在过去几十年,全球气候变暖是一个不争的事实。对分布在高纬度和高海拔的多年冻土退化尤为明显。多年冻土退化包括多年冻土面积减少、多年冻土温度升高、活动层厚度加深、热融喀斯特发育等,这些变化会对当地的自然环境和经济发展产生重要影响。多年冻土温度变化将会导致其未冻水含量发生变化。例如多年冻土温度升高,尤其是高温多年冻土,会导致未冻水含量增加,这种增加将极大地影响冻土的水热特性、电学特性及力学特性。未冻水在土壤冻融过程中起着至关重要的作用。在冻结过程中,未冻水是液态水迁移的主要来源,对地下冰的形成、冻胀及其造成的冻害等都有重要的影响。过去的研究集中关注于冻土温度及冻土中液态含水量变化的室内试验。实验室试验研究可以比较精确地测量冻土中未冻水含量变化与冻土温度、土壤初始含水量、土壤粒径组成、土壤含盐量等的相互变化关系,从而建立它们之间的定量、半定量关系,以便在冻土研究及其工程实践中应用。然而,任何实验室试验都有局限性。冻土未冻水实验室试验的主要问题是对野外实地土壤结构的破坏,使得实验室测得的未冻水含量不能真实地代表实地情况。为了减少对野外实地土壤结构的影响,系统研究天热条件下冻土中未冻水变化与温度、土壤组成成分、土壤粒径、含盐量等因素的关系,本研究采用实地长期测量冻土中未冻水含量变化,探讨冻土未冻水含量与环境因素间的相互关系。本研究选取位于祁连山的多年冻土区布设水热观测场,监测活动层内未冻水含量的时空变化特征,以及不同土壤特性对未冻水含量的影响。本研究的主要目的是探讨变化中的未冻水含量与温度和土壤性质的关系,主要是未冻水含量变化与土壤温度,土壤颗粒大小以及土壤含盐量之间的关系。所使用的数据和信息都是从野外现场测量采集和实验室试验获得。野外测量中分别采用热敏电阻串和时域反射测量不同深度土壤温度和土壤水含量,同时测定了不同深度土壤的基本理化性质。根据美国农业部标准,通过分析土壤颗粒大小和土壤质地分类划分得出五种土壤类型。通过实测数据,得到五种不同的土壤质地的关系曲线。研究获得了在不同土壤类型和盐分条件下,土壤冻融特征曲线及冻土温度与未冻水含量之间的定量或半定量关系。通过研究,本文得出以下主要结论:1.通过土壤物理性质测定发现,活动层和多年冻土层土壤样品干容重分别是1.68g/cm~3和1.39g/cm~3,砾石含量分别是42.31%和39.90%。活动层干容重和砾石含量都小于多年冻土层,说明浅层土壤黏粒和粉粒含量更高,这两种成分的持水性更强,因此浅层未冻水含量会更高。土壤的粘化过程是产生这种差异性的主要原因,同时采样方法也会产生一定的影响。2.利用颗粒粒度的测量,得出研究区五种主要土壤类型粒径分布累积曲线,其中砂粒含量大小的顺序为:粉砂质壤土<壤土<砂质壤土<壤质砂土<砂土,该地区土壤砂粒含量都较高,因此土壤颗粒表面能较小,会导致在冻融过程中的整体未冻水含量会偏小。3.土壤冻结特征曲线表征未冻水含量与土壤温度的绝对值呈幂函数变化,这与前人的研究结果一致。在接近0℃时,土壤水分会发生突变,该突变点就是土壤的冻结点。4.通过土壤质地分析五种不同质地下的未冻水含量特征曲线,得出与土壤性质有关并且影响未冻水含量变化的参数a和b,可为其他模型提供土壤参数等。分析发现黏粒含量增加、干容重和砾石含量减小,未冻水含量也会随之增加。由于土壤冻融过程是一个复杂的非线性过程,不能得出定量化的关系,只能得出三者对未冻水的影响的顺序为:黏粒含量>干容重>砾石含量。由于未冻水多处于小孔隙中,且孔隙大小多与土壤中的黏粒成分有关。5.通过土壤化学性质研究发现,该研究区域的土壤呈碱性,同时具有较高的含盐量,与当地的干旱环境气候具有高度一致性。电导率的值越高,未冻水含量就会越高。样品中p H值越高,说明溶液中OH-含量越高,会阻碍土壤水分的冻结。分析得出未冻水含量变化受电导率和pH值共同影响。6.利用BP神经网络模型建立未冻水含量和土壤基本参数之间的关系,可以得到在不同土壤质地下的未冻水含量特征曲线,在此基础上,预测其他地区的未冻水含量变化。