双频热脉冲-频域反射技术测定冻土水热特性

Accurate measurement of frozen soil hydraulic and thermal properties (e.g., unfrozen water/ice content, volumetric heat capacity, thermal conductivity, and thermal diffusivity) is the key for coupled water flow and heat transport. The heat pulse-time domain reflectometry (thermo-TDR) is the only method for automated and continuous measurement of hydraulic and thermal properties of unfrozen soils. However, application of heat pulse method in frozen soils between -5 to 0ºC is limited by the data analysis strategies that are used to estimate thermal properties, because water redistribution and heat pulse-induced ice melting violate the assumption of commonly employed heat pulse theory. In addition, TDR cannot be used to accurately measure soil water content due to its short physical length (≤ 4cm). In this project, we introduce the dual-frequency domain reflectometry (FDR), which is not limited by the probe dimension, to measure liquid water and ice content. The heat pulse-FDR (thermo-FDR) and ice melting quantification approach will be integrated; and a series of comprehensive and indepth lab experiments and numerical simulations with equivalent layered medium will be conducted to understand the factors and mechanisms affecting the application of heat pulse method in frozen soils. Optimal data analysis strategies will be developed for estimating frozen soil thermal properties between -5 to 0ºC. This project will enable the accurate measurement of frozen soil hydraulic and thermal properties, advance studies pertaining to frozen soil water flow and heat transport, and lay a solid technical and theoretical foundation for engineering in cold regions and studies of land-atmosphere interactions, cryospheric ecology and environment, and climate change.

冻土水热特性的准确测定是水热耦合传输研究的关键。Thermo-TDR是目前唯一能连续定位测定土壤水热特性的技术，但由于受水分迁移、相变潜热的影响和探针长度（≤4cm）等因素的限制，传统热脉冲方法无法准确测定-5ºC至0ºC区间的冻土热性质，TDR方法不能准确测定土壤含水/冰量，严重制约了thermo-TDR在冻土研究中的应用。本研究拟采用不受探针尺寸限制的频域反射技术（FDR），利用两种频率同时测定冻土中的液态水和冰含量。结合双频FDR和热脉冲（thermo-FDR）及量化融冰量，通过实验验证及等效双层介质数值模拟分析等方法，明确影响热脉冲测定冻土热特性的主要因子及其机制，建立一种准确计算-5ºC至0ºC区间冻土热特性的新方法。本项目的实施将实现利用双频thermo-FDR准确测定冻土水热特性，促进水热耦合传输研究的发展，为寒区工程建设、生态环境研究提供重要的科学参考和理论依据。

冻土的水热特性影响土壤的物理、化学和生物过程及植物/作物的生长发育状况，对陆地与大气的水分能量交换、地表径流和陆面水文的循环起着重要的调节作用。然而，由于现有热传导方程解析解未考虑相变潜热的影响，基于该解析解的热脉冲技术无法准确获取-5到0ºC区间冻结土壤的热特性，影响冻结土壤水热特性的测定和模拟。本研究结合实验和数值模拟系统研究了不同温度背景下，热脉冲放热特征对冰和冻土热特性的影响，一定程度上推进了热脉冲方法在-5到0ºC区间的测定精度，厘清了土壤冻结过程中热导率由冻结初始含水量、冻结温度及土壤质地影响的机制，纠正了传统冻土热导率假定土壤是饱和且完全冻结的认识误区。同时，构建了首个涵盖世界主要土壤类型的热导率数据库，并基于此对现有热导率模型进行了系统评估，并建立了适用范围更广、精度更高的预测模型。此外，探明了不合理的热导率模型选用是不同尺度土壤水热过程及陆地-大气之间水热交互模拟误差的主要因素，为促进水热耦合传输研究的发展，开展工程建设、生态环境研究，深入理解复杂地球系统过程并提高气候变化模拟和预测精度提供了科学参考和理论依据。未来需加强推进冻土传热传质及水热力耦合的理论创新和完善，以便进一步提升冻土物理特性的测量、模拟和预测精度。.项目研究成果发表论文18篇，其中SCI收录论文16篇（包括中科院大类一区论文9篇，11篇为第一标注，单篇最高影响因子12）、EI收录1篇、中文核心期刊论文1篇；获授权国内和国际专利各2件；获批软件著作权1项。有关冻土热特性测定和研究有力地支撑了“土壤水热特性测定与模拟”项目获得2021年度陕西高等学校科学技术特等奖。项目培养了青年骨干教师3人，其中1人入选了霍英东教育基金会高等院校青年科学奖，中国、美国土壤学会青年学者奖等多项荣誉；联合培养博士研究生3名，其中1人已经博士毕业前往加拿大阿尔伯塔大学开展博士后研究，指导硕士研究生6名，指导本科生14名完成毕业设计。此外，通过线上和线下形式开展了广泛的国际合作和交流，组织土壤物理研讨会2次，在国内外学术会议做报告14次。