由於凍土介質的特殊性和土壤水分在其中運動的重要性，凍土中水分運動的研究受到世界上許多國家的重視。已經召開的七屆國際多年凍土會議分別涉及到這方面的內容，美國公路研究部門及其他國家的類似組織已多次組織了有關專題會議，聯合國教科文組織專門開辦過寒區水土問題講習班等等。據不完全統計，除我國外，目前開展這類研究的主要有前蘇聯、美國、加拿大和瑞典等十多個國家。近20年來，各相關學科的研究工作者從不同角度和研究目的出發，對凍融過程中土壤水、熱遷移問題進行了多方位研究，取得了許多重要成果。
1.凍土學研究概況
凍土學的研究包括凍土物理學、凍土化學、凍土力學、工程凍土學、凍土環境學等學科。土壤凍融過程中水、熱遷移問題屬於凍土物理學的研究範疇。凍土物理學為凍土學的基礎研究內容，其研究範圍包括：凍土的基本物理性質、結構、構造，土壤凍融過程中的水分遷移、成冰作用及凍脹，鹽分遷移及鹽脹。
凍土學較為系統的研究始於19世紀末期。1890年俄國成立了凍土研究委員會，開始對凍土進行了比較廣泛的研究。進入20世紀後在蘇聯時代，凍土學研究發展較快（崔托維奇，1985；費裏德曼，1982），研究內容涉及到凍土物理學、凍土力學、土壤水熱改良、工程穩定性等。在美國、加拿大等國，從20世紀開始，自然資源的開發利用直接推動了凍土學的不斷發展。
1963年舉行的第壹屆國際凍土大會（International Conference on Permafrost，簡稱ICOP），標誌著凍土學的研究進入了新階段。此後從1973年起每隔5年舉行壹次ICOP，以交流各國在凍土學領域的研究成果。在1983年舉行的第四屆ICOP上，由中、俄、美、加四國倡議成立了國際凍土協會（International Permafrost Association，簡稱IPA）。
我國的凍土學研究起步較晚，但發展較快，目前已躋於國際先進行列。我國主要的研究單位有：中國科學院蘭州冰川凍土研究所，水利、公路、鐵路、建築等行業的設計、科研院所及相關的高等院校等。
中國於1982年成立了中國地理學會冰川凍土分會，並舉辦了全國冰川凍土學大會，交流國內外相關領域的研究成果，對推動凍土學的發展起了很大的促進作用。
2.地氣界面間的水熱交換研究
從能量平衡過程看，低層大氣中所發生的各種物理現象，基本上都是在下墊面（如土壤、植被、水面等）影響下形成的。不同的下墊面具有不同的物理特性，在鄰近下墊面的近地氣層和土壤上層出現復雜的物質、能量交換過程，並對小氣候的特點和形成規律產生重要影響。
下墊面由於吸收來自太陽的直接輻射和天空散射輻射（短波輻射）而升溫，同時也因長波輻射而降溫。短波輻射與長波有效輻射之差即為下墊面所獲得的凈輻射。白天，太陽短波輻射壹般大於長波有效輻射，下墊面所獲得的凈輻射將通過向上的顯熱通量和向下的土壤熱通量分別使近地層的空氣、上層土壤增溫；夜間下墊面凈輻射為負，需要依賴近地層空氣和土壤層來補充熱量。因此近地層大氣和土壤上層的溫度狀況受著下墊面的強烈影響。
下墊面是低層大氣中水汽的主要源泉。當下墊面發生蒸散而將水汽輸送到大氣時，也要消耗大量的蒸發潛熱。蒸發潛熱也是下墊面熱量平衡中的重要組成部分。當下墊面發生凝結現象時，會有相應的潛熱釋放。這種依賴於下墊面的水分循環過程對小氣候的形成亦起著重要的作用。
近地氣層中的溫度和濕度的垂直分布與熱量、水分的收支狀況有關，因此下墊面向上和向下的熱量輸送、水分輸送也是決定近地氣層、土壤上層氣候特點的基本因素。地氣界面間的水熱交換作為凍融土壤水熱遷移的上邊界條件，對於采用數學物理方法研究土壤水熱遷移規律是必不可少的。
