多年冻土退化对青藏铁路桥梁桩基础地震易损性的影响

在青藏高原多年冻土退化趋势明显及地震活动频发的背景下,为研究多年冻土退化对青藏铁路桥梁桩基础地震易损性的影响,建立了桥梁桩基础-冻土相互作用有限元计算模型,并通过拟静力模型试验验证了模型的合理性。考虑多年冻土退化效应的影响,以桩基础曲率延性比为损伤指标,以地面峰值加速度PGA为地震动强度参数,并选取了符合场地特征的80条地震波,对不同多年冻土活动层厚度和轴压比下的原型桥梁桩基础进行了非线性地震损伤分析。拟静力试验和数值模拟结果表明:地震作用下桥梁桩基础顶部破坏严重,是整个桥墩-桩-土体系的薄弱部位;随着多年冻土活动层厚度的增加(退化程度加剧),周围土体对桩基础的约束减弱,桩身的最大曲率呈减小趋势,从而降低了地震作用下桥梁桩基础的破坏概率,但墩顶位移却有所增大,导致地震过程中落梁风险增加;而随着桥墩轴压比的增大,桩身最大曲率明显增加,多年冻土区桥梁桩基础的地震易损性显著增加。考虑到桥梁桩基础破坏后修复难度较高,因此多年冻土退化背景下青藏铁路桥梁抗震性能评估还需考虑高桥墩轴压比变化对桩基础地震易损性产生的不利影响。

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.

青藏高原北部多年冻土退化过程中生态系统的变化特征

多年冻土的发育是青藏高原冻土区生态系统稳定的基础,而多年冻土退化效应是目前青藏高原研究的热点。研究了青藏高原北部多年冻土退化过程中生态系统的变化特征。结果表明:在多年冻土退化的过程中,土壤温度逐渐升高,土壤含水量下降,有机质含量降低,植被类型表现为从沼泽化草甸演替为典型草甸,草原化草甸,最终成为沙化草地,群落植物组成从湿生或中湿生逐渐向中生、中旱生乃至旱生转变,草层高度变矮,植被盖度下降,α和β多样性均表现为先增加后减小,在草原化草甸阶段达到最大;草地植物生物量和载畜能力总体表现为降低趋势,但在典型草甸和草原化草甸之间差异不显著。植被经济类群的变化趋势表现为优良的莎草科和禾本科牧草比例下降,而毒杂草比例显著增加,牧草品质下降,饲用价值降低。

多年冻土退化对湿地甲烷排放的影响研究进展

全球气候变暖导致北半球大部分多年冻土区的冻土已经开始退化。多年冻土退化对冻土区湿地CH4排放产生重要影响,可能直接决定冻土区湿地对全球气候变暖的反馈方式。综述了近年来多年冻土退化对湿地CH4排放影响的研究。多年冻土退化导致的土壤活动层深度增加和植被类型由中生向湿生的转变都可能会大大增加冻土区湿地CH4排放量,从而可能对全球气候变暖产生正反馈作用。但多年冻土退化导致的水文条件变化、土壤温度变化和微生物组成及活性变化对湿地CH4排放的影响却存在一定的不确定性。多年冻土退化除了影响湿地CH4排放量之外,还可能通过改变土壤冻融过程而影响湿地CH4排放的季节分配模式。最后提出目前研究中存在的问题,并对未来研究方向进行了展望。

热融湖影响下多年冻土退化的数值模拟

在柱坐标下,运用带相变的数值热传导模型,预测了千年尺度上热融湖对多年冻土退化的影响。预测结果表明,受热融湖的影响,湖底下部及周围多年冻土温度状态发生了较大变化。在湖深相同的情况下,湖底年平均温度越高,对多年冻土的热扰动越明显。当湖底年平均温度等于0℃时,湖底下部及周围多年冻土一般不会形成融化层,只可能引起地温升高;当湖底年平均温度大于0℃时,多年冻土不但温度升高,上限下移,而且可能形成融化层,最终导致多年冻土可能被融穿。湖底年平均温度越高,地温增加越快,融穿多年冻土的时间越短。在湖底年平均温度相同的情况下,水深差异对多年冻土退化的影响不明显。

