冻融层在线监测系统应用方案

项目背景与行业痛点

冻融层是寒区地表与地下环境之间进行水分、热量和物质交换的重要区域。在多年冻土区，活动层通常表现为暖季融化、冷季冻结；在季节冻土区，近地表土体则随季节发生周期性冻结和融化。冻融过程会引起土体温度、水分状态、冰水相态以及工程性质的持续变化，是寒区生态环境研究、冻土工程建设和基础设施安全监测的重要对象。

随着高寒地区公路、铁路、输电线路、油气管道、建筑基础、水利工程以及新能源设施不断建设，冻融环境对工程基础稳定性的影响越来越受到重视。冻融循环可能伴随冻胀、融沉、土体含水状态变化以及地基承载条件改变，因此需要通过长期连续监测掌握冻融层的实际变化过程。

传统人工冻土观测通常存在观测频率有限、连续性不足、偏远地区维护成本高以及难以实时发现异常等问题。尤其是在高海拔、高寒、无人区等环境中，频繁进行人工测量具有较高的人力和交通成本。

另一方面，仅监测单一深度地温也难以准确描述完整冻融过程。冻结和融化通常从地表逐步向地下发展，不同深度的温度、水分以及相态变化存在明显时间差，因此需要建立多深度、多参数、连续化的立体监测体系。

冻融层在线监测系统通过多层地温、土壤水分、冻土状态及可选热通量、气象、雪深等传感器，对冻融层内部不同深度的水热变化进行连续监测，并利用边缘采集终端、无线通信、太阳能供电和云端数据平台，实现冻融过程长期在线观测、自动分析和异常预警。

建设目标与监测目标

建设目标

• 建设长期连续运行的冻融层自动监测系统；
• 建立地下不同深度多参数监测体系；
• 实现冻融层温度、水分及冻融状态连续观测；
• 自动识别冻结和融化过程；
• 分析冻融界面随时间的垂向变化；
• 获取季节最大冻结深度或最大融化深度等特征指标；
• 形成时间—深度—温度连续数据集；
• 形成时间—深度—水分连续数据集；
• 实现地表气象与地下水热环境联合分析；
• 支持多年连续监测和年度变化对比；
• 实现异常冻融变化自动预警；
• 建立多监测站统一管理平台。

核心监测目标

监测目标	主要内容
冻融状态	判断不同深度土层冻结、融化及过渡状态
地温	连续监测不同深度土体温度
土壤水分	监测冻融过程中不同深度水分状态变化
冻融界面	分析冻结或融化界面随时间变化的位置
冻结深度	分析季节性冻结向地下发展的过程
融化深度	分析融化过程及最大融化深度
活动层厚度	多年冻土场景下分析活动层年度变化
地温梯度	分析地下不同深度温度梯度
冻融周期	统计冻结开始、融化开始及持续时间
环境驱动	分析气温、降水、积雪、辐射等因素与冻融变化的关系

需求分析

连续监测需求

冻融过程具有明显的连续性和季节变化特征，因此监测系统需要按照固定时间间隔自动采集，而不能仅依靠人工阶段性测量。

垂向多层监测需求

冻结和融化过程沿垂直方向逐渐发展，因此需要在多个深度设置监测点，建立完整的地下冻融剖面。

水热联合监测需求

冻土变化不仅表现为温度变化，同时涉及土壤水分和水—冰相变，因此高等级监测项目应将地温与土壤水分或冻融状态联合分析。

野外独立供电需求

大量冻土监测区域不存在稳定市电，需要采用太阳能、蓄电池和低功耗设备实现独立运行。

弱通信环境运行需求

高寒偏远地区移动网络可能不稳定，因此现场设备需要具有本地存储、断网持续采集以及网络恢复后历史数据补传能力。

长期可靠运行需求

冻土变化研究通常需要多年连续数据，因此传感器、采集终端、供电系统和数据平台均需要面向长期运行设计。

总体解决方案

冻融层在线监测系统采用“多层地下传感器+环境气象传感器+智能数据采集终端+无线通信+太阳能供电+云端分析平台”的总体技术路线。

在监测区域布设冻融观测剖面，根据项目研究深度，在不同深度设置地温、土壤水分或冻融状态监测点。

地表可进一步配置空气温湿度、降水、太阳辐射、雪深、风速风向等环境监测设备。

现场数据采集终端按照统一时间基准采集全部地下和地表监测数据，在本地完成时间同步、数据存储、质量检查和初步计算，并通过4G、LoRa/LoRaWAN、NB-IoT、以太网或项目适用的其他通信方式上传至远程数据平台。

