多年冻土区石油污染土物理性质、石油迁移及修复现状

随着多年冻土区石油资源的开发,石油污染问题日益严重。本文概述了多年冻土区石油污染土的物理性质和修复技术,以及石油污染物的迁移规律和模型。通过回顾相关研究发现:①在微观结构上,多年冻土区石油污染土平均孔隙度没有变化,但孔径增大,孔隙数量减少,各向异性程度降低。②土壤受到石油污染后,其导热率和冻结温度会显著降低,从而减少了土壤冻结成冰的分凝量和冻胀量。③位于多年冻土上部活动层的石油随冻融循环调控水分而发生迁移,而低渗透率的多年冻土层是有效阻止石油垂直迁移的天然屏障。④现有的石油迁移模型可分为两类:一是非水相流体在多孔介质中的渗流模型,二是非水相流体在多孔介质中的浓度分布模型。多年冻土区石油迁移模型的建立受多种因素的影响,特别是要考虑多年冻土区特殊的气候条件,如低温、淋滤和冻融循环等。⑤多年冻土区石油污染土壤的修复技术包括物理、化学和生物修复。其中,物理修复是应急首选,快速高效但成本较高;化学修复效果明显,但易造成二次污染;生物修复经济环保,但在多年冻土区受到诸多限制,且时效性长。总体而言,由于多年冻土区的石油污染场地的复杂性和多变性,单一的修复技术往往难以解决污染问题,联合使用物理、化学和生物修复方法是未来重要的发展趋势。

叶片宽度对多年冻土区螺旋桩承载特性影响试验研究

多年冻土区连续叶片螺旋桩在季节活动层无螺旋叶片,多年冻土层螺旋叶片与冻土咬合,竖向承载性能良好。通过模型试验方法对多年冻土区螺旋桩叶片宽度的承载特性进行了试验,研究了其承载力曲线与轴力曲线,最后提出多年冻土地区螺旋桩单桩承载力估算公式,主要得到如下结论:无叶片的桩承载力远小于带有叶片的螺旋桩,叶片宽度对螺旋桩承载力影响显著,螺旋桩承载力随叶片宽度增加逐渐增加。不同叶片宽度的螺旋桩,桩身轴力沿桩身深度方向逐渐递减,随着荷载增加桩端承载力逐渐增加,无螺旋叶片的桩桩身轴力变化远小于带有螺旋叶片的桩,桩身无螺旋叶片区域轴力变化幅度与无螺旋叶片的桩相同,桩身有叶片区域轴力变化幅度远大于无叶片区域,随着叶片宽度增加桩身轴力变化幅度逐渐增大。极限承载力随外径与内径比增大,正比例增大,试验可得到外径越大,螺旋桩的极限承载力越高。使用改进公式计算单桩竖向承载力在工程实践中可以有效估算单桩承载力设计值。

2000~2021年北半球多年冻土区NDVI变化趋势及其影响因素

气候变暖正在导致北半球多年冻土区的土地覆被类型和植被生物量发生快速变化,而不同冻土类型区和不同土地覆被类型区对气候变化的响应程度尚不清楚。基于Slope趋势分析和皮尔逊相关性分析,量化了2000~2021年北半球多年冻土区归一化植被指数(NDVI)的时空变化及其对气候变化的响应。结果表明:约21.43%的多年冻土区NDVI值表现出显著增长趋势,其中连续和不连续多年冻土区的NDVI值增长速率是零星多年冻土区的2~3倍。在月尺度上,约33.75%多年冻土区的NDVI值在6月呈显著增长趋势,其中连续多年冻土区和灌丛植被类型区的增长速率最快。气温、降水量和活动层厚度均呈显著上升趋势,积雪覆盖率呈下降趋势。气温升高对俄罗斯等低纬度冻土区的植被生长起到了促进作用;降水在蒙古高原等一些特定干旱区对植被生长具有促进作用,但在俄罗斯中部和加拿大南部存在不利影响;积雪对于俄罗斯南部等积雪覆盖较低地区的植被生长有促进作用,而对于北极等积雪覆盖较高的地区存在不利影响;活动层厚度的增加有助于俄罗斯北部等冻土区的植被加速生长。总之,北半球多年冻土区植被整体呈增长趋势,气温升高仍然是北半球多年冻土区植被生长的主控因素,但不同多年冻土类型区的NDVI值增长有着明显的月份差异,因此在以后植被模型的发展和改进时需要考虑月份的差异。