目前用於確定地氣界面間水熱交換通量的方法主要為微氣象學方法，包括空氣動力學法、能量平衡法、能量平衡-空氣動力學法和渦度相關法等。這些方法在生產實際中均有壹定的應用價值，但各有其優缺點。其中，能量平衡-空氣動力學相結合的綜合法考慮了下墊面和近地表大氣的特性，具有很好的物理背景和依據，是了解地表水熱交換動態變化過程及其影響因素的基本方法，在土壤水熱耦合遷移過程的研究中，已得到了廣泛的應用。
在不考慮土壤水平方向熱交換量的情況下，根據能量守恒定律得出的下墊面的能量（熱量）平衡方程為：
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中，Rn為凈輻射；G為土壤表面熱通量；LE為土壤蒸發潛熱通量；H為顯熱通量。
地表潛熱通量LE、顯熱通量H與水熱狀況和近地表小氣候有關，壹般用阻抗模式來計算。Penman在1948年最早采用該方法研究潛在騰發，提出了著名的Penman公式。在潛在騰發的計算模式中，只考慮了大氣邊界層空氣動力學阻抗ra。Monteith在1963年提出了表面蒸發阻抗rs的概念，為計算非飽和土壤水分蒸發開辟了新途徑。
空氣動力學阻抗ra取決於近地層空氣的風速分布。當風速廓線近似於對數分布時，可近似認為這壹層內的熱量、水汽傳輸阻抗與動量傳輸阻抗ra相等，其值可根據大氣紊流邊界層理論計算。
受地氣間溫差所引起的浮力效應的影響，風速的對數廓線不再成立。此時，熱量、水汽傳輸阻抗與動量傳輸阻抗不再相等，需要對其計算模式進行修正。Camillo和Gurney（1986）用大氣穩定性修正因子表示這種影響，這兩個修正因子與Monin-Obukhov長度有關；Acs等（1991）在土壤含水率和地表溫度的耦合預報模型中采用該方法對大氣穩定性進行了修正。
表面蒸發阻抗rs的確定比較困難，目前既無理論預測，又缺乏試驗資料。林家鼎和孫菽芬（1983）認為，對於同壹種土壤，蒸發阻抗變化主要與地表土壤含水率θ有關，而且與θ的某負次冪函數成比例，並根據實測數據給出了rs的經驗表達式。Camillo和Gurney（1986）認為可將rs視為壹個擬合參數，通過實測數據與模擬結果的比較來擬合rs，使計算和試驗結果相吻合。據此，他們也提出了相應的rs與θ的經驗關系。
在土壤水熱遷移研究中，地表能量平衡方程（或與其他方程相結合）壹般作為上邊界條件來處理。在壹定的時間、地點、氣象條件下，地表能量平衡方程中的各分量均為地表含水率、溫度和溫度梯度的函數。壹般情況下，表土水分在短時間內可認為保持不變，因此能量平衡方程僅是地表溫度及其梯度的函數，對此可有不同的處理方法。其中壹種是將該方程視為地表溫度的非線性隱式方程，通過方程求解得到地表溫度；另外壹種是通過潛熱、顯熱計算地表熱通量，將其作為熱方程的第二類邊界條件。
3.凍融土壤水分運動問題的實驗研究
1）室內實驗研究
土壤水分運動規律的研究最早始於法國的Darcy，1856年他根據飽和沙土的滲透試驗，得出了滲流通量與水力梯度成正比的著名的達西定律。1931年Richards將這壹規律應用於非飽和土壤水，認為非飽和土壤水分通量ql可表示為：
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中，Ψ和Ψm分別為土壤的總土水勢和基質勢；K（Ψm）為土壤非飽和導水率。
在凍土的研究過程中，水分通量壹般采用上述表達式，但凍土基質勢目前還不易測定。假設土壤基質勢與凍土未凍水含量之間存在壹壹對應關系，那麽凍土中的水分通量亦可用未凍水含量θu的梯度來表示：
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中，D（θu）為土壤水分擴散率。