平台自动形成冻融剖面、温度曲线、水分曲线、时间—深度分布图以及年度变化统计，并根据算法分析冻结、融化及异常变化过程。

整体数据链路：

地下冻融感知 → 多层地温/水分采集 → 边缘数据记录 → 无线通信 → 云端数据库 → 冻融算法 → 可视化分析 → 异常预警 → 决策支撑。

系统架构设计

系统层级	主要组成	主要功能
环境感知层	多点地温、土壤水分、冻土状态、热通量及气象传感器	获取冻融层和地表环境数据
边缘采集层	多通道数据采集器、数据记录仪	自动采集、时间同步、质量检查、本地存储
通信传输层	RS485、LoRa、LoRaWAN、4G、NB-IoT、以太网等	现场组网与远程数据传输
能源保障层	太阳能板、蓄电池、电源管理模块	野外独立持续供电
数据平台层	数据库、GIS、数据服务	监测数据统一存储与管理
智能应用层	冻融算法、趋势分析、异常识别、预警模型	将原始数据转换为冻融状态和决策信息

监测内容与监测方法

监测内容	监测方法	主要目的
多层地温	不同深度布设温度传感器	建立地下温度剖面
冻融状态	温度法或适用的介电特性监测方法	识别土体冻结与融化变化
土壤水分	多层土壤水分传感器	分析冻融水热过程
土壤热通量	热通量传感器	研究土体热量传输
空气温湿度	气象传感器	分析大气环境驱动
降水	雨雪量监测设备	分析水分输入
雪深	非接触式雪深监测	分析积雪隔热作用
太阳辐射	辐射传感器	分析地表能量输入

技术原理与算法模型

多层地温剖面模型

系统在地下设置T1、T2、T3……Tn多个温度监测点。

在任意时刻t，可获得：

T(z1,t)、T(z2,t)、T(z3,t)……T(zn,t)

其中z表示监测深度，T表示对应深度地温。

将同一时刻所有测点按照深度排列，即可构建地下垂向温度剖面。

地温梯度模型

相邻深度之间的地温梯度可表示为：

G = (T₂ - T₁) / (Z₂ - Z₁)

