变暖背景下砾石换填对多年冻土区机场跑道下地温场的影响

受气候变暖影响,东北北部地区冻融灾害频发,对寒区工程设施造成了重要影响。地基温度场的研究是分析与解决工程基础冻融灾害的重要手段。文中我们以漠河机场跑道为对象,通过有限单元法研究了洁净砾石换填对机场道基温度场的影响,并对运行30年内道基温度场进行预测。结果表明,换填使季节最大冻结深度(MSF)增加,且换填对道基下MSF的水平影响范围在道面中心线两侧30 m左右。之后,通过比较不同换填深度(1.5(顶)~3.5(底)、1.5~4.5、1.5~5.5和1.5~6.5 m)的道基温度场变化,发现:换填底部深度达到4.5 m时,MSF变化的速率开始减小。最后,根据IPCC第六次评估报告(AR6)未来100年间不同气候变暖速率模型模拟研究了无换填与不同换填深度下的MSF可能变化。结果发现,到2100年,在SSP2-4.5情景下,未换填及不同换填深度的道基下MSF分别为1.63、1.86、1.84、1.84和1.84 m。因此,利用换填法来减少跑道冻融灾害时换填深度应至少达到4.5 m。同时,应加强漠河机场道基地表水与该跑道区地下水的防排水设施建设与维运。研究结果有助于进一步认识换填对多年冻土和活动层水热状态的影响,可为解决道基冻胀和融沉问题提供重要科学依据。

江河源冻土区土壤碳氮空间分布特征及其影响因素

江河源区是我国高寒生态安全屏障的重要区域,冻土的长期存在使其形成低温冻结环境,弱化了土壤微生物活性,抑制了土壤有机质的矿化过程,因而其近地表浅层土壤碳氮含量高。然而,土壤碳氮含量对不同冻土分区和环境因素响应的空间分异规律尚不清楚。为此,针对江河源4个不同冻土区(季节冻土区、岛状多年冻土区、不连续多年冻土区、片状连续多年冻土区)共11个样点进行植被样方调查、土壤分层采样。在分析碳氮含量的基础上,探讨了年均地温(MAGT)、活动层厚度(ALT)、海拔(ASL)、土壤深度(SD)、植被特征及土壤pH对土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、碳氮比(C/N)的影响。结果表明:(1)SOC、TN、C/N在片状连续多年冻土区最高,在季节冻土区最低,且与年均地温负相关,和海拔正相关;(2)江河源区SOC、TN、C/N随土壤深度的增加而降低,自表层至40cm深度整体下降幅度分别为58.45%、36.96%、17.01%;(3)SOC、TN、C/N与植被覆盖度(FVC)显著正相关(P≤0.05),与土壤pH值显著负相关(P≤0.01);(4)冗余分析表明,土壤pH、MAGT、ALT、SD、FVC是影响江河源区SOC、TN、C/N空间分布的关键因素。研究结果可为厘清气候趋暖条件下江河源区土壤碳氮空间分异规律及多年冻土热稳定性对土壤碳氮排放的影响提供科学基础,同时也有助于预测多年冻土区土壤碳氮空间变化。

积雪对多年冻土区埋地管道周围温度场影响的数值模型研究

积雪对下伏活动层、融区和多年冻土管基的水热和水文状态影响很大,同时对其力学性质和冻融灾害的发展变化也可产生重要影响。本文以中俄原油管道基础为研究对象,建立了随积雪深度动态变化时,在管道运行和有冰水相变条件下的埋地管道与周围管基土热相互作用的数值模型。研究结果表明,同一区域不同上边界条件对冻土温度场影响差异较大,尤其是当上边界条件中考虑实际的积雪影响时,会极大地影响管基土温度场的分布和活动层厚度。在30年管道运行影响下,地表有雪和无雪条件下的最大融化深度分别达到6.32 m和5.39 m,并且冬季积雪的存在导致土体温度上升,加剧了管基土的融化,导致管道正下方融化层不断增厚;有雪条件下地表0.05 m和1.00 m埋深处每次达到的地温最小值比无雪条件下高4.5℃和2.4℃左右,每年达到地温最小值时间也比无雪条件延缓10 d左右。因此,建议在管道设计和维运时充分考虑积雪对管基土的影响,采取相应管护措施,减小管道和积雪共同作用时对管周土体的影响。

