多年冻土融化对气候变化与人类社会的影响

受全球气候变暖的影响,多年冻土融化有愈演愈烈的趋势。多年冻土融化是由全球气候变暖引起的,并在一定程度上加快了全球变暖的进程,对生态环境和人类生活造成巨大影响。基于此,从全球变暖引发的各种极端天气以及多年冻土融化的各种现象出发,分析多年冻土融化对气候变化与人类社会的影响,以期为相关人员提供参考。

季节冻土融化对基坑土钉支护的影响

北京地区开春时期基坑土钉支护事故比较多,不少事故均与季节冻土的冻融有关。航遥大厦基坑土钉支护在天气转暖时也出现险情,结合航遥基坑的施工过程和坡顶水平位移观测记录,应用有限元方法对该基坑土钉支护的施工过程和受冻土融化的影响进行了分析。分析表明,施工中出现渗水的土钉支护受季节冻土冻融的影响非常明显。

季节性冻土融化期小流域尺度面源污染物迁移规律

为更好地认识冻土在融化期面源污染物的析出规律,该文以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象,将流域分为4类典型汇流区,监测了冻土融化期不同汇流区以及小流域尺度的水文特性及面源污染物析出入河过程。采用质量平衡法确定了流域尺度的水量及污染物析出量。第I类汇流区水和污染物析出通量主要受稻田排水汇流过程影响;以玉米种植为主的第II和第III类汇流区,水和污染物析出通量变化范围受到土壤利用信息的影响更为显著;农村居民区(第IV类汇流区)单位面积析出通量显著的超过I^III类汇流区。初始条件、汇流区面积、坡度是影响冻土向河道析出过程的重要因素。冻结过程中,水稻和玉米两种下垫面水和污染物质量显著增加,然而表现出显著不同的再分布过程。冻土融化过程中,第I、II和III类汇流区表层融化区主要影响NH4+的析出入河过程,最大融化区内含水量和NO3-浓度发生显著变化。冻土融化期析出流量和NH4+析出通量的标准差与均值比显著的小于NO3-析出通量标准差与均值比。采用质量平衡方法确定的流域水和污染物析出入河过程与通过不同汇流区析出水量和污染物质量叠加所确定的水和污染物析出入河过程一致。平衡分析表明,单位面积冻土中水、NH4+和NO3-析出量占未融化层以上水、NH4+和NO3-析出量的32.9%~74.6%,96.3%~243%,28.6~182%,占土壤最大冻结深度以上水、NH4+和NO3-析出量的10.6%~59.2%,26.4%~110%以及17.6~76.4%。

新疆石河子冻土特征及冻土融化期地温、冻土深度预报研究

为了确保春季播种安全,有必要开展播种期地温的监测和冻土融化深度预报业务。利用新疆农八师冻土气象观测资料,运用相关系数和线性回归方法,分析冻土特征及融化过程中地温变化、深度变化规律,建立春季冻土融化预报模型。结果表明,新疆农八师垦区稳定冻土期在11月中旬至翌年3月下旬,冻土最大深度呈逐年变浅趋势,倾向率为-5.4 cm/10 a;冻土结冻日期推后,倾向率为2.0 d/10 a;冻土化通日期提前,倾向率为-1.5 d/10 a。冻土融化期在3月中旬至4月上旬,冻土融化速率在3.1~4.0 cm/d之间。春季地温与平均气温、冻土融化深度与正积温具有显著的正相关,以此建立了相应的预报模型。10 cm地温预报模型历史回代准确率在96%以上,冻土融化深度预报模型历史回代准确率在94%以上。通过模型可以开展春季地温和土壤融化预报业务。

高温冻土融化固结的水热力耦合模型构建

依据比奥(Biot)固结理论,应用总拉格朗日(Total Lagrangian)方法建立考虑大变形的应力场控制方程;引入应力-温度耦合损伤模型作为冻结状态下的高温冻土本构模型,以未冻水含量为耦合节点建立水热力耦合模型;通过冻结粉质黏土的升温三轴压缩试验验证模型的有效性,分析水热力耦合模型与应用小应变假设的模型的差异。结果表明:水热力耦合模型经过引入高温冻土应力-温度耦合损伤本构模型,冻结状态初始融化阶段预测结果与试验曲线较吻合。在变形加速至缓慢变形过渡阶段(1.5~2.5 h),模拟结果与试验曲线存在一定差异,但整体可有效预测高温冻结粉质黏土的融化固结过程。考虑大应变状态的水热力耦合模型,对融化变形的预测精度优于应用小应变假设的模型。根据模拟结果,分析水热力三场的相互作用关系、冻土融化固结过程,高温冻土外部升温状态下,边缘融化部分形成排水通道,加速上部土体水分排出。