其中G为两测点之间的温度梯度，T₁、T₂为对应温度，Z₁、Z₂为对应深度。

冻融状态识别

对于温度法，可结合连续地温时间序列、土壤类型以及项目冻土判定方法，对冻结、融化和相变过渡过程进行分析。

由于实际土体冻结温度可能受含水量、盐分、土质等因素影响，因此工程应用不宜简单将所有土体统一按照单一0℃阈值进行精确冻融状态判断。

频域反射冻土监测

对于采用频域反射方法的项目，可利用土壤中水—冰相变引起介电特性变化的原理进行冻土状态观测。

这种方式可以与多层地温监测形成互补，提高冻融状态识别能力。

冻融界面分析

系统根据相邻深度监测点的温度、冻融状态以及连续时间变化，确定冻融界面可能所在的深度区间。

如果需要进一步估计界面位置，可采用相邻测点插值方法进行辅助分析，但插值结果属于模型估算，不应替代真实高密度测点观测。

冻结/融化深度模型

系统按照连续时间序列识别不同深度进入冻结或融化状态的时间，并跟踪冻融界面随时间向地下发展的过程。

由此可形成：

日期 → 冻结深度

或：

日期 → 融化深度

的连续变化曲线。

冻融持续时间统计

平台自动记录各深度冻结开始、融化开始及状态持续时间，为年度冻融周期比较提供基础数据。

活动层厚度分析

对于多年冻土区域，可结合暖季最大融化过程分析活动层厚度变化。最终判定应结合项目采用的冻土观测方法、实际测点分辨率和长期观测数据。

系统功能设计

• 多通道冻土地温自动采集；
• 多层土壤水分监测；
• 冻融状态自动识别；
• 冻结深度变化分析；
• 融化深度变化分析；
• 活动层厚度分析；
• 地温梯度计算；
• 多深度曲线对比；
• 冻融剖面自动生成；
• 时间—深度—温度图生成；
• 水热联合分析；
• 气象—冻土关联分析；
• 年度冻融周期统计；
• 异常变化自动报警；
• 设备状态监测；
• 本地数据存储；
• 断网数据续传；
• 远程参数配置；
• 历史数据查询；
• 数据导出与报告生成。

硬件组成与配置方案

设备	配置原则	主要用途
多点地温传感器	按冻融层深度分层配置	垂向地温监测
冻融状态传感器	按项目等级选配	冻结/融化状态识别
多层土壤水分传感器	与典型地温层对应配置	水热联合监测
土壤热通量传感器	科研型项目配置	地下热通量观测
空气温湿度传感器	1套/站	地表气象环境监测
雨雪量传感器	按项目配置	降水输入监测
雪深传感器	高寒积雪区域建议配置	积雪覆盖监测
太阳辐射传感器	科研型站点建议配置	地表辐射能量监测
数据采集记录仪	1套/站	数据采集、处理和本地存储
通信网关	按网络条件配置	远程数据通信
太阳能供电系统	无市电站点配置	独立能源供应
防护机箱	1套/站	保护采集、通信及供电设备

核心设备参数

不同项目所需量程、精度、测点数量、通信方式及防护等级存在差异，最终参数应以实际选用设备规格书为准。方案设计阶段建议重点关注以下指标：

设备	关键选型参数
地温传感器	温度量程、测量精度、长期稳定性、低温适应性、防水性能
冻融传感器	冻融识别原理、测量范围、安装方式、土壤适应性
土壤水分传感器	测量原理、量程、精度、低温及冻土适用性
数据记录仪	输入通道数量、采样周期、本地存储容量、通信接口
通信设备	4G/LoRa/LoRaWAN/NB-IoT/以太网等
太阳能系统	太阳能功率、蓄电池容量、低温充放电性能
现场机箱	防护、防潮、防凝露、耐低温及抗风雪能力

软件平台与数据展示

GIS监测地图

显示所有冻融监测站的位置、设备在线状态和报警状态。

实时监测页面

实时显示各深度地温、土壤水分、冻融状态以及气象环境数据。

地下冻融剖面

按照实际深度绘制地下监测剖面，并显示不同测点当前状态。

深度—温度曲线

显示某一时刻地下温度随深度变化的垂向结构。

时间—温度曲线

查看指定深度地温随时间变化的历史趋势。

多深度曲线叠加

同时显示多个深度地温，用于分析不同深度响应差异。

时间—深度—温度图

通过二维连续图展示全年温度变化向地下传播的过程。

冻融深度曲线

展示冻结或融化界面随日期变化的趋势。

年度对比

对比不同年度相同深度、相同月份或最大冻融深度等指标。

数据分析与智能应用

系统不仅保存原始传感器数据，还可对长期冻融数据进行二次计算和智能分析。

分析内容	输出结果
多层地温分析	地温剖面、趋势曲线
冻融状态分析	冻结、融化及过渡状态
冻融界面分析	界面深度区间及变化趋势
活动层分析	最大融化过程及年度变化
水热耦合分析	温度与水分同步变化关系
年度对比	不同年份冻融周期差异
气象关联分析	气温、积雪、降水等与地下冻融变化关系
工程影响分析	工程区与背景区冻融状态对比

