水化放热引起的冻土温度场变化。
结果表明，混凝土水化热在浇注后半年内对多年冻土的温度场影响很大，回冻时间（融化的冻土温度重新回到天然状态的时间）长达2年以上。
而用粉煤灰和硅灰取代一定质量的水泥可以减少混凝土水化热对冻土热状况的影响。
关键词：多年冻土；水化热；温度场；有限元我国北方各省和西部的青藏高原属于寒冷地区或冻土区。
冻土是温度低于0℃且含有冰的土岩。
而多年冻土在两年或两年以上都处于冻结状态，只有表层几米的土层处于夏融冬冻的状态[1]。
在多年冻土地区的主要工程地质问题有融沉、冻胀等不良地质现象。
西部开发以来，青藏铁路格尔木—拉萨段将穿越多年冻土地段约553公里，收稿日期：2004-07-06。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50078019）；哈尔滨工业大学校交叉学科基金项目（HIT. MD 2001.10）。
作者简介：巴恒静(1938~)，男，教授，博导；刘爱萍(1979~)，女，硕士。
线路通过许多山脉和盆地，复杂的地形要求线路只能“以桥代路”。
而混凝土桥灌注桩的使用却给环境带来了反作用，由于高强度、高耐久性等大体积混凝土在实际工程中的应用，混凝土在水化过程中放出大量的热，从而使周围冻土层不同程度的融化，造成建筑物的不均匀沉降。
不仅如此，混凝土还是一种导热性很差的建筑材料。
大体积Received date：2004-07-06。
Biography：Ba Hengjing (1938~), male, professor；Liu Aiping(1979-),female, master.E-mail: bahengjing2001@ ;liuaiping@混凝土由于中心温度高，散热慢，温度梯度大，在施工后相当长的时间内混凝土水化热对冻土都有影响。
气候持续变暖条件下青藏高原多年冻土变化趋势数值模拟
,
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当气
候 变化 时 可 能 引 起植 被 和 地 面积 雪的变 化 这 将 改 变大 气 与 地面 间的 热交 换 关 系 并 引起 冻 2 “ 0 0 m 观 测 场 地 的典 型 多 年 土 热 状 况 的变 化 〔 ] 在 我 国 西 藏 两道河 多 年 冻 土 区 两 个 相 隔 约 1
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多年 冻土 厚 度
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热 量在 地 层 内的 传 播 主 要 通过 导热 和 一 定 条 件 下 流 体 对 流 换 热 实 现 相 同 时 冻 土 热 状 况 取 决 于 地 层 物质 的 热 物 理 性 质 和 地 中 热 流
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水 在 冻 土 形 成 和 演 化 中起 着
寒区路基温度场的数值分析
寒区路基温度场的数值分析摘要：为研究片石护坡对冻土路基稳定性的影响，建立了冻土路基温度场的三维数值计算模型，并采用有限元方法对普通路基、片石护坡路基在未来50年内气温上升2.6℃情况下的温度场进行了预报分析和比较。
计算结果表明：片石护坡路基融化深度均小于普通填土路基的融化深度。
随着时间的推移，片石护坡路基对于提升冻土上限起到了一定作用。
片石护坡对路基左侧、右侧的上限抬升幅度存在差异，路基左侧0℃等温线的抬升相对于右侧的上升幅度小。
关键词: 多年冻土;路基;片石护坡;稳定性;数值分析1引言地球上多年冻土分布面积广阔，全球多年冻土面积约占陆地面积的25%，我国多年冻土面积约占国土面积的22.4%[1]，随着社会、经济的发展，多年冻土地区公路、铁路等工程建设越来越多，冻土路基普遍存在的以冻胀和融沉为主的严重病害[2~4]，目前在对冻土的保护方面，采用片石护坡是其中一个措施。
在保护冻土路基的研究方面部分学者进行了相关研究[5~7]，其特点是对边界条件、初始条件进行假设，没有考虑实际地温场的变化及路基阴阳坡差异，因此造成计算结果可能和实际结果有差异。
本文针对上述情况，考虑路基阴阳坡差异，以现场实测地温场数据为依据，考虑受全球气候变暖的影响，青藏高原多年冻土区气温升高的条件下[8]，对普通路基和片石护坡路基的温度场变化进行了分析比较，进而对多年冻土区片石护坡对路基稳定性的影响进行分析。
2计算模型参数及初、边值条件本文以年平均气温为-5.6℃的唐古拉山冻土区的某路基结构为计算模型，计算中路堤高度取为4.0m，路基顶宽7.6m，边坡坡度取为1：1.5。
计算模型见图1、2所示。
计算区域中土体的密度和导热系数根据唐古拉山区钻孔取样实测值。
土体比热按照各物质成分加权平均计算，计算区域内土体参数见表1。
计算地段的初始温度场采用实测温度场，这样使得计算边界条件更接近与现场实际情况。
图1路基横断面图（单位：m）图2 路基三维有限元计算模型表1路基的土层热物理参数土层深度(m) 岩性说明含水量(%) 容重(g/cm3) 干容重(g/cm3) 热容量(kJ/(m3·℃) 导热系数(W/m·℃)融土冻土融土冻土地面以上路基填土，砂砾土 6.0 2.30 2.17 2183.0 1693.7 1.912.610~1.4m 细砂15.0 2.4 2.09 2785.2 1994.8 2.18 3.051.4~1.9m 粘土20.0 1.95 1.63 2676.5 2208.1 1.24 1.381.9~2.4m 粘土126.5 1.47 0.65 1030.0 890.0 1.13 1.582.4m~5.4m 粘土45.0 1.91 1.32 2990.1 2203.9 0.97 1.675.4m以下砂岩及风化岩15.0 2.18 1.90 2284.6 2284.6 2.702.703控制微分方程及有限元方程由于土体初始含水量不高，考虑到土骨架和介质水的热传导和冰水相变作用，且认为未冻水含量是温度的函数，因此对于冻土的冻结和融化过程均忽略土壤水份的流动和渗透作用。
冻土路基温度场的数值模拟
冻土路基温度场的数值模拟1 引言冻土是气候变化的产物。
全球气候变暖的背景将会对青藏高原冻土的发展演化带来长期而又显著的影响。
各类工程设施，尤其是穿越冻土区的线性工程，如公路、铁路及管线工程等，将会直接受此影响，从而带来诸多工程问题。
另一方面，冻土是热敏感性土体，各类工程的修筑不可避免地改变土体天然水热状况，即工程活动引起局部冻土发生变化，诱发工程问题。
因此，气候变化和工程活动是冻土区工程问题最直接的诱因，而其核心则是土体的热状况。
2 控制方程在自然气候的影响下，路基土体发生冻融交替变化，因此冻土路基温度场问题是带相变的导热问题，控制方程是非稳态导热方程，问题域内存在着随时间移动的两相界面，界面上可吸收或释放相变潜热。
在数学上这是强非线性问题，计算中存在困难[1]。
问题的控制方程为二维带相变的非稳态导热微分方程：在非相变区内：，则上式就转变为通常的导热微分方程式。
其中为固相率，它是无因次量，固相率的增加（或减小）与相变潜热的释放（或吸收）量成正比。
的含义为：式中：、分别为融化及冻结温度；为相变区内节点温度（℃）；为该节点的固相率；为土冻结或融化相变潜热（）；导热系数（）和比热（）；为材料的密度（）；为材料的内热源强度（）。