冻土融化将显著提升全球气温气候变化条约排放目标需考虑其影响

地球北半球近1／4的面积由冻土覆盖．冻土层中含有大量的C02和甲烷气体．联合国环境规划署（uNEP）日前发布一份报告指出，如果冻土融化，将改变生态系统，并使全球气温显著上升．UNEP在卡塔尔多哈举行的《联合国气候变化框架公约》第18次缔约方会议期间，发布了一份题为《冻土变暖的政策影响》报告，重点论述冻土融化后释放C02和甲烷的潜在危险．

北方采金船增产的主要措施之一——冻土融化

北方采金船低效、低产的主要原因是季节冻土和永久冻土的影响,要解决这个问题的主要办法是冻土的融化。本文论述了处理冻土几种方法的效果,并提出了几点建议。

多年冻土地基钻孔灌注桩的冻土融化厚度与回冻时间

多年冻土地基钢筋水泥混凝土钻孔灌注桩的成桩过程,将导致钻孔灌注桩周边的多年冻土升温及融化。原有多年冻土的融化厚度、范围,以及融化后冻土的回冻时间,对钻孔灌注桩承载力的形成及其构成方式有较多的影响。相应地,在多年冻土地基中,水泥混凝土钻孔灌注桩的承载能力形成与变化过程也有别于一般地基中的钻孔灌注桩。在分析多年冻土地基水泥混凝土钻孔灌注桩承载能力的形成特点基础上,考虑水泥水化热的影响并计算桩周冻土的融化厚度与回冻时间,可供多年冻土地基钢筋水泥混凝土钻孔灌注桩承载能力计算与分析之参考。

美最新研究：永冻土融化释放过量碳加速全球变暖

美国一项最新研究称，随着气温的上升，到2200年地球的永久冻土层估计有多达2／3将融化消失，从中释放出的大量碳反过来又会加速全球变暖。

永久冻土融化将进一步加速气候变化

2020年夏天,野火沿着北极圈蔓延,罪魁祸首之一可能是随着永久冻土融化而燃烧的泥炭地。8月发表于美国《国家科学院院刊》的一项研究表明,北部泥炭地最终可能会从碳的净吸收地转变为碳的净来源地,这将进一步加速气候变化。泥炭地是富含碳的土壤,是地球上碳密度最高的生态系统,北部泥炭地积累了大量的有机碳(C)和氮(N),但其空间分布和对气候变暖的脆弱性仍不确定。

永冻土融化释放过量碳加速全球变暖

美国一项最新研究称，随着气温的上升，到2200年地球的永久冻土层估计有多达三分之二将融化消失，从中释放出的大量碳反过来又会加速全球变暖。

季节性冻土区某露天矿山边坡变形规律研究

为分析冻土融化、爆破振动及降雨因素对高寒地区露天矿山边坡稳定性的影响,采用合成孔径边坡雷达监测及无人机航测技术,对某矿山边坡进行连续不间断监测,研究冻土融化、爆破振动及降雨因素影响下边坡的变形规律。研究结果表明:受冻土融化影响,区域变形均发生在白天温度较高时间段,夜晚基本无变形累积;爆破振动对作业附近松散岩体影响较大,1天内变形基本出现在爆破振动作业后的2~3 h内,其余时间基本无累积,变形曲线呈阶梯状增长;降雨后采场坡顶表土层出现多个分散分布的沉降变形区域,变形曲线没有明显规律。研究结果验证合成孔径雷达监测技术的有效性,为分析采场变形诱因提供参考。

降雨对多年冻土区浅层滑坡失稳的影响研究

近年来青藏高原多年冻土地区降雨量呈增大趋势,导致活动层沿多年冻土层滑脱,诱发的冻土浅层滑坡灾害严重影响区域生态环境和人类活动。冻土浅层滑坡失稳是渗流、温度和应力复杂耦合的过程,明确降雨条件下多年冻土斜坡水热力响应机制,揭示降雨诱发冻土浅层滑坡失稳的机理十分关键。基于冻土水热力耦合数值模拟方法,建立了仅施加气温变化的模型一和在气温变化基础上施加强度为9 mm·d^(-1)、持续降雨18 d的模型二,探讨了低强度、长时间降雨对多年冻土斜坡水热力演化的影响。结果表明:夏季雨水入渗对斜坡浅层温度场产生扰动,进而影响土体冻融过程,活动层以下有形成富水层的可能。雨水入渗导致融土饱和度大幅增加,水分渗流方向由竖直向下逐渐转变为顺坡方向。极限状态下斜坡位移分布在活动层,符合冻土浅层滑坡变形特征,降雨入渗数天后活动层位移有显著增大的趋势,最大位移所在位置向坡脚转移。降雨对斜坡稳定性影响显著,雨水入渗对活动层水热力产生持续影响,斜坡安全系数最小值出现明显滞后。研究结果为青藏地区冻土浅层滑坡灾害防治提供了科学指导。