预警机制与决策支撑

对于工程型冻融监测项目，可根据长期背景数据和工程要求建立分级预警机制。

预警类型	判断依据	应用意义
异常升温	指定深度地温持续高于设定条件	识别局部热状态异常
融化深度异常	超过项目历史或工程设定范围	辅助识别冻土退化风险
冻结深度异常	年度冻结过程明显偏离正常范围	分析季节冻融异常
水分异常	指定深度水分出现异常变化	辅助分析冻融水热异常
变化速率异常	地温或冻融界面变化速度异常	识别快速变化事件
设备异常	传感器、供电或通信异常	保证监测系统数据连续性

预警阈值不建议采用所有项目统一固定值，应首先建立现场背景数据，再结合工程类型、地质条件、设计要求和历史变化确定。

项目实施方案

第一阶段：现场调查

调查地形地貌、冻土类型、工程结构、供电条件、通信条件及维护条件。

第二阶段：监测设计

确定监测站数量、钻孔位置、监测深度、测点数量以及传感器类型。

第三阶段：钻孔与传感器安装

按照设计进行钻孔施工，将传感器布设至对应深度，并准确记录测点编号与埋深。

第四阶段：现场设备建设

安装数据采集器、通信网关、防护机箱、太阳能板和蓄电池。

第五阶段：平台建站

建立站点、钻孔和测点档案，将每一个传感器与实际安装深度绑定。

第六阶段：系统调试

检查所有传感器数据、通信、供电、本地存储和平台展示。

第七阶段：试运行

进行连续试运行，检查数据完整率、稳定性和异常报警功能。

第八阶段：正式运行

建立长期数据档案，进入无人值守连续监测阶段。

运维服务保障

维护对象	维护内容
地下传感器	长期检查数据连续性、漂移及异常变化
孔口	检查密封、防水、防冻及机械保护
线缆	检查破损、拉扯及动物破坏
数据采集器	检查采集、存储及时间同步
通信设备	检查在线率和信号质量
太阳能板	检查积雪、污染、遮挡及固定状态
蓄电池	检查电压、容量及低温运行性能
软件平台	检查数据完整性、报警及设备在线状态

对于长期科研站和重要工程监测站，建议建立年度巡检、数据质量复核以及设备维护档案。

项目优势与方案价值

多层立体感知

从传统单点地温升级为地下不同深度连续监测，更完整地描述冻融过程。

水热联合监测

将温度、水分和冻融状态联合分析，提高对实际冻融过程的认识能力。

自动连续观测

全天候自动采集，避免人工观测时间间隔过大造成关键冻融过程缺失。

长期无人值守

太阳能、低功耗通信和本地存储适合高寒偏远区域长期部署。

断网不丢数据

通信中断后继续本地记录，恢复网络后补传历史数据。

从数据采集升级到冻融分析

平台自动形成冻融剖面、冻融深度、年度变化和水热关系分析结果。

科研与工程兼容

既可用于多年冻土和冰冻圈科学研究，也可用于道路、铁路、管线及建筑等工程监测。

应用场景

• 多年冻土活动层监测；
• 季节冻土冻融层监测；
• 青藏高原冻土长期观测；
• 高寒生态环境监测；
• 冰冻圈科学研究；
• 公路路基冻融监测；
• 铁路路基冻融监测；
• 桥梁基础冻土监测；
• 机场冻土地基监测；
• 输电塔基础冻融监测；
• 油气管线冻土环境监测；
• 地下管廊冻融监测；
• 高寒地区建筑基础监测；
• 水库及水利工程冻土监测；
• 冻融边坡监测；
• 矿山及露天工程冻土监测；
• 自然资源调查；
• 气候变化长期生态观测。

