在季节冻土区,气候、地形地貌、土壤结构等多种因素都会对浅层非饱和土壤内部的水热运移过程产生影响,所以呈现出的现象和机理都极其复杂。近些年来在国内外学者的努力下,有关季节冻土冻融过程及其在冻融期水热运移方面的研究取得了长足发展,但是这些研究多集中于山西、内蒙古、东北和新疆等地区,专门针对黄土高原开展的相关研究较为缺乏。同时,季节冻土区浅层土壤冻融过程中的水热运移与外界的气候变化密切相关,但现有研究对于季节冻土区非饱和土冻融过程中水分和温度相互作用、降雨对于土体水热运移的影响机制及未来暖湿化背景下土壤水热响应预测等方面涉及较少,亟需完善。本文选取位于黄土高原的渭河流域西部黄土丘陵沟壑区为主要工作区,通过布设野外监测点进行实地观测,展开气象因子对浅层土壤冻融过程与水热运移过程及机理的影响研究,分析了气候作用下浅层非饱和土在冻融及干湿循环过程中水热运移变化规律和温度与水分相互作用机理。基于传热学以及非饱和土渗流理论,以温度和水分作为基本变量,并且结合能量守恒方程和质量守恒方程,建立了考虑水分相变、水分对流传热和水汽扩散潜热的水-汽-热耦合运移模型。在制定参数化方案的基础上利用有限元软件对其进行求解,通过研究区实测数据对模型的合理性进行了验证,并基于此模型预测了在未来暖化和湿化两种气候模式下季节性冻土区土壤中的水热变化规律,研究成果以期为季节冻土区的岩土工程设计和防灾减灾提供理论支持,也可望为黄土高原的工程设计与施工提供新的思路和方法。主要结论如下:1.气温对浅层土壤的影响比较显著,各深度处地温的变化均滞后于气温,而随着土壤深度的增加,这种滞后表现的越明显。冻融过程中温度与含水量呈现出一种耦合特征,变化趋势基本保持一致,土壤中温度的改变将会导致含水量的再分布,且含水量的变化同样具有滞后性,深度越大,这种滞后性越明显。2.土壤含水量随着深度增加呈现出“低-高-低”的变化趋势,在120 cm深度处形成一个“富水区”,但是随着深度继续增加时,土壤含水量开始逐渐减小。短期降雨只是影响浅层土壤的温度及含水量,且会在局部范围内打破温度及含水量的耦合特征,使其呈现出一种相反的变化趋势,但深层土壤温度及含水量在短期内不会受到降雨的影响。3.降雨前后短期内土壤内部30~90 cm范围内的温度没有出现大的波动,温度升高及降低幅度都比较平缓,地温的剧烈变化主要表现在表层0~30 cm内。浅层土壤含水量在时间序列上呈现出由低到快速升高再到迅速下降的变化方式;该过程在浅层土壤中比较剧烈,持续时间也较短,而随着土壤深度的增加,剧烈程度会逐渐减小,持续时间也会变得越来越长,且在时间上也出现一定程度的延迟。4.气温升高会降低土壤的含水量,使得与温度梯度相关的水分分量增加,与水势梯度相关的水分分量降低,而水势梯度水汽通量对于水分运移的影响可以忽略不计;升温对于温度场的影响要显著大于水分场,影响的范围也更深;气温升高时,土壤中的热传导通量、水汽扩散潜热和水汽对流热通量都会增加,而液态水对流热通量会减少。热传导在土壤能量传递中占主导地位,但是处于暖季时其他能量分量也相当可观,在进行能量传递分析时应予以考虑。5.年降雨量增加会使得土壤温度降低,内部含水量小幅度增加,对于液态水对流的影响要比水汽大。湿化会导致地表处土壤热通量减小,内部土壤热传导通量、水汽对流热通量、水汽扩散潜热均发生减小,而液态水对流热通量将会增加,且降雨增加导致的热传导通量减小量相比液态水对流热通量增加值要大;降雨增加对于水分运移和能量传递的影响均随土壤深度的增加而逐渐减小。