青藏高原热喀斯特湖与多年冻土的相互作用

为深入理解热喀斯特湖与多年冻土间的相互作用, 本文以青藏高原北麓河盆地典型热喀斯特湖区域为例, 构建考虑热传导和热对流过程的水-冰-热耦合模型, 对热喀斯特湖作用下的多年冻土退化特征及热喀斯特湖的水均衡进行模拟,计算地质环境和气候变暖对热喀斯特湖水均衡和冻土的影响。研究结果表明: 热喀斯特湖周围冻土逐步退化并形成贯穿融区, 导致地下水循环模式发生改变;在地表温度作用下, 形成的活动层厚度为3.35 m;热喀斯特湖在整个模拟时段内表现为负均衡, 其排泄量在285~388 a间显著增加;地层渗透性能决定了热喀斯特湖和生态环境的发展方向;气候变暖加速多年冻土向季节冻土转变。研究结果可为进一步认识寒旱区生态水文过程提供科学依据。     

青藏高原热喀斯特湖演化及其对多年冻土的热影响模型计算研究北大核心CSCD

青藏高原热喀斯特湖分布广泛,近年来在气候变暖背景下快速发展。热喀斯特湖的形成和发展与地下冰含量及气候变化有着密切关系,强烈影响多年冻土的热稳定性。为了更深入理解在气候变暖背景下热喀斯特湖的发展及其对下伏多年冻土的影响,以青藏高原北麓河地区一个典型热喀斯特湖的长期监测数据为资料,发展了耦合大气—湖塘—冻土三个过程要素的一维热传导模型,模拟了四种不同深度热喀斯特湖在气候变暖背景下的发展规律及其对多年冻土的热影响。结果表明:浅湖(<1.0m)在目前稳定气候背景下处于较稳定状态,湖冰能够回冻至湖底,对下伏多年冻土影响较小;较深湖塘(≥1.0m)冬季不能回冻至湖底,湖深不断增加,且底部在50年内将会形成不同深度的融区。随着气候变暖,热喀斯特湖的热效应显著,深度快速增加,较深湖塘的最大湖冰厚度减小,底部多年冻土快速融化形成开放融区。研究将有助于理解气候变化对青藏高原多年冻土区地貌演化及水文过程的影响。     

青藏高原热融湖横向扩张速率对湖下融区发展影响的数值模拟

热融湖是高纬度和高海拔富冰多年冻土区重要的自然景观。这些湖由于富冰多年冻土或地下冰的融化而形成,由于湖水向周边多年冻土传递热量而持续扩张。以青藏高原北麓河地区一个热融湖的信息和冻土监测资料为基础,运用柱坐标系下伴有相变的热传导模型模拟了以不同的横向扩张速率演化的热融湖湖下融区的发展过程。结果表明：在青藏高原多年冻土厚度为75 m的北麓河盆地,分别以横向扩张速率0.10 m·a^-1、0.15 m·a^-1、0.20 m·a^-1和0.25 m·a^-1演化的热融湖,在湖形成分别达760 a、703 a、671 a和652 a时,湖下形成贯通融区,相应的多年冻土从上向下融化的平均速率分别为8.22 cm·a^-1,8.89 cm·a^-1,9.31 cm·a^-1和9.74 cm·a^-1。热融湖的横向扩张速率对湖下的融区发展和土壤热状况有重要的影响,在现场调查资料的基础上选取正确的热融湖横向扩张速率是热融湖对多年冻土热状况作用数值模拟研究的必要前提。     

青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应研究

结合国际冻土研究的热点问题和青藏高原脆弱生态环境可持续发展的需求,针对多年冻土退化过程中趋于加剧的热喀斯特现象,及其因融穿冻土、造成区域地下水位的改变而诱发的生态环境影响,在国家自然科学基金重点项目支持下开展"青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应"研究。项目主要通过遥感分析及野外调查,分析气候变化和工程活动影响下的青藏工程走廊内热喀斯湖时空分布规律,评价其生态环境效应;选取热喀斯湖广泛发育区域,调查其发育条件、规模和几何分布特点,揭示典型热喀斯特湖影响因素变化、水热状况等,通过水文学、同位素示踪试验等阐明热喀斯特湖与地下水之间的转换关系;结合抽水疏干试验进行热喀斯特湖对区域地下水位影响分析,并通过数值模型及模拟,依热喀斯特湖发育不同阶段、规模,分析其对区域冻土、水文条件及生态环境的影响。研究成果将有助于区域性冻土生态环境演化准确评价及趋势预测,以及深入理解诸如江河源多年冻土区水文状况演化影响因素,及其相应的生态环境响应机制。     