桥梁钻孔灌注桩施工中高温冻土地基温度场动态监测与研究

通过对钻孔灌注桩地基温度变化进程进行为期 1 a 的监测,掌握了施工扰动下高温冻土地基温度场的变化规律。研究结果表明,采用冲击钻成孔工艺的混凝土灌注桩施工,对地基温度场的热扰动较大;寒季大气降温仅对浅层地基具有直接冷冻作用,而发生在深层自下而上冻结过程和桩侧土体由外向内的冻结过程却十分缓慢,温度降低幅度有限。高温多年冻土地段钻孔灌注桩群桩基础周围土体的温度,在有限的施工期内不能回冻到初始温度状况。

青藏公路多年冻土路基内的热状况

基于青藏公路沿线2组地温观测孔5年的地温观测资料,定量分析了高温冻土区和低温冻土区路基内的热状况。结果表明:路基近地表地温明显高于对应天然地表下的地温,路基近地表经历的融化期长于对应天然地表,高温冻土区路基内已形成贯穿融化夹层;进入路基内活动层的热收支呈明显热积累状态;进入高温冻土区路基下伏多年冻土内的热收支处于持续不断的吸热状态,进入低温多年冻土区的热收支也呈现出吸热明显大于放热的周期性变化;高温冻土区接近0℃的地温及其持续不断的热积累是引起下伏多年冻土不断融化的主要原因,低温冻土区进入多年冻土的热积累暂时以增高地温耗热为主,随着地温的增高,低温冻土区也可能发生强烈的冻土融化。

森林土壤融化期异养呼吸和微生物碳变化特征

采用室内土柱培养的方法,研究在不同湿度(55%和80%WFPS,土壤充水孔隙度)和不同氮素供给(NH_4Cl和KNO_3,4.5 g N/m^2)条件下,外源碳添加(葡萄糖,6.4 g C/m^2)对温带成熟阔叶红松混交林和次生白桦林土壤融化过程微生物呼吸和微生物碳的激发效应。结果表明:在整个融化培养期间,次生白桦林土壤对照CO_2累积排放量显著高于阔叶红松混交林土壤。随着土壤湿度的增加,次生白桦林土壤对照CO_2累积排放量和微生物代谢熵(q_(CO_2))显著降低,而阔叶红松混交林土壤两者显著地增加(P<0.05)。两种林分土壤由葡萄糖(Glu)引起的CO_2累积排放量(9.61—13.49 g C/m^2)显著大于实验施加的葡萄糖含碳量(6.4g C/m^2),同时由Glu引起的土壤微生物碳增量为3.65—27.18 g C/m^2,而施加Glu对土壤DOC含量影响较小。因此,这种由施加Glu引起的额外碳释放可能来源于土壤固有有机碳分解。融化培养结束时,阔叶红松混交林土壤未施氮处理由Glu引起的CO_2累积排放量在两种湿度条件下均显著大于次生白桦林土壤(P<0.001);随着湿度的增加,两种林分土壤Glu引起的CO_2累积排放量显著增大(P<0.001)。单施KNO_3显著地增加两种湿度的次生白桦林土壤Glu引起的CO_2累积排放量(P<0.01)。单施KNO_3显著地增加了两种湿度次生白桦林土壤Glu引起的微生物碳(P<0.001),单施NH_4Cl显著地增加低湿度阔叶红松混交林土壤Glu引起的微生物碳(P<0.001)。结合前期报道的未冻结实验结果,发现冻结过程显著地影响外源Glu对温带森林土壤微生物呼吸和微生物碳的刺激效应(P<0.05),并且无论冻结与否,温带森林土壤微生物呼吸和微生物碳对外源Glu的响应均与植被类型、土壤湿度、外源氮供给及其形态存在显著的相关性。

冻土融沉系数的预报模式

冻土融化时,由于冻土层冰融化和水的自由消散,使土体在自重作用下产生下沉。在工程上,常用融沉系数来描述冻土的融沉性。给出融沉系数在两个不同状态下的预报模式:在饱和及过饱和状态下,只给出理论公式;在非饱和状态下,则同时给出理论公式和经验公式。将各式的计算结果与实测值进行对比,可以看出,其计算值均能较好地反映实际。

多年冻土区公路车辆制动力对冻土破坏的原因分析

通过调查省道加漠公路塔河至漠河段旧路冻土对路基路面的破坏形态,讨论了刹车制动力对路基路面下的冻土地层影响;表明刹车制动力改变了冻土地层的力学性质,并且加快冻土的融化。