基于DSR理论-综合云理论的中俄冻土区管道保温层效果失效类型研究

冻土区管道保温层效果与评价指标变化的随机性密切相关,以往冻土区管道保温层效果评价模型存在一定的局限性与不足。为了提升冻土区管道保温层效果模型的应用效果,本文基于驱动力-状态-响应(Driving force-State-Response,DSR)理论、综合云理论和迭代运算方法相结合的综合评价方法,构建适用于中俄冻土区管道保温层效果的评价模型。为了验证冻土区管道保温层效果评价模型的科学性,以中俄管道沿线(漠河—大庆段)四处典型监测区域MDX007、MDX113、MDX304和MDX364为实例,应用评价模型对管道保温层效果的失效类型和失效可能性概率进行了综合分析。结果表明:运用评价模型可以科学指导中俄原油管道保温层效果的评估,并依据相应的保温层效果失效类型结果给出对应的措施建议。综合云模型能够结合不同理论模型的优势,保证冻土工程环境评价的科学性,通过置信度值验证,具有良好的应用前景。研究成果可为中俄原油管线安全稳定运营提供战略性的科学支撑。

气候变化对中国多年冻土和寒区环境的影响

中国的多年冻土总面积为 2 .1 5× 1 0 6 km2 ,主要分布在高海拔地区。 40年来 ,随寒区经济的快速发展和资源、环境问题的日益突出 ,冻土和寒区气候变化研究获得了长足的进展。我国大部分地区的多年冻土退缩趋势明显。 2 1世纪 ,受气候变暖和人为活动的共同影响 ,青藏高原和东北地区北部多年冻土将大幅退缩。冻土广泛退缩将对中国的寒区经济和环境产生重要影响。但是 ,冻土退缩及其对环境的影响还存在很大的不确定性。

大小兴安岭多年冻土退化及其趋势初步评估

大小兴安岭多年冻土处于欧亚大陆多年冻土带南缘, 地温高、厚度小、热稳定性差、对气候变暖的敏感性强.过去40 a来该区多年冻土退化主要表现为最大季节融化深度增大, 厚度减薄, 地温升高, 融区扩大, 多年冻土岛消失等.气候变暖及该区森林植被的锐减是导致多年冻土退化的普遍性和基础性因素, 而多种人为活动影响起了加速促进作用.依据多年冻土南界与多年平均气温的密切相关关系, 据1991-2000年平均气温-1.0～1.0 ℃等值线给出了现今多年冻土南界位置, 并探讨了未来40～50 a后气温升高1.0～1.5 ℃情况下多年冻土南界的可能北移情况.

青藏高原中、东部局地因素对地温的双重影响(Ⅰ):植被和雪盖

青藏高原冻土区地温既受海拔、纬度和经度（干燥度）区域地带性规律控制，同时它又受植被、雪盖、砂层、水被和地质构造等局地因素的显著影响。局地因素对地温的影响具有双重性：在不同域值条件下，它可增高或降低地温。地温随植被覆盖度减小而逐渐增高，但覆盖度减到0～20％时，地温反而降低。在青藏高原东部、南部和腹部的高山区，冷季降雪多，很多地段为稳定积雪区，雪盖厚，持续时间长，对浅层地温起保温作用；而高原腹部的高平原、河谷和盆地冷季降雪较少，雪盖薄，持续时间较短，一般保温作用微弱。当雪盖厚度超过20cm以后，保温作用即开始增强；在暖季因积雪存在时间短，雪盖薄，短期内对浅层地温起冷却作用。总之，每种局地因素迫使地温向相反方向转化阶段是一个区间值，为渐变过程。随时空尺度变化，局地因素的影响变化很大。有些地段，几种局地因素共同作用，加上活动构造和地形、地貌等的影响，使地温的时空分布和局地因素对其影响或控制变得错综复杂。因此，研究和预测地温特征和变化趋势，需要在监测植被和积雪作用的基础上进行参数选择、验证和优化。