青藏公路沿线热喀斯特湖分布特征及其热效应研究

热喀斯特湖的出现和发育是多年冻土变暖的指示器,研究热喀斯特湖发育及其热效应是应对青藏高原气候变化和人类活动诱发冻土灾害的基础工作.基于SPOT-5卫星影像资料,在ArcGIS平台下解译遥感影像,获取了青藏公路沿线楚玛尔河至风火山段热喀斯特湖的数量和分布特征,这些热喀斯特湖以楚玛尔河高平原和北麓河盆地为主要分布区,且80％发育于高含冰量多年冻土区.热喀斯特湖通过竖向和侧向2种传热方式影响多年冻土,竖向传热会造成其下部多年冻土融穿,侧向传热会造成湖岸多年冻土增温,扩大热影响范围.通过北麓河地区一典型热喀斯特湖的数值计算,湖全年都在向湖岸放热.当热喀斯特湖离路基较近,将会对公路产生潜在或者直接的危害,其侧向热侵蚀往往会导致冻土路基温度升高,诱发路基病害.     

多年冻土区热融湖研究现状与展望

热融湖是多年冻土区地下冰融化形成的典型地貌单元,热融湖及其变化对多年冻土热状态、水文过程、生态环境、冻土工程稳定性等有着重要的影响. 热融湖还是重要的温室气体源,与全球气候系统存在着复杂而显著的互馈过程,是气候与环境变化的指示器. 因此,开展热融湖的相关研究是近年来冻土学研究的热点之一. 通过文献综述,从以下方面评述了热融湖研究的现状与进展：1) 热融湖形态特征及其演化过程;2) 热融湖热状况及其热效应研究;3) 热融湖和多年冻土区土壤-植被生态系统的相互作用研究;4) 热融湖对大气中温室气体的贡献. 最后,讨论了该领域目前面临的主要问题,提出了应在热融湖演化的基础理论、动态变化过程的预测、热融湖的冻土水文效应、区域尺度热融湖与冻土、生态、水文和气候耦合过程的综合等方面进一步开展研究,为定量预测和评价冻土区热融湖环境工程效应,应发展不同尺度的计算模型.     

基于移动网格技术的热融湖动态演化过程数值模拟

基于移动网格技术建立了热融湖动态演化有限元数值模型, 研究了青藏高原多年冻土区典型热融湖动态演化过程, 分析了热融湖半径、深度的变化过程及其对湖底及周围多年冻土温度状况的影响. 结果表明:在移动边界热融湖模型中, 热融湖半径以0.7 m·a^-1的速度近线性地增大; 随着下伏高含冰量冻土的融化, 热融湖深度增加先慢后快, 最后逐渐减小趋于稳定. 热融湖深度和半径从5月末至翌年1月末增加显著, 在2-5月间基本保持稳定. 伴随着热融湖的扩展, 地表边界逐渐演变为湖底边界, 热融湖的热影响范围逐渐增大. 在固定边界热融湖模型中, 其热影响会逐渐趋于稳定, 由于初始尺寸大, 其湖底多年冻土退化速率大于移动边界模型, 而远离湖边的多年冻土退化速率要小于移动边界模型. 如果不考虑热融湖边界随时间的变化, 可能会高估热融湖对湖底多年冻土的热影响, 而低估其对附近多年冻土的热影响.     

青藏高原典型多年冻土区的一维水热过程模拟研究

了解多年冻土内部的水热过程对寒区工程规划和建设的辅助决策具有重要意义.冻土的水分迁移与温度变化密切相关,然而传统的经验模型局限性大,对水热物理过程考虑不足;陆面过程模型所需的驱动数据多且很难准确模拟深层土温,尽管数值模型在工程上应用的比较多,但很少应用到冻土的演化过程中.基于非饱和土壤渗流和热传导理论,实现了冻土水分场与温度场的水热耦合数值模拟.以唐古拉综合观测场为例,将数值模拟结果与观测数据进行对比,验证水热耦合数值模拟的有效性.结果表明：模型对土壤温度模拟效果较好,15 m以上R²在0.88以上,RMSE在1℃以内;水分模拟尚可,但仍存在一定误差,R²在0.7以上,RMSE在7.65%以内.模拟的活动层厚度约3.6 m,年平均地温所在的深度约为15 m,与实测值基本一致.该水热耦合模型可用于研究多年冻土区土壤水热变化规律.     