3 计算模型计算中取路基宽度为10.0，路堤高度为5.0，路基坡度为1：1.5，地基计算宽度为87.4，有坡脚各向外延伸30，路基计算深度为天然地表以下30。
计算区域有四层介质组成：Ⅰ区为碎石道碴层，Ⅱ区为路堤填土层，Ⅲ区为粉质粘土层，Ⅳ区为强风化泥岩层，它们的物理参数见表-1。
4.1 上边界条件参照有关资料[2，3]，考虑全球气候变暖的影响，取青藏高原未来50年平均气温上升2.6℃，设初始年平均气温为-4.0℃，由于路堤模型上表面温度变化不仅与环境空气有关，而且受到太阳辐射等复杂因素的综合作用，故根据附面层理论及相关资料[4，5]，对各计算模型的热边界条件设定如下：6 结果分析图（6）和图（7）分别是路堤修筑完成后第2年和第50年四个时间节点（10月15日、1月15日、4月15日和7月15日）的温度分布情况。
对含有未冻水的多年冻土数值模拟
对活动层和含有未冻水的多年冻土层地表能量平衡和土壤热状况的数值模拟摘要：本文介绍了一种基于表面能平衡方法的一维热传导模型，用于估算地表能量平衡分量和土壤热状态。
使用表面能平衡方程来估计热传导计算的上限温度条件并计算表面热通量。
传热模型考虑了未冻水对土壤热物性的影响。
通过拓展热传导解决方案到雪层，计算地表热平衡成分和积雪表面温度，将雪的影响纳入模型中。
该模型是由在巴罗，AK收集的气象数据驱动的，并对观测到的地面温度进行了验证。
模拟结果与实测结果在0.01，0.29，0.50，1米深处的温度吻合较好。
积雪覆盖时，积雪表面温度比地面温度气温低，平均温度差分别为5.36和1.55。
模型可以用一个比较合理的精度计算表面能量平衡，计算土壤温度，并且研究季节性积雪对于活动层和含有未冻结水的多年冻土层的热体系的影响。
积雪密度决定了积雪的导热系数，体积热容和反照率对模型的性能有很大的影响。
1、介绍准确模拟活动层和永久冻土的热状态是预测全球变化的重要组成部分，也是寒冷地区工程设计和建设的先决条件。
这是因为几乎所有的物理，生物和化学过程都发生在活动层之上或之内，并且由于永久冻土温度的变化会影响永久冻土支撑荷载的能力，严重影响多年冻土地区建造的结构的性能。
要分析确定活动层和永久冻土对气候变化的热响应几乎是不可能的，因为由于边界条件的变化，地面对气候变化的热响应的速率和大小与时间和温度有关。
数值模拟一般被认为是精确模拟和预测活动层和永久冻土热状态的最佳方法。
寒冷地区的地表能量平衡是季节性积雪，植被，大气辐射，地表水分含量和大气温度的复杂函数。
因此，用于描述地表温度的准确方法应该使用基于物理的模型，该模型能够解释自然系统内冻土，雪和大气成分的边界内发生的相关过程。
表面能平衡方法是建立表面温度边界条件的合理方法，因为它倾向于保持表面温度和热通量之间的因果关系。
季节性积雪对冬季地面至空气的热损失提出了屏障，是地面热状态和活动层深度的主要因素。
冻土路基温度场数值模拟
- 110 ℃。
213 初始条件
在路基没有修筑以前 ,原始土层的温度状况 ,可
以通过在地基土层的上边界 EK边施加变化的温度 ,
温度的变化仍采用式 ( 1 )的三角函数 ,只是式中的 g
( t) = A t = 0,即温度逐年增长速率为零 ,取计算模型
整个 EK边上附面层的温度增量为 2 ℃。则该函数
时间长度 (在有限元计算中为一个步长的时间长度 ) ,
单位 h。
A = 0. 03 /8 640 = 3. 5 ×10 - 6 ℃ / h
Ts ———附面层底的初始年平均温度 ; Ts = T0 +ΔT; T0 ———初始年平均气温 ;ΔT———附面层总温度增量 。
由当地气象站的观测资料可知 ,该地区的 2003年
的焓值 。
312 导热系数的计算
每单位温度梯度下单位时间内通过单位面积土体
的热量称作导热系数 ,单位 : W / (m ·℃) 。冻融土的
导热系数与土的物质成分关系密切 。土中各组成物质
的导热系数如表 3所示 。
土体的导热系数可根据各组成物质的导热系数及
其相应的体积比 ,按式 ( 11 )和 ( 12 )计算 ,计算时只考
0 引言
冻土区公路 、铁路路堤的修筑将不可避免地改变 土体天然水热状况 ,这种温度场的重新分布将引起路 堤及其周围土层下的多年冻土上限发生变化 ,从而产 生融沉 、冻胀等影响路基稳定性的现象 ,进而影响到路 基的使用功能与运营安全 。
所以 ,多年冻土区铁路路基的热状况是决定铁路 路基稳定性的关键因素 。了解在气候变化的条件下 , 冻土路基在修筑后的地温响应过程及特点也是分析路 基长期变形特征以及路基长期稳定性问题的基础 。
《2024年基于热边界条件等效的寒区工程地基水热特征研究》范文
《基于热边界条件等效的寒区工程地基水热特征研究》篇一一、引言在寒区工程中，地基的水热特征研究是一项重要的任务。
这些特征直接影响着工程结构的稳定性、耐久性和使用性能。
地基的水热特性主要包括地下水的运动规律、地温场的变化以及土体热传导等。
本文基于热边界条件等效的研究方法，对寒区工程地基的水热特征进行了深入的研究。
二、研究背景及意义随着寒区工程建设的不断推进，工程地基的水热特征研究越来越受到重视。
由于寒区特殊的地理环境和气候条件，地基的水热特征对工程的安全性和稳定性具有重要影响。
因此，对寒区工程地基水热特征的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
三、研究方法及理论框架本研究采用热边界条件等效的研究方法，通过对寒区工程地基的水热特性进行深入分析，建立了水热耦合模型。
该模型包括地下水运动模型、地温场变化模型以及土体热传导模型等。
通过对模型的分析和计算，可以得到地基的水热特征参数，如地下水的渗透系数、地温场的温度分布以及土体的热传导系数等。
四、寒区工程地基水热特征分析1. 地下水运动规律通过对地下水运动模型的分析，可以得到寒区工程地基地下水的运动规律。
在寒区，地下水的运动受到地温场、土壤类型、地下水补给和排泄等多种因素的影响。
研究发现在寒区工程地基中，地下水运动主要呈现为层流状态，其运动速度和方向受地下水位、土体渗透性等因素的影响。
2. 地温场变化特征地温场的变化是寒区工程地基水热特征的重要组成部分。
通过对地温场变化模型的分析，可以发现地温场的变化受到气候、土壤类型、地下水位等多种因素的影响。
在寒区，地温场呈现出明显的季节性变化，冬季地温较低，夏季地温较高。
此外，地温场还受到人类活动的影响，如工程建设、地下水开采等。
3. 土体热传导特性土体热传导系数是描述土体传热能力的重要参数。
通过对土体热传导模型的分析，可以得到土体热传导系数的变化规律。
在寒区，土体热传导系数受到土壤类型、含水率、温度等因素的影响。
研究发现，在相同条件下，粘土的热传导系数高于砂土，含水率越高，土体的热传导系数越大。
不同壁面边界条件对隧道火灾模拟结果的影响的开题报告
不同壁面边界条件对隧道火灾模拟结果的影响的开题报告
一、选题背景：
隧道火灾是城市交通领域中的重要事故之一，其严重性不容小觑。
为了预防和减少隧
道火灾造成的损失，需要对其火灾特性进行研究。
数值模拟是研究隧道火灾特性的一
种有效方法。
在数值模拟中，壁面边界条件是非常重要的。
不同的壁面边界条件会对
数值模拟结果产生显著影响。
因此，本文将探讨不同壁面边界条件对隧道火灾模拟结
果的影响。
二、选题意义：
研究隧道火灾是交通领域研究的重要方向，通过数值模拟可以模拟出隧道火灾的发展