多年冻土区输油管道工程中的(差异性)融沉和冻胀问题

多年冻土区石油和经济开发不断推动输油管道技术的发展,但是多年冻土区输油管道的(差异性)融沉和冻胀问题仍是关键性难题.寒区管道设计和施工必须考虑沿线的地形和环境条件对冻胀和融沉,以及相应的管道工程基础和结构整体性的影响.阿拉斯加输油管道工程取得成功的原因在于充足的科研投入、讨论和决策时间,以及最终采用的一系列创新设计来保护多年冻土和抑制融沉.这些研究围绕的关键问题是温热油管在多年冻土中的水热效应和差异性融沉和冻胀所导致的管道变形破坏,这些研究对可能出现问题的及早发现、充分理解和正确预测以及最终合理的设计、施工和维护至关重要.罗曼井和格拉线环境温度输油管道在20a左右的运营中,冻胀和融沉都比较显著.准确预测管道和围岩土的冻胀和融沉需要详细的观测研究和模拟试验相结合.在预测的基础上,针对具体问题抑制融沉和冻胀.成功设计、施工和运行寒区输油管道需要科学家、工程师、业界人士和管理部门密切合作.

黄河源区冻土特征及退化趋势

黄河源区位于青藏高原多年冻土区东北部边缘地带,是季节冻土、岛状多年冻土和在大片连续多年冻土并存地带.多年冻土层在垂向分布上有衔接状和不衔接状两大类.不衔接状又可分为浅埋藏(<8m)、深埋藏(>8m)和双层多年冻土等形式.从20世纪80年代以来,源区气温以0.02℃.a-1增温率持续上升,人类经济活动日益增强,导致冻土呈区域性退化.多年冻土下界普遍升高50～80m,最大季节冻深平均减少了0.12m,浅层地下水温度上升0.5～0.7℃.冻土退化总体趋势是由大片状分布逐渐变为岛状、斑状分布,多年冻土层变薄,冻土面积缩小,融区范围扩大.部分多年冻土岛完全消失变为季节冻土.

中俄管道(漠河-乌尔其段)多年冻土环境工程地质区划和评价

在汇总大量勘察资料的基础上,充分考虑冻土区输油管道工程的特点,以及管道与冻土之间的相互作用和过程,重点阐述中俄输油管道沿线多年冻土环境工程地质条件,确定出中俄管道沿线冻土环境工程地质区划原则和指标。按不同类型多年冻土的区域分布规律及面积比率,并考虑地温、厚度及植被变化等特征,分成4个冻土工程地质区,即漠河—瓦拉干片状冻土区、瓦拉干—劲松大片融区的多年冻土区、劲松—加格达奇岛状多年冻土区和加格达奇—乌尔其零星多年冻土区。然后按多年冻土含冰(水)量类别,并兼顾土层冻胀、融沉分类级别,又在4个区内共划分出151个冻土类别地段,依次按区分级进行评价,最后将这151个地段归纳为4种类型的工程地质地段:良好、较好、不良、极差。

冻土区输油管道工程基础稳定性研究

寒区管道基础设计和施工必须考虑沿线的地形和环境条件对冻胀和融沉,以及相应的管道工程基础和结构整体性的影响。输油管道工程需要充足的科研投入、论证及决策时间。在此基础上,采用一系列创新设计来保护(或预先融化)冻土,抑制融沉。这些研究围绕的关键问题是温热及环境温度油管在多年和季节冻土中的水热效应、差异性冻胀及融沉所导致的管道变形破坏。这些研究对可能出现的问题进行及早发现、充分理解、正确预测以及最终合理的设计、施工和维护至关重要。