20世紀80年代，美國陸地寒區研究與工程實驗室（US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory，簡稱CRREL）進行了壹系列室內試驗，以探索凍土中水分遷移的機理。Nakano等（1982，1983，1984a，1984b，1984c）、Nakano和Tice（1987）對等溫條件下的水分遷移進行了室內實驗研究，認為水分遷移通量取決於土壤總含水率（包括未凍水和冰）的梯度。
Konrad和Morgenstern（1981）進行了不同溫度梯度下凍土中的水分遷移試驗，根據試驗結果得出了水分遷移通量與溫度梯度ΔT成正比的結論，即：
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
其中參數SP稱為分凝勢（Segreation Potential），它與具體的試驗條件和土壤凍結速度、土壤含水率等因素有關。這壹參數的復雜性使得其應用受到很大限制。
自20世紀70年代以來，中國科學院蘭州冰川凍土研究所對土壤凍結特性、凍結條件下的水分遷移、成冰作用及凍脹、鹽分遷移及鹽脹等問題進行了大量的室內實驗研究（Xu等，1985；徐學祖和鄧友生，1991；徐學祖等，1995；Chen和Wang，1985，1991）。根據其研究結果，凍土中的水分遷移與凍結緣中的土水勢梯度有關，而該梯度主要取決於土體的性質、邊界條件、凍結速度和凍脹速度等因素。
根據上述試驗研究結果，非飽和凍融土壤水分遷移的推動力主要包括土壤含水率梯度（土水勢梯度）和溫度梯度（Nakano，1991），二者既可以相互獨立，也可以相互依賴。
到目前為止，對於凍土中水流問題的研究，多采用與土壤非飽和水流類似的方法，即引入土水勢的概念（Hillel，1980；雷誌棟等，1988），用能量觀點進行。這樣可以對土壤的凍結區、非凍結區進行統壹分析，便於用數學、物理方法對凍土中水熱耦合遷移問題進行統壹研究。
2）室外試驗研究
室外試驗研究主要包括與農業水資源高效利用及土壤鹽漬化改良有關的田間入滲試驗、水熱鹽遷移試驗和與工程建築物凍脹防治等問題有關的現場試驗。
凍融土壤的入滲特性的試驗研究開始於20世紀60年代。Stoeckjer和 Wetzlllan（1960）認為凍融土壤的入滲特性與土壤凍結類型有關。把凍土分為水泥狀凍結、多孔狀凍結和粒狀凍結三種類型。水泥狀凍土多為細粒結構，土壤含水率較高，由許多復雜的薄冰透鏡體組成，常為密實塊狀，類似於水泥地。粒狀凍土顆粒粗，土壤含水率較低，冰晶在土粒周圍聚集但彼此分離。多孔狀凍土的特點介於以上二者之間。Sthecker和Weitzman（1960）曾用單環入滲儀測了三種類型凍土的入滲率，同質地土壤水泥狀凍土入滲率極小，粒狀凍土比未凍前入滲率更高。Boombny和Wang（1969）室內測定了不同初始含水率的土樣在快速凍結條件下的滲透性，發現當土壤的飽和含水率和初始含水率之差小於0.13 m3／m3時，凍土屬於水泥狀凍結，其滲透性可忽略。
大多數學者認為影響凍土入滲特性的主要因素是凍結時的含水率。Kane和Stein（1983）用雙環入滲儀在美國Alaska季節性凍土中做了不同含水率條件下的入滲試驗，結果表明季節性凍土中的入滲曲線類似於非凍土，土壤初始含水率愈高，入滲率愈小。Lee和Molnau（1982）經分析入滲試驗結果發現，土壤的穩定入滲率與凍結期土壤含水率具有很強的負相關關系。
土壤質地對入滲特性也有很大影響。瑞典農作土壤的質地主要為重粘土，其入滲率變化在0.004～5.0 mm/min之間（Kapotov，1972；Engelmark，1987）。低入滲率主要是由於土壤質地粘重和高含冰量導致的低滲透性造成的，而高含冰量除了受凍結期高土壤含水率的影響外，還受凍融期融雪水入滲、重新凍結的影響；高入滲率則是粘土凍結後形成宏觀垂直裂隙的結果（Thunholm和Lundin，1989）。