1974—2020年大兴安岭北部多年冻土区积雪变化及其与地面、空气温度的关系

基于大兴安岭北部多年冻土区5个气象站1974—2020年逐日气温、地面温度、积雪深度资料,利用气象统计方法分析了积雪气候特征及长期变化、积雪物候变化及积雪对温度的影响,结果表明:大兴安岭北部冻土区积雪深度年内变化呈单峰型,积雪深度最大出现在2月,平均17.9 cm,年积雪日数为161.5 d,积雪日数和积雪深度最大月份不重合。年均积雪深度为10.6 cm,最大积雪深度平均为22.6 cm,近47 a年均积雪深度呈弱的上升趋势。积雪初日显著推迟,终日显著提前,使得积雪持续日数明显缩短。研究区年均积雪深度和冷季地面−雪面温差呈较好的正相关,年最大积雪深度和冷季地面−雪面温差亦呈较好的正相关,积雪深度越大其对地面的隔热作用越大,年均积雪深度每增加1 cm,地面−雪面温差升高0.4211℃,年最大积雪深度每增加1 cm,地面−雪面温差升高0.2889℃,年均积雪深度对冷季地面−雪面温差的影响更大。

凋落物处理对大兴安岭多年冻土区白桦林土壤磷组分的影响

磷是植物生长发育过程中必不可少的元素,探究大兴安岭多年冻土区凋落物输入变化对不同林龄白桦林土壤磷组分的影响,能够为气候变化条件下高纬度地区森林生态系统磷有效性及影响机制研究提供参考。本文选择大兴安岭多年冻土区不同林龄(30 a、45 a、66 a)白桦林为研究对象,于2021年10月分别进行了凋落物去除和凋落物加倍处理,在2022年8月进行取样,采用Hedley磷分级法对0~20 cm土层土壤磷组分及环境因子进行测定与分析,探究凋落物对多年冻土区森林土壤磷组分的影响。结果表明,凋落物加倍处理提高了3个林龄白桦林土壤活性磷和中等活性磷含量,其中30 a白桦林0~10 cm土层土壤H2O-Pi含量增加显著(P<0.05),3个林龄白桦林10~20 cm土层土壤NaHCO_(3)-Pi含量均显著增加(P<0.05),30 a白桦林0~20 cm土层土壤NaOH-Pi含量显著增加(P<0.05)。而去除凋落物处理降低了3个林龄白桦林土壤活性磷和中等活性磷含量,其中,30 a和45 a白桦林各土层土壤NaOH-Pi含量显著下降(P<0.05),66 a白桦林0~20 cm土层土壤磷含量下降程度各不相同。凋落物处理对稳定态磷(HCl-Pi、HCl-Po、Residual-P)影响相对较小。冗余分析表明,30 a白桦林土壤磷组分主要受pH和可溶性有机碳的影响,45 a白桦林主要受pH和NO_(3)--N的影响,而66 a白桦林主要受土壤含水率和可溶性有机碳的影响。凋落物输入增加会促进寒温带白桦林土壤磷的活性,提高土壤磷的有效性。因此,在白桦林经营管理过程中,要保护好凋落物。

大兴安岭多年冻土区典型森林秋季冻融期土壤活性碳变化特征

探究大兴安岭多年冻土区3种林型秋季冻融期土壤活性碳变化特征及其主要影响因素,为多年冻土区森林土壤碳汇管理提供帮助。以兴安落叶松林(LY)、樟子松林(ZZ)和白桦林(BH)为研究对象,于2022年10月10日至11月18日对不同土层(0~5、5~10、10~20 cm)土壤进行取样,测定其土壤活性碳组分(可溶性有机碳、微生物量碳、易氧化有机碳)质量分数,探究其动态特征及其影响因子。结果显示,10月10日至11月18日兴安落叶松林、白桦林和樟子松林土壤温度均随气温下降而降低,变化范围分别为-0.49~3.71、-2.10~2.39、-1.04~3.48℃。3种林型不同土层土壤可溶性有机碳(DOC)质量分数随着温度的降低呈先升高后降低的变化趋势,微生物量碳(MBC)质量分数先减少后增加,易氧化有机碳(ROC)质量分数则波动式变化,变化范围分别为78.75~214.32、101.06~988.40、1.52~13.94 g/kg,其中,白桦林土壤DOC和ROC质量分数显著高于兴安落叶松林和樟子松林,而土壤MBC质量分数在兴安落叶松林中最高。3种活性碳在不同林型内均呈“表聚效应”,且冻融期内土壤DOC质量分数增加,土壤MBC质量分数减少,但土壤ROC质量分数变幅不大。兴安落叶松林土壤活性碳组分质量分数变化主要受土壤水分和微生物量氮影响,铵态氮是影响白桦林3种土壤活性碳的主导因子,樟子松林3种土壤活性碳的主要影响因子是土壤pH。研究表明,冻融作用对大兴安岭多年冻土区典型森林土壤活性碳影响较大,增加了土壤DOC质量分数,降低了土壤MBC质量分数,对ROC质量分数的影响相对较小。