东北多年冻土退化及环境效应研究现状与展望

东北多年冻土属中高纬度多年冻土,对气候变化非常敏感。数据模型模拟表明,21世纪东北多年冻土区气温会持续上升,显著的变暖将导致多年冻土退化。东北多年冻土呈现自南向北的区域性退化趋势,多年冻土区南部表现为南界的北移、融区的扩大和多年冻土的消失,而北部表现为多年冻土下限的上移、活动层厚度增大及地温升高等。多年冻土的退化会导致寒区生态环境的恶化,如兴安落叶松占绝对优势的天然林带锐减,林带北移,沼泽湿地萎缩等。随着多年冻土的迅速退缩和变薄,原多年冻土中蕴藏的碳将释放出来,对气候变化产生积极的正反馈,加速变暖,并影响全球碳循环。多年冻土退化导致其热状态失稳而造成寒区基础设施损坏,并且影响冻土微生物、碳循环、寒区生态和水文等,而它们是区域气候变化的重要因子,也将成为未来多年冻土研究的重点。而这些研究都需要长期的基础数据作支撑,因此需要进一步完善冻土参数监测网络,用模型厘清气候变化与多年冻土退化及其环境效应之间的关系。

花石峡气候变化与多年冻土退化的关系预测

根据２１４国道沿线花石峡地区的气候变化特征和自然地理及地质水文条件，以该区长石头山连续多年冻土区４０ｍ深实测地温为基础，并以年平均气温升速率０．４℃／１０ａ为前提，对该区气候变化与多年冻土退化的关系等进行了模拟预测．

青海省共和至结古高速公路玛多至巴颜喀拉山多年冻土退化分析及预测

通过对玉树地区玛多至巴颜喀拉山多年冻土形成的地形地貌、气候气象、水文地质、冻土分布特征等分析,在对当地气温进行调查统计和分析的基础上,对当地多年冻土退化情况系统地进行了研究,从而为青海省玉树地区国道214线的多年冻土路基设计提供了可靠的基础依据。

青藏高原多年冻土退化对蒸散发的影响

青藏高原作为“亚洲水塔”对气候变化极为敏感,研究气候变化下青藏高原多年冻土退化对蒸散发的影响有助于理解多年冻土地区水文过程对气候变化的响应情况。基于Budyko-Fu假设,构建了考虑多年冻土活动层厚度变化的水热耦合模型,建立了符合青藏高原多年冻土区的模型参数化方案,通过设置情景假设探讨了多年冻土退化对蒸散发的影响。模拟结果表明:1982—2018年青藏高原多年冻土区平均年蒸散发为275.6 mm,空间分布由东南向西北递减;研究区年蒸散发整体上以3.57 mm/a的速率上升。多年冻土活动层加深会引起蒸散发的增大,忽略冻土退化因素将导致约2.2%的蒸散发低估。冻土退化对蒸散发的影响呈现显著的空间异质性,土壤有效含水量和植被覆盖度越低的地区,蒸散发对冻土退化的响应越敏感。

青海高原中、东部多年冻土及寒区环境退化

近年来,随着全球气候变暖和人类社会经济活动的增强,处于季节冻土向片状连续多年冻土过渡区的青海高原中、东部多年冻土退化显著.巴颜喀拉山南坡清水河地区岛状冻土分布南界向北萎缩5km;清水河、黄河沿、星星海南岸、黑河沿岸、花石峡等岛状冻土和不连续多年冻土出现融化夹层和不衔接多年冻土,有些地区冻土岛和深埋藏多年冻土消失,多年冻土上限下降、季节冻结深度变浅;片状连续多年冻土地温升高、冻土厚度减薄.1991—2010年巴颜喀拉山南北坡不连续多年冻土分布下界分别上升90m和100m,1995—2010年布青山南北坡不连续多年冻土分布下界分别上升80m和50m.造成冻土退化的主要原因为气候变暖,使得地表年均温度由负变正,冻结期缩短,融化期延长,冻/融指数比缩小.伴随着冻土退化,高寒环境也显著退化,地下水位下降,植被覆盖度降低,高寒沼泽湿地和河湖萎缩,土地荒漠化和沙漠化造成了地表覆被条件改变.

大兴安岭北坡多年冻土区植物生态特征及其对冻土退化的响应

多年冻土和植被是寒区生态系统的重要组成部分。随着全球气候变暖,多年冻土逐渐退化,导致土壤水分以及有机质含量降低,进而对地上植被产生影响。对大兴安岭北坡多年冻土区植物生态特征及其对冻土退化的响应进行了研究。结果表明,调查的30个多年冻土区共有85种植物,隶属于29个科,55个属。其中,蕨类植物1种,占种组成的1.2%;裸子植物1种,占种组成的1.2%;被子植物83种,占种组成的97.6%。在4种生活型中,以地面芽植物的种类最多,为51种,占植物种数的60%;地下芽和高位芽植物次之,分别为12和19种,分别占14.1%和22.4%;地上芽植物较少,为3种,占3.5%。在4种水分生态类型中,以中生植物种类最多,为50种,占植物种数的58.8%;湿生植物次之,为26种,占30.6%;沼生植物为7种,占8.2%;旱生植物最少,为2种,占2.4%。冻土活动层厚度50—150cm范围内,植物的科、属、种数最多,其次是大于150cm范围的冻土区,活动层厚度较小(<50cm)时,植物科、属、种数最少。随着活动层厚度的增加,即多年冻土退化,地面芽植物的物种数显著增加(P<0.05),高位芽植物的物种数显著减少(P<0.05),地上芽和地下芽植物的物种数随活动层厚度的变化不显著。随着活动层厚度的增加,沼生植物的物种数显著降低(P<0.05),中生植物的物种数显著增加(P<0.05),湿生和旱生植物的物种数随活动层厚度的变化不显著,群落植物组成从湿生逐渐向中生转变。