青藏铁路北麓河地区典型热融湖变化特征及其对冻土热状况的影响

在全球气候变暖、青藏高原平均气温升高的大背景下,多年冻土区热融湖的发育及其对冻土热状况的影响日益显著.以北麓河地区的一典型热融湖为例,通过对湖岸坍塌及年地温变化等进行监测分析.结果表明:目前该热融湖湖岸逐年坍塌,坍塌主要发生在靠近铁路一侧厚层地下冰发育区域,年平均坍塌宽度大约为0.5m,湖心下原约83.0m多年冻土已全部融化.根据210Pb测年,估算该热融湖形成于约890aBP前.在热融湖的影响下,湖心至路基坡脚天然孔之间多年冻土上限深度及多年冻土厚度均发生了很大变化,湖近岸多年冻土上限深度比路基坡脚天然孔多年冻土上限深约0.65m,湖边多年冻土厚度也比路基坡脚天然孔多年冻土厚度薄约60m;湖心至路基坡脚天然孔之间土层在水平方向形成明显的地温差异,在相同深度,湖心下土层地温年平均值比天然孔地温年平均值高5.0℃左右.热融湖作为热量的载体,以二维热传导方式将热量向其周围传递,导致附近多年冻土温度升高,热稳定性降低.     

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。     

下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响

在气候变暖背景下,北半球多年冻土呈现不同程度的退化趋势,冻土升温、活动层增厚、地下冰消融改变了区域工程地质条件、地形地貌,不仅对寒区环境和工程稳定性造成潜在的威胁,还影响着这些地区的气候、水文和生态过程。因此,准确评估和预估多年冻土热状况的变化具有重要科学和实践意义。现有用于模拟多年冻土热状况的各类模式重点考虑了近地表温度场变化对多年冻土的影响,主要集中于对气温和浅表层物理过程和参数化方案等改进和优化,而对于下边界条件设置对多年冻土热状况模拟的影响少有讨论。基于一维热传导冻土模型,以五道梁地区的多年冻土为研究对象,通过设置不同的下边界方案进行模拟实验,定量评估百年尺度气候变化下不同下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响。结果表明：近地表层（<3 m）的温度场完全由年际气候变化决定,浅层（3~15 m）及中层（15~30 m）的多年冻土温度场受下边界条件的影响逐渐显著,深层（>30 m）的地温对百年尺度气候变化的响应不仅与气候变化的幅度有关,还与多年冻土相变热的多少有直接的关系。下边界条件不恰当的设置方式会对大尺度的气候变化下多年冻土消融程度的计算造成较大的影响,进而可能对深层地温乃至多年冻土区面积变化造成严重的误判。因此,开展百年尺度多年冻土温度场变化模拟时,应采用深层或多年冻土底板以下融土层的稳定地热流作为下边界条件。     

青藏高原东北部冬给措纳湖湖区冰缘环境探讨

冬给措纳湖位于青藏高原多年冻土区东北部,湖区高寒沼泽、冰缘环境、冻土分布及其演化在全球气候变暖条件下,有其自身特点.为探讨冬给措纳湖湖区冻土分布及冰缘环境,2009年5月9—26日,对冬给措纳湖进行了考察,发现冻融草丘、冻胀丘遗迹、寒冻裂缝、热融洼地、古冻融褶皱等现代冰缘及古冰缘现象在湖区普遍存在.湖东、西岸的沼泽湿地中,热喀斯特发育明显,形成热融洼地和冻融草丘.湖北岸阶地及草场中存在零星和岛状冻土,经钎探表明,当时融化深度为0.3～0.8m,0.4m深度处冻土有胶结冰发育.湖东冲积平原的沼泽湿地中,冻融草丘和热融洼地存在;冻胀丘遗迹、寒冻裂缝在沼泽湿地边缘泥炭覆盖地存在.湖北岸二级阶地剖面发现古冻融褶皱.     

青藏高原多年冻土热融灾害发展预测

青藏高原多年冻土区是世界上中低纬度多年冻土面积最大的区域,气候变化引起青藏高原多年冻土区年平均地温上升、地下冰融化、多年冻土退化等问题。借助ARCGIS技术手段,通过地下冰计算模型和Stefan公式计算研究区不同气候变化情景模式下的地下冰体积含冰量和活动层厚度变化。结果表明:在未来几十年内多年冻土的分布范围将不会发生显著变化,多年冻土的主要退化形式为地下冰的消融、低温冻土向高温冻土转化;但本世纪末多年冻土将发生大范围的退化。这一过程将引起热融滑塌、热融沉陷等冻土热融灾害。将Nelson热融灾害风险性评价模式进行修正,对研究区灾害风险性进行评估区划。最大的危险区主要分布在西昆仑山南麓、青南山原中部、冈底斯山和念青唐古拉山南麓、喜马拉雅山南麓部分区域,在未来几十年内有加剧的趋势。     