基于InSAR的青藏工程走廊多年冻土区地表形变监测及稳定性评价研究

以青藏工程走廊多年冻土区地表形变为研究对象,以长时间序列地表形变数据的获取、时空变化分析、影响因素分析和形变数据利用为主线,首先通过广域InSAR技术获取了覆盖研究区范围内的长时序升、降轨SAR卫星一维视线向的形变结果,以影像获取日期为约束条件解算出二维(东西向和垂直向)形变信息。然后以垂直向形变结果为依据,利用GIS空间分析方法分析了研究区地表形变的时空特征,应用地理探测器方法实现对形变驱动因子的分析。最后以垂直形变数据为依据,利用正态分布统计、Sen趋势分析、M-K显著性检测和Hurst指数计算实现对研究区及交通工程的稳定性评价和高危区域识别及预警工作。论文取得了以下主要研究成果。

多年冻土区热融湖塘状态及侵蚀路基病害防治措施

近年来,随着气候变暖和青藏高原降水的逐年增加,青藏铁路沿线的热融湖塘数量和面积也明显增加,开始影响青藏铁路路基安全。通过现场调查和统计分析,对青藏铁路多年冻土的热融湖塘发育状态和应对措施进行研究,研究结论包括,随着气候变暖和青藏高原降水的逐年增加,青藏铁路沿线的热融湖塘数量和面积也明显增加,且离路基越来越近;青藏铁路路基两侧20 m范围内发育热融湖塘14处,部分热融湖塘已延伸至路基坡脚,严重影响地基多年冻土的稳定,进而影响路基稳定性;对影响铁路路基安全的2处典型热融湖塘进行分析,提出包括地表水、地下水双隔离及太阳能热棒增强冻土稳定性的措施。

盐湖漫溢对多年冻土区桥梁墩台影响对策研究

近年来,青藏高原多年冻土区盐湖面积不断扩大,漫溢后形成高矿化度水流流经铁路、公路的桥梁墩台,给线路运营造成了较大的安全隐患。针对盐湖漫溢河道处的桥梁工程进行研究,分析了盐湖漫溢对桥梁墩台带来的主要影响,提出了针对性的防治对策,并基于现场监测数据对工程效果进行了评价。主要结论包括:高矿化度水流对桥梁墩台造成的影响主要有河道下切严重,对地基多年冻土热干扰严重和对桥墩及基础混凝土腐蚀。针对高矿化度水流对桥梁墩台的影响,提出了区域河流疏导和冻土防护、桥墩基础冻土热防护、桥梁结构构造防腐蚀3个方面的整治技术;根据初期监测数据分析,高矿化度水流流量较大,造成下部冻土退化严重,但在合理的整治工程实施后,近1年多来未发现桥梁墩台变形。同时,地温监测数据验证了热棒具有保持多年冻土稳定的作用。

铁路多年冻土区电力杆塔施工技术研究

在社会快速发展和科技不断进步的背景下,铁路交通在我国基础设施建设中扮演着举足轻重的角色,但是我国众多地区面临着复杂多变的自然环境,其中冻土区域的铁路建设尤为具有挑战性。冻土地区的特殊气候和地质条件,给电力杆塔的施工带来了诸多困难和挑战,为了更好地解决该问题,本文将对铁路多年冻土区电力杆塔施工技术进行深入研究,以期能够对铁路工程建设领域有所帮助。

多年冻土区天然气管道工程技术挑战和应对方案

多年冻土区域油气输送管线的施工技术与常规地区大相径庭,这一区域的地理孤立性、环境易损性以及极端气候和地质状况,引发了一系列新的技术挑战。目前,关于管道冷却输送技术、冻土与管道相互作用、压气站故障影响,以及设计限制、铺设技术、监测系统可靠性等方面的难题,已经有了初步解决策略的构思,将为冻土区的天然气管道建设提供新的技术路线。