Zuzel和Pikul（1987）用模擬降雨裝置測定了茬地、冬小麥田和犁地在深秋凍結之前、冬季凍結期和春季消融期的入滲率。同質地土壤犁地入滲率最大，冬小麥田入滲率最小。比較凍前、融後的土壤入滲率，結果並無太大變化，說明不同耕作措施條件下的土壤並不因為凍結過程而改變其入滲特性。Pikel，Zuzel和Wilkins（1991，1992）做了土壤凍結期已耕地和未耕地在兩個不同凍層厚度下的入滲試驗。當凍土深度為0.12 m（小於耕作深度）時，已耕地土壤入滲率大於未耕地；當凍土深度大於0.35 m時，已耕地和未耕地土壤入滲率相差很小。
在凍土分布區，地面凍結、土壤入滲能力降低是融雪產生地表徑流、水土流失的主要原因（Kalyuzhnyi，1980；Zuzel和Pikul，1987）。美國Alaska地區地表徑流量占融雪水總量的25%～47%（Kane和Stein，1987），而在Oregon北部地區地表徑流量占融雪水總量的4l%～49%（Zuze，1982）。為了減少水土流失、增加土壤入滲，許多學者研究了不同土地管理措施下的土壤入滲規律，為當地優化水土保持措施提供了依據。
近年來，我國季節性凍土分布區有關部門、科研院所的科技工作者，結合當地生產實際對凍土中水分、鹽分遷移及水工建築物凍脹防治等問題，進行了大量的野外現場試驗及應用研究，取得了壹批有意義的研究成果。朱強（1988）、Zhu（1993）研究了季節性凍土區的凍脹問題；內蒙古自治區水利科學研究所（1987）、Wang（1993）、趙東輝（1997）對凍結過程中土壤水分、鹽分遷移進行了試驗研究；張轉放等（1992）研究了北京地區土壤在兩種灌溉定額下的凍後聚墑特點；郭素珍（1996）對內蒙古河套灌區秋澆時間對水鹽運移和農業環境的影響進行了試驗研究；太原理工大學樊貴盛和鄭秀清等（1997，1999，2000）、鄭秀清等（2000，2001）、邢述彥（2002）在國家自然科學基金的資助下，從冬春灌溉用水管理的角度出發，研究了田間凍融條件下土壤的入滲特性；黃興法等（1993）在山東禹成對冬春季節土壤水分、溫度、鹽分的變化過程進行了觀測，並對其變化規律進行了分析；尚松浩等（1997）對北京地區越冬期土壤水熱遷移規律進行了研究。
4.凍融土壤水分運動問題的理論研究
對於土壤中水流和熱流問題的研究，在早期是相互獨立進行的，二者分別建立了自己的理論體系，並在各自的研究領域對求解方法進行了較為深入的研究。
對於土壤非飽和流問題，將達西定律與水流連續方程相結合即可得到土壤水分非穩定運動的基本方程（Richards方程）
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中，θ、t分別為土壤含水率、時間；其他符號同前。
土壤熱流的研究始於20世紀40年代末期，將Fourier導熱定律應用於土水系統，由能量守衡原理可得到土壤中熱流的基本方程：
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中，T、C、λ分別為土壤溫度、體積熱容量和導熱率。
1957年Philip和de Vries開創了土壤水熱耦合研究之先河。他們基於多孔介質中液態水粘性流動及熱平衡原理，提出了水熱耦合遷移模型（Philip和de Vries，1957；de Vries，1958）
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中，q、ql、qv、qh分別為土壤中的總水分通量、液態水通量、水汽通量和熱流通量；Dθ、DT分別為水分、溫度梯度所引起的水分遷移的擴散率；ρl、Cl分別為液態水的密度和熱容量；Dθv為水分相變時的擴散率；L為參考溫度T0時的相變潛熱。
以上模型考慮了溫度梯度對水分運動的影響，水的相變及水分對溫度的影響。