青藏工程走廊冻土环境工程地质区划及评价

文章采取层次分析和综合评判的三级区划方法,分别考虑冻土的类型、热稳定性和含冰(水)量,将西大滩至安多间的青藏工程走廊划分为3个工程地质区、20个亚区和51个地段,按区(段)简要评价了冻土工程地质条件和寒区环境。文章对青藏工程走廊进行了较全面的冻土工程和寒区环境工程地质综合评价,能为工程设计、施工和运行维护、融冻灾害整治和环境管理提供科学依据。

青藏高原中、东部全新世以来多年冻土演化及寒区环境变化

古冻土存在的依据和判别标志主要是古冻土遗迹（深埋藏多年冻土层、古冻土上限、融化夹层、厚层地下冰）和古冰缘现象（古冻胀丘、古融冻褶皱、砂楔、土楔、冰楔假型、风成沙丘、黄土层、厚层泥炭和腐殖质层等）。文章结合大量的测年数据，利用古代和现代冻土以及冰缘现象的时空分布差异综合分析对比，将全新世以来青藏高原多年冻土演化过程和环境变化划分为6个较明显的时段：早全新世的气候剧变期（10800aB．P．至8500-7000aB．P．）、中全新世大暖期（8500-7000aB．P．至4000-3000aB．P．）、晚全新世寒冷期（4000-3000aB．P．至1000aB．P．）、晚全新世温暖期（1000aB．P．至500aB．P．）、全新世末小冰期（500aB．P．至100aB．P．）及近代升温期（100aB．P．至今）；同时，概述了各时段高原冻土的发育条件、分布范围及总面积，和当时高原上的古气候、古地理环境。

兴安岭多年冻土退化特征

受气候变暖和人为活动的共同影响,过去数十年来兴安岭山区的多年冻土退化显著。冻土退化南部快于北部、城镇快于田野、农田快于林区、采伐过林区快于原始林区。在局部小范围内,冻土退化顺序为先高后低、先山上后谷地(或盆地中心)、先阳坡后阴坡。冻土退化程序从农田(或裸地)→草地→灌丛→林地→沼泽湿地,依次冻土退化由快到慢。纬度和高度地带性控制冻土退化特征,但局地因素亦对其产生重要影响,造成小范围内冻土特征的突变。人为活动已经、正在并将对兴安岭冻土退化和寒区生态环境产生重要影响。

呼伦贝尔高平原全新世早晚期砂、土楔及其古气候环境意义

砂、土楔等楔状构造是多年冻土曾经存在的可靠证据,其与多年冻土及年均地、气温度的关系也是重建古冰缘环境的依据。在呼伦贝尔高平原中南部的乌尔逊河、辉河、新巴尔虎东旗和鄂温克旗发现大量砂、土楔及伴生的冻融褶皱。通过对其形态、规模及围岩(土)结构分析,并根据楔内充填物及围土的^(14)C定年结果判断,砂楔形成于早全新世(约10.0～7.5kaB.P.),当时研究区年平均气温为-6.5～-7.0℃;土楔形成于晚全新世(约2.3～2.0kaB.P.),其时年平均气温为-5.0～-5.5℃。这表明,早全新世更为干寒,风沙堆积活跃,多年冻土分布广泛;进入晚全新世后,气候转暖,呼伦贝尔气温与现今大兴安岭北部(即满归以北)的年半均气温(-5.0～-5.4℃)大体相当。据此推测,当时呼伦贝尔高平原的冻土发育程度与满归以北地区现今大片多年冻土状况相似。早全新世砂楔(脉)形成时期气温比现今大兴安岭北部低1.5～2.0℃。依此可见,早全新世该区多年冻土地温低于现今大兴安岭北部的地温(-1.5～-2.0℃),冻土厚度超过80～100m。