规律和影响因素，有助于预防和减少隧道火灾造成的损失。
而本文探讨不同壁面边界
条件对隧道火灾模拟结果的影响，可以揭示不同壁面边界条件对隧道火灾发展的影响
机理，并为隧道火灾研究提供更加完整的模拟分析。
三、研究内容：
本文将使用火灾模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator）进行数值模拟，设计不同壁面边界条件的模拟实验，并比较不同壁面边界条件下隧道火灾的发展规律、温度分布、烟气浓度和流场变化等参数。
四、研究方法：
1、采用FDS软件进行数值模拟，设定不同壁面边界条件的数值实验；
2、分析不同壁面边界条件下的数值实验结果；
3、比较不同壁面边界条件下的隧道火灾的发展规律、温度分布、烟气浓度和流场变化等参数。
五、预期成果：
本文通过数值模拟实验的对比分析，将得出不同壁面边界条件对隧道火灾模拟结果的
影响结论，揭示不同壁面边界条件下隧道火灾发展规律的差异，分析影响隧道火灾模
拟结果的关键因素，为隧道火灾模拟研究提供参考，并对火灾应急预案的制定和修订
提供支持。
多年冻土地区给排水管道保温层厚度设计的数值模拟分析_王传琦
给水排水收稿日期:2006-10-17;修回日期:2006-11-24作者简介:王传琦(1980 ),男,西南交通大学环境科学与工程学院研究生。
多年冻土地区给排水管道保温层厚度设计的数值模拟分析王传琦,牟瑞芳,王 芃(西南交通大学环境科学与工程学院,成都 610031)摘 要:通过对高寒地区给排水管道铺设和管道保温层厚度设计的研究,提出一种新的高寒地区给排水管道保温层厚度设计计算的方法,即利用计算机通过A nsys 进行数值模拟计算分析的方法,并通过实例得以证明这种计算方法是有效的,从而丰富了高寒地区给排水管道保温层厚度的设计计算方法,并为其他计算方法提供了验证性方法。
关键词:高寒地区;给排水管道;保温层;模拟分析中图分类号:U 269 35 文献标识码:B 文章编号:1004-2954(2007)01-0086-031 高寒地区给排水管道铺设现状1 1 高寒地区管道防冻措施的国内外现状我国有大面积的多年冻土,主要分布在东北地区、青藏高原等地区。
东北地区给排水管路及构筑物设置方式基本上沿袭了前苏联的设计模式,管路的防冻大多采用水源加热并在管网的最末端放空的方式,该方式是非常不经济的;还有部分管道采用与热网埋设于同一管沟内的防冻措施,此方式在青藏铁路沿线没有条件采用。
国外(俄罗斯、加拿大及美国阿拉斯加)在多年冻土区铺设给排水管路及修筑排水构筑物工程有一定的成功经验,但还存在非常多的病害难以解决,特别是冻土环境的差异,如气象条件、土相以及含水率的不同,均可以影响管道铺设的方式以及构筑物的使用功能。
青藏高原冻土区尚无任何给排水管路及排水构筑物工程可供借鉴。
1 2 青藏铁路给排水管道多年冻土区管道的铺设形式可分为:深埋式、浅埋式、地沟式、路堤式及架空式。
不同的铺设形式各具有不同的优缺点。
(1)深埋式管道:造价较高且一旦管道发生冻结现象,不易发现,更不易维修。
(2)地沟式管道:在铁路上应用较少,但管道穿越铁路、公路时,为了避免管道直接受较大荷载而折断,同时,为便于维修往往外设一套管。
青藏高原多年冻土区地温监测结果分析
青藏高原多年冻土区地温监测结果分析
王绍令;赵新民
【期刊名称】《冰川冻土》
【年(卷),期】1999(21)2
【摘要】根据4个冻土长期定位观测场地温资料分析，西大滩观测场深12～20m 段地温升高0．2～0．3℃，多年冻土层由下向上减薄4～5m；昆仑山垭口观测场深6～15m段地温升高0．2～0．4℃；66道班观测场内天然场地地温高于人工沙场0．1～0．2℃；可可西里观测场内天然植被场地地温普遍高于裸露场地约0．2℃．监测结果表明，影响高原多年冻土发育的因素多具有两重性，地表沙层和植被同样具有升高地温和降低地温的作用这些因素与冻土相互作用，它们可以相互转化，在不同条件下起不同的作用．因此，要用动态变化的观念研究、认识和评价多年冻土及其工程地质特性.
【总页数】5页(P159-163)
【关键词】青藏高原;观测场;地温;多年冻区;监测结果
【作者】王绍令;赵新民
【作者单位】中国科学院兰州冰川冻土研究所青藏高原综合观测研究站
【正文语种】中文
【中图分类】P423.3;P642.14
【相关文献】
1.大兴安岭嫩江源湿地多年冻土区地温监测分析 [J], 韦昌雷;王立中;何瑞霞;赵希宽;刘学爽;赵厚坤;李慧仁
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4.青藏高原多年冻土区路基表面浅层地温探讨 [J], 丑亚玲;盛煜;马巍;李金平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
边界层方案对山西冬季一次静稳天气PM2.5浓度模拟的影响
边界层方案对山西冬季一次静稳天气PM2.5浓度模拟的影响董春卿;郑有飞;武永利;郭媛媛;王扬【摘要】Adequate air quality modeling is reliant on accurate meteorological simulation especially in the planetary boundary layer (PBL). To further understand how the boundary layer processes affect the mixing and transmission of air pollutants, the sensitivity tests of WRF-Chem model with different PBL schemes were utilized. Surface temperature, wind field, PM2.5 concentration, dynamic and thermal PBL stratification were simulated in the typical winter stable weather condition of Shanxi province, and the results were compared with the observational data. The simulation ability of different schemes were analyzed, and the effects of PBL thermal stratification and turbulent transportation differences on PM2.5 concentration simulation were discussed. The results indicated that both of the two schemes could simulate the spatial distribution and diurnal variation characteristics of surface temperature, wind speed, and PM2.5 concentration in the winter stable weather. The relatively larger error of temperature