效益分析

科研效益

建立长期、连续、标准化冻融层数据序列，为冻土水热过程、活动层变化及寒区环境研究提供基础数据。

工程效益

持续掌握工程周边冻融环境变化，为冻土地基维护、工程运行状态分析及风险研判提供数据支撑。

管理效益

将传统人工巡检升级为远程在线监测，大幅减少偏远地区现场读取数据的频次。

数据效益

通过多年持续积累形成项目专属冻融环境数据库，使工程管理由单次检测逐渐转向长期趋势分析。

预警效益

通过异常地温、冻融深度及水分变化识别，可以更早发现偏离长期背景状态的异常现象。

标准规范与政策依据

系统设计、建设和数据应用可根据项目性质参考国家、行业及地方现行标准。具体项目实施时，应根据项目所在地、行业属性和招标技术要求进一步核定适用版本。

标准/规范	主要相关内容
GB/T 35234-2017《地面气象观测规范 冻土》	冻土观测基本方法与技术要求
GB/T 44878-2024《冻土观测 频域反射法》	频域反射冻土观测原理、条件、仪器、步骤及质量控制
GB 50324《冻土工程地质勘察规范》	冻土工程地质调查、地温及相关工程参数观测
GB/T 33705-2017《土壤水分观测 频域反射法》	土壤水分相关观测方法
GB/T 31162《地面气象观测场（室）防雷技术规范》	野外观测设施防雷设计参考

其中GB/T 35234-2017目前仍为现行国家标准；GB/T 44878-2024已于2025年3月1日起实施。项目采用具体标准时应以国家标准主管部门公布的最新有效版本为准。

成功案例

冻融层多参数连续观测已经应用于我国多年冻土长期科学观测体系。以藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站公开的活动层监测场为例，其活动层监测主要针对不同深度地温和水分变化进行连续监测。

公开资料显示，该站建立了多处活动层监测场，部分典型站点在约1.8～2.9m深度范围内设置10层土壤水分、盐分和温度监测，同时配置5cm、10cm、20cm等不同深度土壤热通量以及空气温度、湿度等环境参数。

这种“地下多层地温+土壤水分+热通量+地表气象”的长期综合监测方式，与本方案提出的冻融层多参数在线监测技术路线具有较高的一致性，可为科研型及高等级工程型冻融监测系统设计提供参考。

需要说明的是，本章节引用的是公开科研观测案例，并非本企业自有项目业绩。实际用于投标、项目业绩或企业宣传时，应替换为企业已经完成且具有真实项目资料的案例。

参考文献

1. GB/T 35234-2017，《地面气象观测规范 冻土》。
2. GB/T 44878-2024，《冻土观测 频域反射法》。
3. GB 50324，《冻土工程地质勘察规范》。
4. GB/T 33705-2017，《土壤水分观测 频域反射法》。
5. 中国科学院西北生态环境资源研究院，多年冻土热状态及活动层长期监测相关研究资料。
6. 藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站，活动层水热变化监测场公开资料。

方案总结

冻融层在线监测系统以地下多深度地温、土壤水分和冻融状态监测为核心，并可进一步融合土壤热通量、空气温湿度、降水、太阳辐射和雪深等环境参数，建立地表环境与地下冻融过程相结合的多参数综合监测体系。

通过不同深度传感器连续观测，系统能够建立完整的地下温度和水分剖面，并利用时间序列分析不同深度冻结、融化以及水热状态变化。平台进一步通过冻融界面识别、地温梯度、冻结/融化深度、活动层变化和年度对比等算法，将大量原始监测数据转换为具有工程和科研意义的冻融指标。

在野外部署方面，系统采用低功耗数据采集、太阳能供电、本地数据存储和无线远程通信技术，即使监测区域没有市电或者通信网络暂时中断，也能够持续完成现场数据采集，网络恢复后自动补传历史数据，从而满足高寒、偏远、无人值守区域长期运行需求。

对于大型工程或区域科研项目，可进一步布设多个监测剖面，形成“单站多深度、区域多站点”的冻融监测网络，并通过统一数据平台实现GIS管理、实时监测、历史分析、年度对比和异常预警。

整个系统最终形成“冻融层多参数感知—边缘自动采集—本地可靠存储—无线远程传输—冻融模型分析—异常识别—风险预警—长期数据管理”的完整技术体系，可应用于多年冻土、季节冻土、寒区生态科研以及公路、铁路、管线、输电、水利和建筑基础等工程场景。