土壤冻土在线监测

方案介绍

本方案针对冻土区（包括季节性冻土和永久冻土）中土壤温度、水分、冻结状态和热通量的动态变化进行长期在线监测。系统通过多点温度传感器、冻融状态识别探头和数据采集器，实现对冻土层的实时监控，服务于气候变化研究、基础设施安全保障、生态环境保护等领域。

监测目标

连续监测不同深度土壤的温度变化

掌握土壤冻融动态过程及其时空分布特征

评估活动层厚度与永久冻土界面的年际变化

为冻土对工程结构影响评估和生态建模提供基础数据

需求分析

系统能在极寒、高原或高纬度环境中长期稳定运行

具备多层次土壤温度与水分监测能力

数据传输远程化、自动化，便于平台化管理

可识别冻结/解冻状态及冰-水转变特征

系统低功耗，支持独立太阳能供电

监测方法

采用埋设式温度传感链、水分/冻结识别传感器、热通量板等，布设在不同土层深度，实现对土壤冻结过程、活动层厚度变化等的连续监测，数据通过采集器上传至服务器平台进行分析。

应用原理

冻土监测基于热传导、介电常数变化和相变原理，利用传感器测量土壤在冻结和解冻过程中温度、水分、电导率的变化。冻结状态下介电常数下降，传感器可判别冻结层界面与厚度。

功能特点

多层温度剖面数据采集（通常为0–5 m）

实时识别冻融界面和状态变化

具备土壤水分、电导率监测功能

系统防寒抗冻、自动加热保护电路

支持远程监控、数据导出与趋势分析

可扩展雪深、地表温度、气象参数同步监测

硬件清单

多点土壤温度传感器链（10–30点）

土壤水分/冻结状态传感器

数据采集器（含SD卡存储、通信模块）

土壤热通量板（可选）

地表红外温度传感器（可选）

通讯模块（4G/LoRa/北斗短报文）

太阳能供电系统+蓄电池

仪器防护箱、防冻套管和支架系统

硬件参数（量程、精度）

温度量程：-50℃～+50℃，精度：±0.1～0.3℃

水分监测范围：0～100% VWC，精度：±2–3%

冻融识别误差：±2 cm（界面层）

热通量量程：±200 W/m²，精度：±5%

通信方式：RS485/4G/NB-IoT/LoRa

电源：太阳能板40–80W，蓄电池容量≥40Ah

方案实现

选择代表性冻土区或工程区，钻孔埋设温度链，按20–50 cm间隔布设温度点，部分点位配套水分与冻结状态传感器。数据采集系统周期采样，实时上传至云平台，通过软件进行数据可视化与历史趋势分析。

数据分析

活动层厚度年际变化曲线

冻融过程温度-时间剖面图

冻融循环频次与持续时间统计

冻融界面深度变化与气候因子相关性分析

基于热通量与温度差估算土壤热传导率

预警决策

冻融临界温度报警，防止地基结构受损

活动层过厚预警，提示生态系统潜在风险

快速冻融循环识别，预警道路滑坡或塌陷风险

为建设项目提供冻土稳定性判断依据

方案优点

系统可靠性高，可长期野外无人值守运行

多参数集成，全面反映土壤冻融动态过程

可部署于高寒、高海拔、极端气候区域

自动化程度高，适合科研与工程同步应用

可与气象、植被、地质等数据集成建模分析

应用领域

高寒/高原冻土区气候变化监测

工程地质环境安全评估（道路、铁路、管道）

冻土对森林、湿地生态系统的影响研究

北方农业区耕层冻融周期监控

国家重点生态功能区环境评估与预警

高原城市地基冻胀监控与治理评估

效益分析

为冻土区基础设施建设提供风险评估数据支撑

减少因冻融引起的道路、管网等破坏风险

支持区域生态监测与气候变化响应研究

提升边远高原区环境自动化观测能力

服务国家重大工程与边境监测任务

国标规范

GB/T 21139-2007《季节性冻土地区建筑地基设计规范》

GB 50040-2019《建筑地基基础设计规范》

GB/T 31711-2015《土壤温度测定方法》

LY/T 2223-2013《森林冻土生态监测方法》

JTG E40-2007《公路路基设计规范》

参考文献

Cheng, G., & Wu, T. (2007). Responses of permafrost to climate change and their environmental significance.

吴青柏等.《冻土工程》. 科学出版社

Zhang T. et al. (2005). Frozen ground monitoring and modeling in China.

李华钟等.《中国冻土监测技术与应用》. 高等教育出版社

案例分享

案例1：青藏铁路冻土段部署深层温度链系统，动态监控多年冻土活动层厚度变化，为路基稳定性评估提供支撑。

案例2：黑龙江某寒温带林区部署土壤冻结在线监测系统，结合生态监测评估林地冻融对碳释放影响。

案例3：甘肃玛曲高寒草原冻土监测点实现无人值守运行4年以上，数据支撑国家气候变化响应评估项目。