青藏工程走廊典型热融灾害现象及其热影响研究

在全球变暖及人类工程活动的影响下,青藏工程走廊内的热融灾害普遍发育。研究走廊内各类热融灾害的发育现状及其对多年冻土的热影响对今后的工程规划和冻土环境保护具有一定的指导意义。本文通过大量的野外调查工作,总结了走廊内热融灾害的类型及其发育现状,并选取3种典型热融灾害进行现场地温监测,分析其对多年冻土的热影响方式和程度。研究结果表明:3种热融灾害对其发育区域及附近的多年冻土都产生了巨大的热影响,热融滑塌和热融沟主要影响浅层的地温状况,而热融湖塘的影响范围更大,其发育甚至会导致湖塘下部形成多年融区。此外,侧向热流计算结果表明,3种热融灾害全年都在向其周边的多年冻土放热,通过对比发现热融湖塘的侧向热侵蚀能力最强,其次是热融沟,侧向热侵蚀最小的是热融滑塌。     

青藏高原北麓河地区典型热融湖塘周边多年冻土特征研究

青藏高原多年冻土区广泛分布着热融湖塘, 热融湖塘的形成会对周边的多年冻土产生显著的影响. 选取北麓河地区一典型热融湖, 运用探地雷达技术对该湖塘周边的多年冻土进行了探测.结果表明: 湖岸坍塌剧烈区一侧的多年冻土上限深度大于湖岸轻微坍塌区和湖岸稳定区, 并且在湖水的热作用下, 湖岸多年冻土的上限深度随离湖岸距离的减小而增大; 湖岸坍塌剧烈区上限附近的地下冰含量也明显高于湖岸轻微坍塌区和湖岸稳定区. 同时, 通过对湖岸测温孔的地温观测数据的分析可以看出, 湖岸地温正在逐年升高且升高的速率快于天然状态, 湖岸地温随离湖岸距离的减小逐渐增大.     

基于有限体积法的冻土水热耦合程序开发及验证

土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。本文采用基于有限体积法的开源软件OpenFOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响,以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与实验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。     

基于有限体积法的冻土水热耦合程序开发及验证

土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。采用基于有限体积法的开源软件OpenFOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与试验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。     

季节冻土区融雪冻土水热耦合模型研究

为描述季节性冻土地区的积融雪及冻土水热过程,采用能量平衡及水量平衡法建立融雪模型,采用有限体积法离散热传导方程和非饱和土壤水运动方程,并对其交界面处进行耦合处理,从而建立季节冻土区融雪冻土耦合数学模型。结合2005年曲玛莱实测站点的观测资料,从不同角度描述积雪变化,冻土活动层内土壤水热特征,检验模型方法的有效性,为揭示该地区的水文运动规律提供有力的支持。     

青藏铁路多年冻土区热棒的施工技术

青藏铁路要穿越550 km长的多年冻土区,其中年平均地温>-1.0℃的高温多年冻土路段275 km,高含冰量冻土类型路段长221 km.为确保路基工程的整体稳定,部分地段采用了热棒处理措施.热棒路基利用自然能源,在温差作用下驱动内部制冷工质的汽液两相对流循环,通过蒸发段蒸发吸热作用降低周围冻土温度,增加冻土本身的冷储量,提高热稳定性,保护多年冻土.热棒技术是一种有着广阔应用前景的新技术,尤其是在全球气温升高大环境下,其作用更为明显.针对热棒的工作原理和施工技术进行了系统的总结分析,实践证明,热棒能够很好的防止多年冻土的融沉、冻胀病害,已在青藏铁路、公路多年冻土区路基试验段取得重要的阶段成果,以后将会在多年冻土区施工中逐步推广应用.     

矿井通风对多年冻土井筒围岩热影响的数值分析 (Ⅱ): 多年冻土井筒围岩温度的变化规律

在多年冻土区进行煤矿地下开采, 通风作用改变了井筒围岩的热平衡条件, 从而引起了多年冻土上限及其井筒周围冻土季节融化层的变化, 有可能影响到井筒支护结构的稳定性. 因此, 研究在矿井通风作用下, 多年冻土温度场分布及随季节的变化趋势是有意义的. 基于ANSYS有限元分析软件, 针对多年冻土区某煤矿的赋存条件、 试验采场位置以及通风作用对冻土的影响范围, 建立了二维数值计算模型, 利用焓式有限元方法对多年冻土井筒围岩的温度特性进行了数值模拟, 分析了矿井通风对多年冻土井筒围岩的热影响程度, 其计算方法和结果为下一步多年冻土煤矿地下开采井筒支护设计提供参考依据.