摘要
我国季节冻土分布十分广泛，占全国土地面积53.5%。季节冻土的冻胀和融沉作用常导致管线、铁路、公路、水利水电工程等基础设施出现显著不均匀沉降、地基承载力下降等问题，对地区建筑结构和基础设施造成严重安全隐患。其中，冻胀作用会导致地面和基础设施产生不均匀的提升，进而引发裂缝、变形等结构问题，极易损害水坝、渠道、边坡等水利工程设施，降低其安全性能。融沉作用则会导致地面和工程设施出现沉降，从而引起结构裂缝、倾斜甚至坍塌，对水利设施的运行安全造成严重威胁。季节冻土水热盐动态变化直接影响着季节冻土冻胀和融沉，土壤的温度、水分和盐分等因素的周期性变化也对区域生态环境的气候和水文条件产生影响。基于此，本文以哈尔滨地区季节冻土作为研究对象，应用HydraProbe土壤传感器进行土壤数据监测试验，结合地区气温要素分析季节冻土冻融过程及特点，探究哈尔滨地区季节冻土温度、水分和盐分动态变化规律，量化冻融土壤水热盐动态变化关系，进行相关分析和拟合运算，主要研究结论如下： (1)结合室内试验和现场监测试验研究了季节冻土冻融过程及其与气温变化的关系，明晰了季节冻土冻融过程的动态特性及其阶段性变化规律；探究了土壤冻结深度与负积温之间的相关关系，并揭示了土壤冻融速率随时间和空间变化的规律性。结果表明：哈尔滨地区季节冻土冻融过程特点为单向冻结、双向融化，冻结深度随负积温增大而增大，土壤冻结速率随气温的降低而增大，融化速率高于冻结速率，由上至下的融化速率显著高于由下至上的融化速率。 (2)基于哈尔滨地区季节冻土土壤水热盐现场监测数据分析，研究了不同深度下土壤温度、液态体积含水量和盐分的动态变化规律。探究了分层土壤温度与气温的相关性，并揭示了土壤温度对气温变化的响应具有明显的层次性差异；明晰了季节冻土冻融过程中土壤体积含水量时空变异特征；揭示了季节冻土快速冻结期、稳定冻结期和双向融化期盐分时空分布规律，量化了分层土壤盐分的相关关系。 (3)基于土壤体积含水量与温度的相关性分析，建立了土壤水热耦合关系，通过拟合曲线和相关性分析，得出土壤水热耦合关系在不同土壤深度下的差异，揭示了冻融过程中土壤体积含水量与温度变化之间存在的密切关联性。结果表明：冻结阶段，5~105cm深度体积含水量与土壤温度之间呈指数函数规律下降；融化阶段，土壤温度为负温时，5~105cm深度土壤体积含水量与温度之间呈线性上升趋势，土壤温度为正温时，二者呈指数函数规律上升。 (4)使用土壤电导率表征土壤盐分含量，基于现场监测数据，研究了不同阶段和不同深度土壤电导率的变化规律，掌握了土壤盐分随冻融过程的动态变化情况。探究了土壤电导率与体积含水量之间的变异程度，分析冻融土壤水盐运移特征以及不同深度土壤水盐关系的线性拟合情况。此外，本研究运用多元线性回归及BP神经网络对冻融过程中的土壤盐分进行模拟，构建了不同深度土壤电导率预测模型。结果表明：冻结阶段季节冻土表现为脱盐状态，融化阶段表现为积盐状态。土壤含水量与电导率之间的变化趋势具有一致性，土壤电导率的空间变异性大于体积含水量的空间变异性。BP神经网络模型在模拟冻融过程中土壤盐分含量时，相较于多元线性回归模型，展现出更高的模拟精度和更强的泛化能力。
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