不同施工季节对多年冻土区锥柱式基础地温回冻影响

为研究多年冻土区输电线塔基锥柱基础在不同季节施工条件下其地温的整体回冻过程,以及不同季节施工对多年冻土的扰动特点,从保持多年冻土地温稳定性的角度优化大开挖类基础施工时期,采用数值模拟的方法,以青藏直流输电工程为背景,利用查拉坪地区地质及气象资料,并选择了典型月份(1月、4月、7月和10月)对锥柱基础不同季节施工后早期地温场进行了计算分析。结果表明:秋冬季(10月和1月)施工后,锥柱基础周围土体将保持冻结,其中1月施工后最快10 d回填区土体和天然冻土的温度差异即可消失,回填土热扰动较小;春夏季(4月和7月)施工会增大回冻期活动层深度和基础底部的融化深度,特别是7月施工可使活动层深度降低至基底(4.0 m),而4月施工由于增高了回填土土体温度,导致整个回冻时间长达195 d,不利于基础的重新冻结和后续工作的开展。考虑到10月后外界气温逐渐降低,因此,10月至次年1月可以作为多年冻土区锥柱基础的最佳施工期。

多年冻土区白桦次生林蒸腾特征及其对影响因子的响应

探究多年冻土区白桦次生林蒸腾特征对影响因子的响应,为准确评估该地区森林生态系统水文效应提供科学参考。运用热扩散式探针法,从2021年5—9月对多年冻土区的白桦树干液流进行监测,并同步观测影响因子变化情况。结果表明:整个观测期,白桦次生林蒸腾表现出明显的小时、日、月变化。(1)白桦次生林小时蒸腾特征表现为优势木>中等木>被压木,蒸腾动态在晴天呈单峰曲线,在雨天呈双峰曲线。日尺度上,白桦次生林蒸腾平均值为1.47 mm/d,且最大值出现在7月。在整个观测期,林分蒸腾表现出明显的月变化,即7月>6月>8月>9月>5月,分别为65.08,62.43,54.27,22.92,19.84 mm;(2)林分累计蒸腾量共计224.54 mm,占同期降雨量的32.41%,其中优势木为林分蒸腾的主要贡献者,占林分总蒸腾量的62.64%;(3)在小时尺度上,林分蒸腾量主要受大气温度和饱和水汽压差所影响;日尺度上,林分蒸腾与潜在蒸散、空气温度、太阳辐射、饱和水汽压差、叶面积指数以及土壤温度极显著正相关(p<0.01);与空气相对湿度极显著负相关(p<0.01);与土壤含水量关系不显著(p>0.05),潜在蒸散、叶面积指数、饱和水汽压差以及空气温度是驱动林分日蒸腾的主要影响因子;月尺度上,空气温度对林分蒸腾的影响最大,其对林分蒸腾的解释度高达93.90%。

CMIP6模式中北半球及多年冻土区降水变化的比较研究

利用Climatic Research Unit(CRU)资料,系统评估了第六次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)17个全球气候模式及其集合平均对历史时期(1985—2014年)北半球及多年冻土区年降水量的模拟能力;分析了不同未来情景(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5)下,北半球及多年冻土区未来年降水量的时空变化。结果表明:CMIP6模式对北半球及多年冻土区年降水的空间分布有较为合理的模拟能力,但相对于观测数据在北半球和多年冻土区分别有11%和42%的高估。未来北半球及多年冻土区的年降水量变化随着辐射强迫水平的升高而加快。在SSP5-8.5情景下增加速率最快,北半球和多年冻土区的年降水增加速率分别为13 mm·(10a)^(-1)、20 mm·(10a)^(-1),相较于历史时期最后一年(2014年)年降水分别增加了134 mm、178 mm。北半球陆地平均年降水量始终高于多年冻土区,但多年冻土区增加速率要高于北半球。在SSP3-7.0以及SSP5-8.5情景下,多年冻土区年降水量增加速率是北半球的1.5倍以上。