simulated normally occurred at night, while the simulation error of surface wind speed and PM2.5 concentration mainly appeared in the afternoon. Surface temperature, wind field and PM2.5 concentration simulated by MYJ scheme showed less error, and more close to the observations. The differences of PBL thermal stratification and turbulent transportation simulated by different PBL schemes led to the differences of surface PM2.5 concentration simulation. The thicker inversion layer of MYJscheme caused the lower surface PM2.5 concentration at night, while the lower mixing layer and weaker surface wind speed simulated by MYJ scheme resulted in a higher surface PM2.5 concentration in the afternoon.%准确的空气质量数值预报模式依赖于精确的气象条件模拟，尤其依赖于大气边界层的准确模拟.为理解边界层过程如何影响空气污染物的传输与混合，利用 WRF-Chem 模式不同边界层方案(YSU 和 MYJ)进行敏感性试验，针对山西冬季典型静稳天气，对地面温度场、地面风场、PM2.5浓度及边界层内部的动力和热力层结进行模拟分析，并与观测资料进行对比，分析不同PBL方案对于气象要素和PM2.5浓度分布的模拟能力，探讨边界层内部热力层结和湍流输送差异对PM2.5浓度模拟的影响.结果表明：2种边界层方案均能较好模拟出冬季静稳天气背景下地面温度、风速及PM2.5浓度的空间分布和日变化特征，气温模拟的较大误差主要出现在夜间，而地面风速和PM2.5浓度的模拟结果在午后误差较大；相对于YSU 方案，局地 MYJ 方案模拟的温度、风场和 PM2.5浓度的误差更小，模拟结果更接近于实况观测.地面 PM2.5浓度的模拟误差可能与近地面逆温层、混合层及地面风速等的模拟误差有关；不同边界层参数化方案导致的边界层内热力层结和湍流输送的模拟差异，可能是影响近地面PM2.5浓度模拟差异的主要原因；夜间MYJ方案逆温层厚度较厚，地面PM2.5模拟浓度较低；午后MYJ方案混合层高度较低，加之地面风速较弱，导致地面PM2.5模拟浓度较高.【期刊名称】《中国环境科学》【年(卷),期】2016(036)006【总页数】12页(P1669-1680)【关键词】边界层参数化;PM2.5;数值模拟;山西【作者】董春卿;郑有飞;武永利;郭媛媛;王扬【作者单位】南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏南京 210044; 山西省气象台，山西太原 030006;南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏南京210044;山西省气象台，山西太原 030006;山西省气象台，山西太原 030006;山西省气象台，山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】X513大气边界层位于受地面影响强烈的对流层底部,是地气相互作用和大气污染的主要发生地,湍流交换是其主要特征[1-2].边界层湍流运动有利于污染物在边界层内的扩散,边界层高度决定了污染物扩散的有效空气体积,边界层内的垂直混合影响污染物的地面浓度,边界层结构的日变化规律影响着大气污染物浓度的日变化特征[3].因此,边界层参数化过程不仅是气象模式的重要组成部分,也是空气污染模式的重要基础[4-6].利用不同边界层参数化方案,分析大气边界层对污染物扩散的影响,受到了科研工作者的广泛关注.针对数值模式中不同边界层参数化方案对边界层风温场结构、污染物扩散传输等模拟的影响问题,国内外已经开展了广泛研究.如利用不同边界层方案对夏季边界层结构[1]、地面风速及地表温度[2]等的模拟研究显示,模式未充分考虑城市建筑物的阻力作用,模拟得到的地表风速偏差较大,而对地表温度的日变化特征模拟能力较好.由于不同下垫面特性,不同模式在不同分辨率情况下,不同边界层参数化方案的模拟效果差别很大.国外多数研究者认为在不稳定层结中,非局地闭合方案的模拟效果优于局地闭合方案.Pleim[7]认为ACM2组合方案可以较好模拟出午后的大气边界层高度.Zhang等[8]通过对2006年3月墨西哥城温度、相对湿度、风速和气态污染物的高分辨率模拟,发现各方案模拟的白天风速偏高,YSU方案对白天地面温度模拟效果较好,夜间较差.Cheng等[9]通过对中国台湾地区空气质量模拟结果分析,认为各边界层参数化方案在不同天气系统下对O3浓度分布的影响不同.王颖等[10]认为对于冬季稳定边界层,局地闭合的MYJ方案可以更好模拟兰州地区底层温度的日变化特征,而ACM2方案模拟的白天底层位温廓线优于MYJ和YSU方案.通常情况下,YSU和MYJ方案是被广泛应用的边界层方案,并且二者的理论假设和计算过程存在显著差异[9].一般认为,在不稳定条件下,非局地传输的湍流闭合方案(YSU)能够比局地湍流闭合方案(MYJ)更加有效地混合大气边界层中的空气污染物[2];在稳定边界层条件下,考虑局地闭合的MYJ方案有一定优势.前期的研究主要集中在对主要天气过程的影响、与化学模式耦合的空气质量模拟,以及低层温度场、风场的影响的研究上,对边界层过程内部典型空气污染物PM2.5等垂直分布的模拟影响的研究不多.此外,尽管在边界层过程影响污染物浓度分布方面达成某些共识,但在不同方案的优劣及适用性方面的研究还不够深入.同时,边界层过程对城市、山谷等复杂下垫面情形下PM2.5浓度分布影响方面的研究还不多.山西省作为我国重要的能源和重化工基地,随着经济规模扩大和城市化进程加快,PM2.5污染问题日趋严重[11-13].在大气边界层中,细颗粒物存在平流、输送、沉降、气象化学、气溶胶化学等非线性物理、化学过程,因此多采用数值模拟方法研究其浓度分布特征和评估控制措施[14-15].大气边界层内污染物的扩散与风场、温度场等有密切的关系[16-18].本研究利用WRF-Chem模式中不同的边界层参数化方案,针对山西地区冬季典型静稳天气个例,对地面温度场、地面风场、PM2.5浓度及边界层内部的动力和热力层结进行模拟分析,并与观测资料进行对比分析,讨论不同PBL参数化方案对于山西复杂下垫面边界层内气象要素和PM2.5浓度分布的模拟能力,探讨边界层内部热力层结和湍流输送差异对PM2.5浓度模拟的影响,以期为改进区域环境空气质量预报模式中PM2.5浓度预报提供参考.选取山西冬季一次典型静稳天气个例进行研究.2015年1月10~13日期间,太原市范围内多次出现空气质量指数AQI>200、细颗粒物PM2.5浓度>200μg/m3的重污染天气,其中,12日夜间~13日中午前,由于天气形势相对稳定,风速较小,污染物难以有效扩散,空气质量始终处于中度至重度污染之间.