在Philip-de Vries模型的基礎上，人們對土壤水熱耦合問題進行了更廣泛深入的研究。Kay和Groenvelt（1974）在水分運動方程中，以土壤含水率θ和溫度T為獨立變量，將含水率梯度作為土壤水分運動的驅動力，該項研究沒有反映出土壤水分運動的物理本質，並且只適用於均質各向同性的土壤系統。Milly（1982）在此基礎上，采用了以土壤基質勢和溫度為變量的土壤水、熱耦合方程，使之能夠適用於非均質土壤，並用有限元法模擬了等溫、非等溫條件下的土壤水分運動。de Vries（1987）對此前這壹領域的研究進行了綜合評述。Chung和Horton（1987）研究了地表有部分作物覆蓋條件下土壤水熱遷移。蔡樹英、張瑜芳（1991）用該模型計算了不同溫度條件下土壤水分的蒸發過程。土壤-植物-大氣連續體（SPAC）中水熱遷移的研究是土壤水熱遷移問題的引深，目前已進行了大量的研究工作（Camillo等，1983；Van de Griend和Van Boxel，1989；康紹忠，1994；吳擎龍等，1996；李家春和歐陽冰，1996）。
凍融條件下的土壤水熱遷移是壹個多因素綜合作用的復雜物理過程，對該問題的研究30多年來已取得重要的進展。自20世紀60年代以來，許多科技工作者對這壹問題進行了研究，提出了各種各樣的數學模型，這些模型大致可分為兩類。第壹類是在Philip和de Vries模型基礎上建立起來的所謂機理模型（Harlan，1973）。在該模型中忽略了土壤中冰與水的相互作用，認為凍土中的未凍含水率僅與土壤負溫有關，與總含水率無關，並與負溫處於動平衡狀態。土壤未凍含水率與負溫的關系（亦稱為土壤凍結特性曲線）需根據試驗來確定，目前這類模型的應用較多。Harlan（1973）、Taylor和Luthin（1978）、O’neillomd and Miller（1985）等對土壤凍結條件下的水熱遷移進行了數值模擬，Jame和Norum（1980）用本質上近似於Hanlan的模型模擬了水平土柱凍結狀態下的溫度、含水率、含冰率的動態變化，並與室內試驗結果進行了比較。Fukuda和Nakagawa（1985），Flerchinger和Saxton（1989），Lundin（1990）采用機理模型模擬了凍土系統中的水熱遷移，在模型中考慮了地氣間的顯熱交換，但沒有考慮潛熱交換和地表蒸發。在冬季地氣間潛熱通量雖然小於顯熱通量，但二者為同壹量級，忽略蒸發潛熱必然會對計算結果產生壹定的影響。
第二類模型是應用不可逆過程熱力學原理描述土壤水熱通量，稱為熱力學模型（Kay和Groenevelt，1974；Groenevelt和Kay，1974；Kung和Steenhuis，1986）。這壹模型與機理模型在土壤未凍區壹致，其區別僅在於凍結區。模型中考慮了在溫度梯度及水（包括固、液、氣三相）勢梯度作用下的水、汽、熱遷移。模型假定凍土中冰和水處於平衡狀態，其化學勢相等，並假定冰壓力為0，忽略重力影響，利用Clapeyron方程，可得到：
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中：pw為水壓力；Hf、vl分別為水的結冰潛熱和比容；T為土壤溫度。
根據這壹關系，土壤水勢梯度可用溫度梯度表示，因此在凍結區的未知量只有溫度T，水、汽、熱通量均為溫度及溫度梯度的函數。將這些通量關系與質量、能量守衡原理相結合即可得到凍土中水熱耦合遷移的熱力學模型。這壹模型與機理模型相比，不需要確定未凍含水率與負溫的關系。但在模型的推導過程中引入了Clapeyron方程，壹般認為該類模型只適用於土壤凍結溫度附近的壹個有限溫度範圍，對於較低負溫下該模型的適用性尚未得到試驗驗證。