高山多年冻土区地面温度研究进展

多年冻土是冰冻圈系统的重要组成成分,其热状态和冻融过程的水热交换深刻影响高寒地区的水源涵养功能、生物地球化学循环和生态环境稳定。多年冻土区大气-地面的能量交换过程对气候变化及生态水文等冰冻圈相关环境要素的稳定及动态变化具有决定性作用。地面温度是高山多年冻土区大气-地面能量平衡的重要指标和冻土模拟制图的关键驱动条件。本文从冻土-气候关系、地面温度空间分异特征及其影响因素、地面温度监测和冻土模型等方面综述了高山多年冻土区地面温度主要的研究进展;并就空间异质性极强条件下植被、积雪、土壤等局地因素对高山多年冻土区气温和地面温度差的影响,以及地面温度的冻土模拟应用进行了展望。研究认为,地面温度是冻土热状态模拟制图的上边界条件,是比气温和遥感陆面温度更有效的多年冻土存在状态的指标,同时也是比钻探测温更简单经济的多年冻土热状态调查手段,然而过去研究不多,因此亟待开展高山多年冻土区地面温度及其与相关下垫面要素的长期协同监测。基于气温、遥感陆面温度进行多年冻土热状态的中大比例尺精准模拟及其时空分布制图,应充分考虑植被和积雪等因素对气温和陆面温度的定量削减作用,否则易造成多年冻土及活动层模拟与实际分布的较大误差。此外,中纬度高山多年冻土区极强的太阳辐射导致积雪较难稳定驻留,但其复杂相变作用对下伏多年冻土热状态的影响尚需长期定位监测和模拟研究以精准量化。

内蒙古拉布达林盆地多年冻土区浅层气发现及对天然气水合物勘查的重要意义

基于内蒙古拉布达林盆地天然气水合物调查工作,从陆域冻土区天然气水合物成藏系统理论出发,对天然气水合物成藏的冻土条件、物源条件、运移条件等关键要素进行了分析,认为拉布达林盆地同已经取得陆域天然气水合物勘查发现的青海省祁连山木里地区可进行类比。大西山煤田水合物探井ST-1井水合物永久性冻土底界可达65.25 m,大磨拐河组气源充足,水合物异常现象丰富。ST-1井浅层气的新发现,对内蒙古东部多年冻土区天然气水合物勘查有重要意义,为大兴安岭多年冻土区非常规天然气勘查工作提供新的勘查方向。

内蒙古岛状多年冻土区公路冻害特征研究

针对内蒙古岛状多年冻土区公路冻害问题,对区域内博克图至牙克石、室韦至拉布大林、伊尔施至柴桥三条公路进行了冻害调查统计。基于调查结果以及冻土地基和路基温度场计算结果阐述了冻土路基主要病害类型与形成原因,分析了区域内外界环境对公路冻害的影响。研究结果表明:该路域环境具有地表植被茂密、水体丰富、季节性积雪融水等显著特征;博克图至牙克石和室韦至拉布大林两条公路病害主要是由多年冻土融沉作用引起,而伊尔施至柴桥公路的病害主要由冻胀作用导致;区域内新建公路会破坏原有的沼泽湿地生态系统,从而影响路基结构内部的热状态以及永久冻土;路域环境地表丰富水体、路基坡脚积水或径流、季节性积雪融水也会增加路基路面的病害风险,影响路基的稳定性。

多年冻土区路基工程施工纵向裂缝形成机理及防治措施研究

受冻土区土层属性特征影响,在沉降作用下,路基工程的纵向裂缝问题较为严重,为此对施工纵向裂缝形成机理及防治措施进行研究。在纵向裂缝形成机理分析阶段,明确冻土区路基融沉在纵向裂缝形成阶段发挥的主导性。在防治施工阶段,当路基施工开挖至多冰冻土层后先铺设中砂做褥垫层,再铺设XPS保温板,以提高垫层的稳定性。采用冻胀不敏感A、B组填料作为施工材料,以方格施工的方式开展分层摊铺。碾压夯实施工阶段,采用重型振动式压路机作为施工装置,以两侧为施工的起始的部位,向中心纵向推进,直至地基的状态参数达到压实标准。在测试结果显示,地基的累计沉降量和纵向裂缝扩展深度均处于较低水平,起到了良好的防治效果。

多年冻土区片石通风路基施工控制

结合实际工程,首先阐述了多年冻土地区路基常见病害形成原理,并针对片石通风路基施工工程特性进行详细分析,重点对多年冻土区片石通风路基施工技术要点进行研究。

东北多年冻土区活动层水分迁移规律研究

为进一步研究多年冻土区零点幕的形成机理、水文与水资源环境变化特征、森林植被演替规律,解决寒区工程建设冻胀问题,文中通过对东北中高纬度岛状多年冻土区活动层地温及水分变化特征的监测,阐述了年水分循环3个阶段的迁移过程,以及年水分迁移总量下移,在活动层底部形成多层1~2mm薄冰层的原因。研究结果表明,水分迁移后的土层导热性突减、能量损失、相变潜热耦合作用是形成零点幕的决定因素。