空气污染物浓度观测数据来源于太原市9个国控点的实时观测数据,观测点从北至南依次为上兰、南寨、涧河、尖草坪、桃园、坞城、小店、金胜和晋源,其中上兰为清洁对照站.2015年1月10日~13日,500hPa中纬度亚洲上空为“两脊一槽”型,受槽前高压脊影响,东亚大槽移动缓慢.东亚槽主体位置偏南,山西上空以纬向环流为主.此外,在贝加尔湖以南,蒙古国西部有短波槽发展东移,影响华北地区.12日20:00(北京时,下同),短波槽主体位于100°E附近,山西上空以平直西风为主,风力较弱;13日20:00,短波槽东移发展形成闭合中心(552dpm),中心位于内蒙中部,受其影响,13日夜间开始山西北部风力加大,并伴有零星降雪.因此,12夜间~13日白天,山西受稳定的偏西气流控制,冷空气影响轻微,地面风速较弱(图1).模拟试验中所采用的WRF模式为ARW 3.4.1版本.模拟试验采用了双向反馈的3重嵌套网格(图2),中心位于(112.6°E,37.8°N),水平网格距分别为27,9,3km,格点数分别为107×107、145×145、253×271.模式顶高50hPa,垂直方向为40层,其中2km以下有18层,最底层为35m.大气化学完全耦合模式WRF-Chem (WRF coupled with Chemistry model),将化学模式与气象模式在时间和空间上完全耦合[8].模拟试验采用WRF-ChemV3.4.1版本,气相化学过程采用CBMZ方案[19],光解过程由FAST-J方法在线计算[20],每半小时为气相化学模块更新１次光解率;气溶胶过程采用包含了液相化学反应的MOSAIC模型[21].模式中主要的物理过程参数化方案如表1.为了详细描述城市的热力学和动力学效应,在Noah陆面过程中耦合了城市冠层模块(UCM),考虑城市的几何特性、建筑物的遮挡和对长短波辐射的反射以及路面、墙面和屋顶的热力作用[22-25].边界层参数化方案包括YSU、MYJ和ACM2 3种.表面层内气象要素的计算采用参数化的方案,YSU和ACM2 对应MM5方案,该方案的基础为Monin-Obukhov与Carslon-Boland 粘性副层以及标准相似性函数查找表,MYJ对应Eta相似方案,该方案的基础为Monin-Obukhov与Zilitinkevich热粗糙长度和标准的相似性函数查找表. 模式中选用美国USGS(United States Geological Survey)提供的30″高分辨的地形高度和地表类型,同时利用2012年DMSP/OLS夜间灯光数据对USGS 30″地表类型中城市分布进行修正(太原区域的城市分布范围如图1)[26].USGS数据观测时间已久,无法反映出城市范围的扩张[27],而DMSP/OLS夜间灯光数据来源于美国NOAA地球物理数据中,空间分辨率为30″(约1km),为无云状态下年平均夜间灯光强度.该数据已被广泛应用于城市化相关研究中[28-29].模式的初始场和边界条件选用NCEP/ NCAR 1°×1°再分析资料,模拟时段为2015年1月10日20:00~13日20:00,6h更新一次侧边界,时间步长150s.选取12日20:00~13日20:00的模拟结果进行分析,探讨冬季静稳天气背景下, PM2.5模拟浓度对边界层结构和湍流输送的敏感性.模式采用的人为排放源清单来源于MEIC (Multi-resolution Emission Inventory for China)[30-31].数据分辨率为0.25°,排放数据包括电力、工业、民用、交通和农业等5个部门,涵盖10种主要的大气污染物、温室气体和700多种人为排放源,可以提供逐月网格化排放清单.本研究以MEIC V1.0为基础,选用2010年的排放数据,选用合适的化学机制,建立空气质量模型需要的排放数据立方体.边界层参数化是为了描述次网格尺度的湍流通量,湍流通量在数值模式中的表达方法被称为湍流闭合问题.WRF-Chem V3.4.1中提供了3种边界层参数化方案选择,即YSU、MYJ和ACM2方案.Cheng等[9]、王颖等[10]从闭合方法、湍流交换过程和边界层顶计算方法等方面,详细介绍了3种边界层参数方案的主要特点.YSU方案(Yonsei University scheme)是1阶非局地湍流闭合方案[32],方案以分子扩散理论(K理论)为基础,在涡旋扩散过程中,通量近似等于平均量的梯度.YSU方案是MM5模式中Medium-Range Forecast (MRF)方案(Hong and Pan,1996)的改进形式.在扩散方程中,反梯度项被用来描述与热空气上升有关的大尺度湍涡.湍流传输在不同层结内的计算方法不同.边界层高度取决于临界理查森数等于0的高度.YSU方案考虑了混合层顶部夹卷过程对湍流输送的影响,这是YSU方案与MRF 方案的主要区别[9-10].模式中将夹卷过程单独处理,而不是作为边界层内部的混合过程,从而增加了热力自由对流的湍流混合,降低了动力强迫对流混合.MYJ方案(Mellor-Yamada-Janjic scheme)是Mellor-Yamada的2.5阶湍流闭合模型[33],它可以预报湍流动能,并有局地垂直混合.边界层控制方程组采用边界层近似,2阶矩方程中仅保留湍流动能(TKE),即是湍流动能方程的1.5阶闭合方案.TKE 湍流强度可以提供衡量混合强度的额外信息.MYJ方案是局地湍流闭合方案,这个方案不适用于模拟混合层中的不稳定层结.边界层高度定义为湍流动能下降到一个非常小的临界值0.001m2/s2的高度.MYJ方案具有概念清晰、满足计算精度要求和节省计算时间等优点,从而应用广泛,但由于方案中考虑的物理过程较为复杂,当不能满足假设条件时,模拟结果有偏差[10].ACM2方案[7]是ACM1(Asymmetric Convective Model)方案的基础上,增加局地湍流输送发展而来.ACM2增加了局地输送部分,可以模拟由浮力作用引起的局地输送,也可以模拟局地湍流交换.方案中采用里查逊数方法计算边界层高度,不稳定条件下的边界层高度考虑了夹卷层的热力穿透和风切变.为检验WRF-Chem模式对实际天气状况的模拟效果,利用模式模拟得到的高空云量分布与FY-2E卫星观测对比,分析模式对大尺度环流形势的模拟能力.13日08:00,山西上空云量较少,地面天气状况为轻雾或霾.13日20:00,随着500hPa高空短波槽系统东移,山西北中部上空有高层云东移,北中部转为多云天气,地面天气状况以霾为主.由13日20:00的高空云量模拟与实况的对比可以看出(图3),YSU、MYJ试验模拟的高空云系的位置与分布形态基本一致,分布形态与卫星观测基本吻合,位置较卫星观测略偏东.不同的PBL参数化试验均可以较好模拟出中高纬度“两脊一槽”的环流背景,均可以再现高空短波槽的发展东移带来的山西北中部云量增加.为检验WRF-Chem模式对边界层污染物扩散的模拟能力,需首先验证模式对地面气温、风场等气象要素的模拟效果.利用2015年1月13日08:00和14:00山西区域内109个自动气象站观测资料,与YSU、MYJ试验得到的模拟结果进行对比(图4).分析结果表明:2组PBL参数化方案模拟的白天和夜间地面温度场的空间分布形态基本一致,分布形状与实况观测基本吻合.