Kung和Steenhuis（1986）用熱力學模型模擬了土柱壹端突然降到負溫時的土壤凍結過程，其結果與實驗規律相壹致。計算結果表明，水汽遷移量比液態水遷移量小兩個數量級，而對流傳熱量比傳導熱量也小兩個量級。因此，忽略土壤凍結過程中的水汽遷移，對流傳熱對計算結果的影響較小。
Shen和Ladanyi（1987）在凍土水、熱耦合模型中加入了土體應力場模型，模型中考慮了水熱遷移和土體變形，並分別用有限差分法、有限單元法模擬了飽和土壤的凍結過程，其溫度剖面、土體凍脹量與試驗結果比較吻合。
國內對凍土水熱耦合遷移問題的研究起步較晚。楊詩秀（1988）采用機理模型模擬了水平、垂直土柱的凍結過程，並定性地分析了土壤初始含水率對土壤凍脹量的影響。中國科學院蘭州冰川凍土研究所（1989）對凍結過程中土壤水分、溫度、應力場問題進行了研究。葉伯生和陳肖柏（1990）、胡和平（1990）在水熱遷移的機理模型中，引入Clapeyron方程研究凍土中水熱遷移問題，這種處理方法不僅存在上述Clapeyron方程的適用性問題，而且還存在該方程與土壤凍結特性曲線之間的相容性問題。李述訓和程國棟（1995）對室內土壤凍結、融化過程進行了數值模擬。雷誌棟等（1998，1999）模擬了凍結條件下土壤的水熱耦合遷移規律，但未考慮氣態水遷移及熱的對流遷移。鄭秀清（2001）采用包括氣態水遷移和熱對流遷移的水熱耦合數值模擬模型，模擬了天然條件下土壤的季節性凍融過程以及其中的水熱遷移規律，取得較好的結果。
土壤鹽分對土壤凍結狀況及其水分遷移有很大影響，正如Cary等（1979）所指出的，當土壤溶液中的鹽分在凍結緣積累時，凍結鋒面處的滲透壓梯度對水分遷移有很大的阻礙作用。即使土壤的含鹽量非常低，滲透勢和鹽分遷移對土壤水熱遷移也有很大影響。美國農業部農業工程研究服務中心Flerchinger及Saxton（1989）建立了積雪-殘茬-土壤系統中水熱遷移的數值模擬模型，考慮了鹽分對水熱遷移的影響。練國平和曾德超（1988）首次在國內建立了凍土水熱鹽運動數學模型，在此基礎上黃興法等（1993）對凍結期土壤水熱鹽運動規律進行了數值模擬，並取得較好的效果。
綜合20世紀60年代以來國內外關於凍土水分入滲、遷移問題的研究進展，凍融土壤水分運動問題在理論、計算方法以及室內外試驗方面均進行了壹定的研究，對其運動規律有了壹定的認識，取得了可喜的進展，但由於課題本身的復雜性、測試儀器設備的限制以及研究的滯後性，大多數研究都是模擬室內的土壤凍融過程。由於這類模擬試驗土柱的邊界條件比較簡單，與自然條件下的凍結過程差異較大，因此很難應用於生產實際。有關自然條件下凍融土壤系統的水分運動規律問題有待於進壹步深入研究。在土壤水分入滲和遷移方面，存在下列問題亟待解決：
（1）對田間凍土入滲普遍規律的研究缺乏綜合性和系統性。盡管國內外對田間凍土入滲試驗的研究已經取得壹定的進展，但由於研究目的不同、考慮因素單壹，其研究多以冰川和積雪地區的區域水資源評價或預測為目的。
（2）對凍融土壤水分入滲的主導影響因素的研究和認識很不夠。如研究者對土壤溫度對凍結土壤入滲能力影響的認識等。
（3）凍結土壤水分入滲模型的研究還不夠深入。縱然就目前的研究手段而言，研究出較好的描述田間凍土水分入滲理論模型存在很大困難，但提出有關凍土入滲的經驗模型還是有可能的。但截止到目前，對凍結土壤水分入滲模型的研究甚少。
（4）結合生產實際對自然條件下整個越冬期長時間的土壤凍融過程中水熱遷移問題的研究還很缺乏，尤其是對凍融土壤水分保持特性及不同地表條件下越冬期土壤水分的保持特性的研究。
（5）凍融條件下土壤水分遷移的理論還不夠完善，對其內部客觀物理機制的理解還不夠深入，快速、有效的數值計算方法還有待進壹步的研究，結合生產實際對天然條件下土壤凍融過程中水熱遷移問題的研究成果相對薄弱。