多年冻土区土壤中汞的研究进展

汞污染是当前重要的全球性环境问题。在气候变暖的背景下,多年冻土退化能够显著改变土壤环境和水热过程,进而可引发土壤中汞的活化和大量释放,对生态系统产生潜在的风险。本文综述了多年冻土区土壤总汞的浓度和储量、空间分布和影响因素,阐释了多年冻土不同退化过程中(活动层增厚和热喀斯特发育)土壤中汞的迁移转化和释放特征及其环境效应。北半球多年冻土区土壤总汞储量为597 Gg(384~750 Gg),植被吸收作用驱动的大气单质汞[Hg(0)]沉降是土壤中汞的重要来源。多年冻土区土壤中总汞含量和空间分布主要受大气汞沉降、有机质含量和沉降后过程(如淋溶作用)的影响。多年冻土退化不仅能够向大气和水生生态系统释放大量的汞,还可增强微生物甲基化作用生成剧毒的甲基汞(MeHg),已经对全球汞循环及区域环境产生了重要影响,且这一影响在持续加强。未来研究中需结合汞同位素等多技术手段,追踪多年冻土融水径流中汞的迁移转化和传输过程;强化热喀斯特对汞释放的影响研究;结合野外原位观测与模型模拟,全面评估多年冻土退化对土壤汞迁移转化的影响及其环境效应。

气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响——以青海省浅层冻土滑坡为例

受气温变化影响,浅层冻土滑坡失稳涉及水分的固液相态转换,是一个复杂的水热力耦合过程。为揭示气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响,基于冻土水热力耦合数值模型,模拟了2020—2024年青海省多年冻土区斜坡水热力演化过程。研究结果表明:水分迁移速率呈周期性变化,每年5—10月活动层融化程度高,总体积含水率变化趋势显著;夏季多年冻土上限以下的高含冰量土层融化产生厚度约15 cm的富水层,孔隙水压难以消散;4年间多年冻土上限下移10.4 cm,导致活动层和富水层的厚度增大,上覆融土下滑力增大、抗滑力减小,土体抗剪强度进一步下降;活动层土体每年产生数厘米冻胀融沉变形,抗剪强度不断劣化,坡脚处最容易形成薄弱带。

退化性多年冻土地区公路路基地温和变形规律

青藏高原多年冻土地区公路路基地温、变形监测资料表明,在工程活动和气候变暖双重作用下,路基下多年冻土普遍存在着上限下降和地温升高等特征退化,从而产生了以融沉为主的公路路基病害。基于青藏公路唐南段和青康公路K369段路基地温和变形的现场监测资料,总结退化性多年冻土地区路基的两类典型变形——横向不均匀变形和横向均匀变形规律,并分析路基地温、变形特征及其相互关系。结果表明,多年冻土地区路基的稳定性,最终取决于路基下伏冻土的地温变化和含冰量状况,其温度状况和路基路面的变形紧密相关。对于横向不均匀变形路基,多年冻土地区路基温度场的不对称性导致路基下多年冻土人为上限在路基下差异巨大,土层冻融状态的不对称最终引发路面变形在横向上的差异。退化性多年冻土区横向变形不均匀路基全年以沉降变形为主,且左、右沉降量差异较大,易于诱发纵向裂缝病害。对于横向变形均匀路基,退化性多年冻土地区公路路基变形以下沉变形为主,绝大部分路段没有明显的冻胀变形过程或冻胀变形很小,基本表现为年际的均匀沉降变形。横向变形均匀路基横向上变形比较均匀,年变形量相差不大,路基变形对路基稳定性和路面的影响较小。由于沿路基走向工程地质条件的差异,可能会形成局部沉降或波浪沉降变形病害。