就山西区域而言,2组PBL参数化试验对白天最高气温的模拟效果明显优于清晨最低气温的模拟;08:00地面温度的模拟(色阶底图)与实况(填色圆点)差异较大,山西北部、中部2组试验模拟结果均较观测明显偏高,其中北部偏高4℃以上;14:00模拟结果与实况较为接近,2组试验的模拟结果与实况的差异均在2℃以内,效果较好.由图5可以看出,2组试验均可以模拟出地面温度的日变化特征,但由于对边界层内物理过程的处理不同,即便采用相同的陆面参数,地表湍流输送差异也会导致2组试验的模拟地面温度存在显著差异,因此地面温度的模拟结果对边界层参数化方案敏感.2组试验对白天地面温度的模拟结果与观测偏差在1℃左右,夜间则普遍偏高,偏差最大可以达到4℃.YSU、MYJ试验模拟的地面温度与观测值的误差统计(表3)表明,局地闭合的MYJ 边界层方案模拟得到的地面温度优于非局地闭合的YSU方案,MYJ试验模拟的夜间地面温度较YSU偏低,更接近于实况.主要原因在于:冬季夜间边界层多处于稳定状态,特别是受太原周边山谷地形影响,夜间逆温较强,近地层湍流得不到充分发展,物质和能量的输送以局地为主.图5可以看出,地面风速随时间的变化较为复杂.12日20:00~13日20:00期间地面风速较弱,YSU、MYJ试验均模拟出地面风速的日变化特征,夜间风力弱,午后风力增大.两组试验对夜间风速的模拟结果与实况非常接近;模拟误差主要来源于白天,模拟的风速均偏大,偏差最大可以达到2m/s以上.由表4可见,实况观测的平均风速为1.87m/s,而YSU、MYJ试验模拟结果分别为2.73,2.42m/s,与实况接近.城区内地面风速的模拟误差,较徐敬等[2]、王颖等[10]的模拟结果有较大的改善,这与模式中对城市分布进行修正有关,模式中考虑了城市建筑物对地面风速的影响.误差分析结果表明:夜间,两组试验的地面风速模拟效果基本一致,且与实况趋于一致;白天(尤其是午后),两组试验模拟的风速均大于观测值.MYJ 试验较YSU模拟的白天风速偏小,更接近于实况.为检验不同PBL参数化方案对地面PM2.5浓度的模拟效果,利用太原城区空气质量监测国控站点数据,与YSU、MYJ试验得到的模拟结果进行对比(图6).由图6可以看出,YSU、MYJ 2组试验均可以模拟出地面PM2.5浓度的日变化特征:日出后10:00前后PM2.5浓度达到最大,之后快速下降,午后在15:00前后PM2.5浓度达到最小,夜间20:00后PM2.5浓度达到次峰值,整体来看,地面PM2.5浓度夜间高于白天.由于对边界层湍流混合的描述不同,即使在相同的排放强度和地表参数情形下,边界层过程的差异也会导致两组试验对PM2.5浓度的模拟结果存在显著差异,因此,地面PM2.5浓度的模拟与边界层参数化方案敏感.2组试验对夜间PM2.5浓度的模拟结果较好,10:00前后偏高,而在15:00前后均偏低,这可能与午后模拟的地面风速偏大有关.2组试验对比,夜间YSU方案较MYJ方案模拟的地面PM2.5浓度偏高,而白天(主要在10:00~18:00)YSU方案则相对偏低.由表5可见,2组试验在污染水平较高时模拟的相对偏差较小(夜间15%~18%),而在污染水平较低时模拟的相对偏差较大(白天24%~26%),可能与排放源空间分布、排放时间等的不确定性有关;MYJ方案模拟的地面PM2.5浓度误差相对较小,日变化规律与实况更为接近.边界层的厚度随时间而变,白天大气边界层可分为近地面层、混合层和夹卷层,而夜间大气边界层可分为近地面层、稳定边界层和残留层.YSU与MYJ试验模拟逆温层的差异,可以解释夜间地面PM2.5浓度的模拟差异.04:00(图8),YSU试验模拟的接地逆温层厚度约为187m,较MYJ试验明显偏低,2组试验模拟的逆温层强度相当,均为-1.5℃左右,300m以上温度廓线趋于一致.两组试验模拟得到的PM2.5浓度廓线的差异主要体现在近地面层,04:00城区地面PM2.5浓度的平均偏差达到25μg/m3以上,而在逆温层以上(地面300m以上),两组试验的模拟结果趋于一致.综合地面温度、风速等的模拟结果,相对于YSU试验, MYJ试验得到的夜间地面温度较低,贴地逆温层厚度增加约70m,地面PM2.5浓度降低约25μg/m3.因此,在相同的排放强度下,夜间地面PM2.5的浓度与近地面逆温层的厚度有密切的关系.城市夜间上空,由于逆温层的形成,导致近地面气团与上层空气隔绝,PM2.5主要集聚在逆温层内.在相同的排放强度下,逆温层厚度越厚,地面PM2.5越低.由不同边界层方案带来的夜间逆温层厚度差异,可以给城区近地面PM2.5浓度带来50~100μg/m3的巨大差异(图9).尽管模式选用的排放源原始数据的水平分辨率只有0.25°,但随着模式分辨率的提高,以及城市地表和边界层过程在模式中精细化模拟,WRF- Chem模式仍然可以反映出PM2.5在城市范围内聚集的特征.YSU与MYJ试验模拟混合层的差异,可以解释边界层过程对午后PM2.5浓度的影响.由图10可见,15:00YSU试验模拟得到的混合层顶高度达到346m,较MYJ试验显著偏高.YSU方案中边界层高度由位温廓线来确定,MYJ方案则是根据湍流动能的廓线来确定边界层高度.YSU方案在白天得到的混合层顶高度较高,这说明在午后不稳定层结下,非局地闭合YSU方案较局地闭合MYJ方案湍流交换偏强.分析原因,在于非局地方案考虑了由地面热通量引起的次网格尺度的湍流混合,加强了边界层整层的湍流混合,位温廓线趋于更不稳定;而局地闭合的MYJ方案仅考虑模式垂直相邻层之间的湍流交换,湍流交换强度和速率较弱,模拟得到的混合层高度较低.不同边界层方案导致的混合层高度差异,与以往的有关观测和数值模拟得到的结论保持一致[1-2,10,18].日出后地表吸收太阳辐射导致自由对流发展,混合层的发展有利于PM2.5的垂直扩散.2组试验模拟得到PM2.5存在偏差,300m以下MYJ方案浓度偏强,300m以上YSU方案浓度偏强.这是因为,相对于YSU方案,午后MYJ方案得到的混合层顶高度下降约90m,混合层减弱,不利于PM2.5的垂直扩散,导致地面模拟浓度升高.另一方面,MYJ方案模拟的城区风速较弱,MYJ较YSU方案午后地面风速的减弱区与城市分布区域基本重合(图11),因此,MYJ方案能更好反映出地表摩擦过程(如建筑物等)对风速的影响.综合地面风速、垂直混合等因素,MYJ边界层方案在冬季静稳天气背景下,午后地面PM2.5的模拟结果优于YSU方案.由于太原地区缺乏边界层内PM2.5浓度的垂直观测,参照华北区域其他城市冬季PM2.5浓度的垂直分布特征对模式的模拟效果进行简单评估[34].与北京冬季夜间PM2.5浓度垂直观测结果类似,太原冬季夜间PM2.5浓度随高度增加而呈对数递减,100m高度质量浓度衰减幅度约为28%,240m高度质量浓度衰减幅度约为44%.与北京气象铁塔的观测数据一致,太原冬季白天PM2.5浓度与高度间的相关性较差,100m高度质量浓度衰减幅度约为5%,地面以上240m高度内PM2.5浓度垂直分布较夜间均匀.因此,太原城区上空PM2.5浓度的日变化规律,一是与人为活动带来排放强度的日变化规律有关,二是由边界层内气象条件的日变化规律引起的.由不同边界层参数化方案带来的夜间近地面逆温层厚度的模拟差异以及白天混合层高度、地面风速等的模拟差异,可以导致边界层内PM2.5模拟浓度的显著差异.试验结果体现出城区风速减弱的事实,但模式模拟风速仍偏大,在白天偏大更为突出.