青藏高原花石峡冻土站高寒湿地CH_4排放研究

利用静态箱技术对青藏高原花石峡冻土站附近湿地生态系统ＣＨ４排放的初步调查表明，各个植物群落内部和不同群落之间的ＣＨ４排放量变化都很大．花石峡地区高寒湿地基本可分为潮湿高寒草甸、沼泽化草甸、杉叶藻沼泽和毛柄水毛茛沼泽，其群落夏季ＣＨ４平均排放量分别为４４３１，１００５，４５９４和－０２８ｍｇ·ｍ－２ｄ－１．花石峡融化季节ＣＨ４排放量为４０８ｇ·ｍ－２ａ－１．简单外推表明，青藏高原高寒湿地ＣＨ４年排放量约为１Ｔｇ·ａ－１．

气候变暖条件下,中(高)亚洲地区不稳定型冻土的巨大挑战和创新解决方案:——来自首届亚洲冻土大会及会后青藏高原考察的总结报告

首届亚洲冻土大会于2006年8月5～16日在兰州、青藏线和拉萨顺利召开．大会讨论主要包括以下5个议题：1）冻土工程；2）山区和高原冻融灾害及冰缘环境；3）冰冻圈的气候与环境条件；4）冻土水文、寒区水资源及土地利用，和；5）冻土监测、制图及模拟．国内论文大多集中于青藏铁路各种科技创新和工程（示范）建设方面．中亚冻土分类、制图和监测研讨会明确了制定统一的中亚地区冻土图的计划和实施方案．会议期间，国内主要新闻媒体对全球15位著名冻土学家进行了联合采访．大约80位中外代表参加了青藏（公）铁路沿线考察，并于8月15日在拉萨举行青藏铁路工程和环境问题讨论会．专家一致认为，青藏铁路所采取的冻土工程措施基本上是恰当、有效的，能够保证青藏铁路路基的长期稳定性．但是，沿线寒区环境保护问题还任重道远，需要尽快进行综合管（治）理，以达到青藏地区社会经济和谐、持续发展的目标．

东天山中段乌鲁木齐河上游冻土热状况研究

东天山中段高山多年冻土的分布与海拔关系密切。阳坡和阴坡的冻土下界海拔分别为3250和2900m,大致与-2.0℃气温等值线一致。冻土钻孔测温表明,随海拔由3348m升高至3900m,冻土地温由-0.7℃降至-4.9℃,冻土厚度由50m增厚至230m。2号钻孔(海拔3437m)地温等值线表明,0.5m季节融化始于4月底,10月中旬达最大,季节融化深度3.5m;回冻始于11月初,2月中旬回冻完毕。在4号孔(海拔3549m)0.5m深度上融化始于6月中旬,10月中旬达最大,季节融化深度2.3m,随后回冻开始并于12月底冻透。

基于气候干燥度的青藏高原多年冻土区分类新方案

采取综合分析与主导因素相结合的原则,阐明了青藏高原各大地貌单元的大气环流及自然景观特征,描述了高原多年冻土形成和分布格局.基于综合地域分异规律,以年降水量和干燥度(蒸发/降水)作为主要指标,并参考年平均气温、气温年较差及年平均空气湿度等,结合地形因素将高原多年冻土划分为:湿润型、亚湿润型、半干旱型、干旱型和极干旱型五种类型,并对各类多年冻土的代表性地区的冻土特征分别进行论述.该分类方法适合于小比例尺的冻土测绘和制图.

天山乌鲁木齐河源冰达坂多年冻土温度监测

乌鲁木齐河源冰达坂５号钻孔是天山山脉海拔最高（３９００ｍ）的地温观测孔．１９９１～１９９５年监测结果表明，基岩温度呈现明显的昼夜、季节和年际变化，其中２ｍ左右受山坡粗砾石中径流热扰动和降水热渗浸的强烈影响，８～１０月平均地温在０℃附近振荡．５ａ平均地温为－５０℃，推测多年冻岩厚度约在２４０ｍ左右．在１８ｍ处年温度变幅仍为０６℃，地温年变化深度约在２５～３０ｍ之间．０５，１０和２０ｍ温度处呈明显升高趋势，而１０和１８ｍ处地温缓慢下降．这可能归结于１９９５年的夏季高温和１９９４年冬季低温及秋季丰富降水的热渗浸．