抛石护坡保护公路下退化性多年冻土效果现场监测研究

为了验证抛碎石护坡保护退化性多年冻土区公路下多年冻土效果,2003年在214国道建立了抛碎石护坡试验路,并建立了系统的地温监测断面。监测结果表明,抛碎石护坡可以在夏季对路基土体起到保温作用,在冬季可以降低路基土体温度;采用抛碎石护坡措施断面各孔位多年冻土地温保持稳定,多年冻土人为上限也比较稳定;采取抛碎石护坡措施以后,可以降低路基周边温度,增强路基的热稳定性,有利于保护或延缓多年冻土退化,减轻公路路基病害程度。

国道214线多年冻土工程地质特征及退化分析

根据国道214线多年冻土工程地质勘察资料,对沿线多年冻土的工程地质特性进行了对比分析;总结了沿线多年冻土的分布情况,得出了在外界气温升高及人类工程活动的影响下,沿线的多年冻土都呈现退化趋势,并分析了其退化特征和退化原因;利用数值模拟仿真手段,对沿线多年冻土的退化趋势进行预测分析。

气候变暖背景下青藏高原多年冻土层中地下冰作为水“源”的可能性探讨

多年冻土中含有大量地下冰,全球气候变暖势必导致多年冻土退化,地下冰融化,部分水分被释放并参与到区域水循环之中,改变了区域水文状况.冻土退化-释水的过程在监测上面临较大困难,无法提供直接证据,但其长期累计的效果在宏观水文过程中表现显著.为此,利用近年来青藏高原部分湖泊水位变化监测以及地区水文情势变化研究成果,探讨了在气候变暖背景下,多年冻土层中的地下冰作为一种潜在水"源"的可能性.结果表明:多年冻土退化较强烈地区,补给源头在多年冻土区的封闭湖泊水位上涨、地下水位上升,排除其它补给量增加的可能性后,多年冻土地下冰很可能是补给水量增加的原因之一.

气候变暖对多年冻土区土壤有机碳库的影响

多年冻土区存储了大量土壤有机碳。气候变暖、多年冻土退化导致其长期封存的有机碳逐渐或快速释放,进入大气圈或水系统,改变原有多年冻土区碳循环,并可能显著加速气候变暖。通过综述气候变暖对多年冻土区碳库的影响研究进展,主要包括多年冻土碳库储量、降解机理及变化预测,研究表明:北半球多年冻土区的碳储量巨大,但不确定性很高,尤其是海底多年冻土和水合物碳库储量的评估;多年冻土碳库对气候变暖的响应速度受土壤水热特性、土壤有机质C/N比、有机碳含量和微生物群落特征等多种环境因素的控制或影响;目前,关于北半球多年冻土碳库对气候变暖响应模拟结果说明,多年冻土退化短期内不会导致经济和生产方面的灾难性后果。但是,无论是针对多年冻土碳库评估,还是多年冻土有机碳库对气候变暖的响应模拟研究结果,都有较大的不确定性。未来多年冻土碳库变化的模拟和预测研究应更多考虑多年冻土快速退化和多年冻土区水合物分解,如中小尺度热喀斯特的生态环境和碳的源汇效应。准确的多年冻土区有机碳排放模拟可为未来多年冻土碳与气候反馈的预估提供重要支持。

多年冻土区路基用压缩式制冷装置的开发与试验

针对中国多年冻土区广泛面临的冻土退化和路基热稳定性问题,基于压缩式制冷技术,提出一种新型多年冻土保护装置。首先,分析压缩式制冷技术面向多年冻土区路基工程的适用性。然后,设计与制作一款路基专用制冷装置-自动化压缩式制冷管,包括制冷单元和自动化控制单元。制冷单元为压缩机、节流器、蒸发器和冷凝器顺次连接而成的闭合循环回路,自动化控制单元为基于位式控制原理的微电脑控制器。装置制冷性能试验表明,制冷温度在正温环境中也一直保持在0℃以下,且可以自动地维持在-5,-10和-15℃等恒定范围内,制冷系数随着制冷温度的升高而增大。压缩式制冷管具有季节匹配性好和自动化程度高的技术优势,可以为多年冻土区路基工程提供一种有效的冻土退化防治方法。

青藏铁路沿线填土路基下多年冻土的演化规律

在全球气候变暖的背景下,青藏铁路沿线多年冻土目前处于退化状态,冻土退化将会对线路的稳定性产生影响,为解决这一问题,收集青藏铁路沿线多年冻土区冻土上限的观测数据,并比较2007年和2015年的数据,分析填土路基断面冻土上限特征,探讨减缓路基工程变形的工程措施。结果表明:青藏铁路多年冻土区填土路基人为上限有所抬升;由于线路存在左右侧阴阳坡的差异,致使两侧路肩以下人为上限形态差异性更加明显,并且冻土升温退化显著;对于青藏铁路多年冻土区路基,在工程边坡铺设碎石有助于应对气候变化引起的多年冻土退化导致的路基工程变形问题。