这是由于虽然在陆面过程中耦合单层城市冠层模式,并对城市下垫面进行修正,但模式对城市特征的描述仍较为简单,不能细致描述城市冠层内部的能量交换以及建筑物高度、分布密度等对近地面气象要素的影响.午后模拟的地面风速偏大,有利于污染物的水平扩散,导致地面PM2.5浓度模拟偏低.此外,模式模拟的地面PM2.5浓度偏低,可能还与边界层结构与大气污染物浓度变化的正反馈机制有关.近地层的气溶胶的散射和吸收可以减少到达地面的太阳辐射,降低地表温度,而边界层上层升温,可以导致近地层大气稳定度增加,有利于污染物的进一步累积.近地层逆温模拟偏弱,主要体现在地面温度模拟较实况偏高,即模式中近地层气溶胶散射和吸收作用模拟较弱,地表降温有限,从而影响到近地层中PM2.5的积聚效果,导致地面PM2.5浓度模拟产生误差.本研究结果适用于与冬季稳定边界层相伴随的重污染天气情形.受边界层内垂直观测资料缺乏的制约,特别是缺乏与气象观测同步加密的空气污染物垂直探空资料,对于不同季节复杂气象条件下的不同边界层方案对污染物扩散的影响还有待于今后进一步的研究.5.1 WRF-Chem模式提供的2种边界层方案(YSU和MYJ)均能较好模拟出冬季静稳天气背景下地面温度、地面风速及地面PM2.5浓度的空间分布和日变化特征.但2组方案对夜间气温模拟均偏高,白天风速模拟均偏大,午后地面PM2.5浓度模拟偏低.5.2 相对于YSU方案,局地MYJ方案模拟的夜间温度偏低,白天风场偏弱,PM2.5模拟的偏差更小,模拟结果更接近于实况观测.这表明,在高分辨率情况下,湍流的高阶闭合方案能够更加合理地描述边界层内的热量和动量的混合输送特征.5.3 不同边界层参数化方案导致的边界层内热力层结和湍流输送的模拟差异,可能是影响近地面PM2.5模拟差异的主要原因.近地面PM2.5模拟浓度的分布差异,夜间主要受近地面逆温层厚度影响,白天主要受混合层强度和地面风速等影响.。
多年冻土区青藏公路路基边界温度及计算模型研究
多年冻土区青藏公路路基边界温度及计算模型研究
易鑫;胡达;喻文兵;刘伟博
【期刊名称】《冰川冻土》
【年(卷),期】2017(39)2
【摘要】温度边界是冻土工程模拟中重要的边界条件之一。
依据青藏公路多年冻土段不同走向路基断面表层温度的连续观测数据,分析了青藏工程走廊内路基实测的边界温度特征。
结果表明:走向为W8°S的断面阴阳坡温差最大为5.81℃,走向为W34°S的断面坡面温差为5.68℃,走向为W86°S度的断面坡面温差为1.38℃,说明高原上无论路基走向如何,路基两侧坡面都存在温度差异,因此,两侧必须采取差异设计,以减少路基温度的不对称。
同时,根据路基接收太阳能辐射反演路面及边坡表面温度,提出了工程热边界的简化计算模型,并将模型计算结果与实测数据进行对比,两者吻合较好。
【总页数】7页(P336-342)
【作者】易鑫;胡达;喻文兵;刘伟博
【作者单位】中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】U416.168
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条件通常统一体现为土层地表温度随时间变化的第 一类边界条件；岩性热参数根据土层的物理性质适 当选取；下边界条件一般采用恒定地热流形式的第 二类边界条件．本数值模型在已有研究 界条件进行热传导数值计算． １ ． １ 一维传热控制方程 由一维传热理论，根据能量平衡和温度连续， 考虑土体中水分发生相变情况，建立数学物理方程 （ １ ）～ （ ５ ） ，采用有限元方法进行数值计算．
４期
曹元兵等：上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的影响分析 Ｔ ｆ λ ｆ ｘ Ｔ （ ｘ ， ｔ ） ｆ －Ｃ ｕ
ｘ ＝ ξ
８ ０ ３ ｄ ξ ＝Ｌ （ Ｗ －Ｗｕ） （ ３ ） γ ｄ ｄ ｔ ＝Ｔ ，λ ｃ ｕ Ｔ ｆ ｔ ＝ｑ
ｘ ＝ Ｈ
化改变了地表上边界条件，所计算结果也就反映了 这种上边界条件突然改变后所导致的冻土温度场的 变化．实际情况是气候总是处于不断的变化中，也 就从未给地层表面提供过所谓的稳定的上边界条 件．若不考虑人为影响，现在的多年冻土温度场实 际上处于对不断变化的气候条件的某个响应状态， 或处于升温阶段、或处于降温阶段，在不同深度其 变化趋势也不尽相同．由于热传导过程沿土层深度 的滞后性和衰减性，冻土温度对越早期的气候变化 的响应信号越弱，且响应信号出现在冻土层的位置 也越深．相反，近期的气候变化则会对浅层的冻土 温度场产生相对明显的影响． 因此，当研究所关注 的冻土层较浅时，过去几十年的气候变化对冻土地 温场的影响不容忽视，尤其对于地温较高、厚度较 薄的多年冻土层，其温度场的变化直接反映了多年 冻土的消失过程．本文拟针对气候变化对多年冻土 地温场的影响，探讨考虑几十年尺度的历史气候变 化对现有多年冻土地温场及未来变化趋势的影响． 在数值模拟计算中则表现为数值模型中对上边界条 件的不同设定对计算结果的影响方面的探讨，分析 结果可为数值模拟方法预测未来冻土变化趋势提供 参考．
０ａ 多年冻土区为例，近半个世纪以来，特别是近 ３ 来，先后修建了青康公路、青藏公路、青藏铁路及 沿线通信、输变电、输油管线等重大工程． 这些已 经修建和正在规划中的重大工程构筑物的稳定性很 大程度上都依赖于其下伏多年冻土的热稳定性．下 伏多年冻土的热稳定性改变主要受两方面的影响： 其一，人类工程构筑物对地表热交换条件的改变， 通常都导致热交换向着土层吸热的方向发展；其 二，全球气候变化对整个大区域多年冻土区地气热
上边界条件对多年冻土地温场１ １ 曹元兵 ， 盛 煜 ， 吴吉春 ， 李 静 ， 宁作君 ， １ ， ２ １ ， ２ １ ， ２ 胡晓莹 ， 冯子亮 ， 王生廷 （ １ ． ３ ０ ０ ０ ０ ； 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 ７ ２ ． ０ ０ ０ ４ ９ ） 中国科学院大学 资源与环境学院，北京 １
基础上
通过建立物理模型、几何模型、相变分析和上下边
(
)
(
)
（ １ ）
４ ５
Ｔ （ ０ ， ｔ ） ＝ｆ （ ｔ ） ，Ｔ （ ｘ ， ０ ） ＝ｇ （ ｘ ） ， Ｔ （ ｘ ， ｔ ）｜ （ ｘ ， ｔ ）｜ ｆ ｘ ＝ ｕ ｘ ＝ ｃ ξ ＝Ｔ ξ ＝Ｔ （ ２ ）
６
冰 川 冻 土 ８ ０ ４ 表 ２ 各层岩土体的物理参数 Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ２ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｒ ｏ ｃ ｋｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｕ ｍ
－ １ ３ ３ ４ ． ５ ６ｋ Ｊ ·ｋ ｇ ．
１ ． ２ 几何模型 研究范围为天然地表以下的土体，忽略地表起 伏等因素，可近似为半无限大三维实体． 假设在地 表下同一深度温度相同，则几何模型可简化为一维 ０ ０ｍ． 模型．根据研究目的，拟定深度为 １ １ ． ３ 物理模型 ０ ０ｍ 深度钻孔编录 根据野外钻探玛多县附近 １ 资料整理，钻孔岩性分层 （ 深度取整 ） 及含水 （ 冰） ，物 理 参 数 （ 量见表 １ 容 重、质 量 热 容 （ 融、冻 状 、导热（ ． 态） 融、冻状态） 系数） 取值见表 ２ １ ． ４ 相变分析 相变分析时通过定义材料随温度变化的焓值来 考虑潜热．焓值的计算公式：
０ 引言
１ ５× 我国 多 年 冻 土 分 布 广 泛， 总 面 积 约 ２ ２ １ ０ｋ ｍ ，占国土面积的 ２ ２ ． ４ ％，其中，分布在青藏
４ ４ ２ １ ］ ５ ０× １ ０ ｋ ｍ ，占约 ７ ０ ％［ ．随着经济发 高原约有 １ 展，多年冻土区的人类活动日益活跃，以青藏高原
交换条件的改变．这两方面的问题前人都做了大量 ［ ２ － ６ ］ ，在应用数值模拟手段对未来多年 的研究工作 冻土温度场的变化趋势的预测方面也已经在诸多相 ［ ７ － ８ ］ ．在开展数值模拟计算 关冻土研究中得以开展 研究中，多年冻土层的初始温度场以及上边界条件 （ 即地表热交换边界条件 ） 直接决定着最终的计算 结果．现有数值模拟计算中，多年冻土层的初始温 度场多 采 用 恒 温 上 边 界 条 件 进 行 初 始 条 件 的 计 ［ ９ ］ 算 ，直至数百年当土层温度场达到稳定后作为计 算问题的初始条件，然后赋予相应的上边界条件开 始正式计算，如考虑选取气候变化情景下的升温速 如路面等） 的温度差异等．这种 率、考虑工程界面（ 计算实际上相当于假定现有多年冻土温度场是在之 前数百年一直处于恒定的地气热交换条件下所决定 的稳定状态，然后从现在起由于工程活动或气候变
岩性 含砾粉质土 砂砾石土 粉质黏土 粉细砂 含砾细砂 粗砂 γ ｄ ／ （ ｋ ｇ ·ｍ ） １６ ０ ０ １８ ０ ０ １４ ０ ０ １４ ０ ０ １４ ０ ０ １６ ０ ０
－ ３
３ ６卷
Ｃ ｕ ／ （ Ｊ ·ｋ ｇ ·℃ １８ ８ １ ． ９ １２ ５ ４ ． ６ １４ ６ ４ ． １ １４ ６ ４ ． １ １６ ７ ３ ． ６ １２ ５ ４ ． ６
收稿日期： ２ ０ １ ４ ０ ３ ０ ３ ；修订日期： ２ ０ １ ４ ０ ６ １ １ 基金项目：中国科学院重点部署项目（ Ｋ Ｚ Ｚ Ｄ Ｅ Ｗ １ ３ ） 资助 作者简介：曹元兵（ １ ９ ８ ６－ ） ，男，河南信阳人， ２ ０ １ ０年毕业于中国矿业大学，现为博士研究生，主要从事岩土工程及冻土工程方面的研 ｍ ａ ｉ ｌ ：ｃ ａ ｏ ｙ ｂ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ 究．Ｅ 通讯作者：盛煜，Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ＠ｌ ｚ ｂ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ
摘
要：以玛多地区多年冻土为背景，建立多年冻土地温场的数值计算模型，以不同的方式考虑近
６ ０ａ来的气温变化构成不同的上边界条件，通过模型计算分析不同上边界条件下的不同时期温度场、 ０ａ ０ａ 未来冻土退化特征．结果表明：在上边界条件中采用气象站实测近 ６ 波动温度值和采用近 ６ 平均 ０ ０ａ 恒定值时，浅层冻土地温差异明显，且越浅层地温与越近时间的上边界条件相关． 预测未来 １ 冻 ０ａ 波动温度值对冻土 土地温变化趋势发现，相同升温速率和升温初始温度条件下，上边界采用实测 ６ ５年提前到约 退化过程影响较小；升温初始温度值提高到与趋势线衔接后，冻土退化起始时间从约第 ４ ０年； ６ ０ａ 第２ 实测温度和升温初始温度值均提高到与其初始温度场上边界条件衔接后，冻土退化起始 ０年提前到约第 １ ５年；冻土退化从开始到完全退化经历时间为 ２ ５ａ 时间从约第 ２ 左右． 关键词：多年冻土；地温；数值模拟；上边界条件；冻土退化 ６ ４ ２ ． １ ４ 中图分类号：Ｐ 文献标识码：Ａ １ ０ ０ ０ ０ ２ ４ ０ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ４ ０ ８ ０ ２ ０ ９ 文章编号：
６卷 第 ４期 第３ ２ ０ １ ４年 ８月
冰 川 冻 土
Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ ＬＯ ＦＧ Ｌ Ａ Ｃ Ｉ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ ＹＡ Ｎ ＤＧ Ｅ Ｏ Ｃ Ｒ Ｙ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６ ， Ｎ ｏ ． ４ Ａ ｕ ｇ ． ， ２ ０ １ ４
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ７ ５ ２ ２ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ ０ ２ ４ ０ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ０ ９ ６ Ｃ ａ ｏＹ ｕ ａ ｎ ｂ ｉ ｎ ｇ ，Ｓ ｈ ｅ ｎ ｇＹ ｕ ，ＷｕＪ ｉ ｃ ｈ ｕ ｎ ，ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｕ ｐ ｐ ｅ ｒ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｎｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｉ ｎｐ ｅ ｒ ｍ ａ ｆ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ｓ ［ Ｊ ］ ． Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｇ ｌ ａ ｃ ｉ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙａ ｎ ｄＧ ｅ ｏ ｃ ｒ ｙ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， ２ ０ １ ４ ， ３ ６ （ ４ ） ： ８ ０ ２－ ８ １ ０ ．［ 曹元兵，盛煜，吴吉春，等．上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的 Ｊ ］ ．冰川冻土， ２ ０ １ ４ ， ３ ６ （ ４ ） ： ８ ０ ２－ ８ １ ０ ． ］ 影响分析［
Ｔ ｕ ｔ
ｘ ＝ ξ
ｘ ＝ ξ ｄ
＝Ｔ （ ｘ ， ｔ ） ｕ
ｘ ＝ ξ ｄ
（ ４ ） Ｔ ｆ λ ｆ ｘ －λ ｕ
ｘ ＝ ξ ｄ
Ｔ ｕ ｔ
ｘ ＝ ξ ｄ
ｄ ξ ＝Ｌ （ Ｗ －Ｗｕ） （ ５ ） γ ｄ ｄ ｔ
Ｗ· 式 中：λ ｆ和 λ ｕ 为 冻、 融 土 的 导 热 系 数 （ ｍ－１ ·℃ －１） ；Ｃ ｆ和 Ｃ ｕ 为 冻、 融 土 的 热 容 量 （ ｋ Ｊ ·ｍ－３·℃ －１） ；γ ｋ ｇ · ｍ－３） ； ｄ为 岩 土 干 容 重 （ Ｔ ℃） ；Ｔ 和Ｔ 为冻土和融土取的温度（ 为土冻结温 ｆ ｕ ｃ ℃） ；Ｗ 和 Ｗｕ为地层内的含水量和未冻水含量 度（ （ ％） ；ｘ ｍ，ｓ ） ；Ｈ 为计算 和ｔ 为空间和时间变量 （ ｍ） ；ξ ｍ） ； 区域下边界 （ 为冻和融土间的相界面 （ ｍ） ；Ｌ为水的相变潜热，取 Ｌ＝ ξ 为多年冻土下限（ ｄ