热惯量填图与冻土研究

详细地介绍了热惯量填图技术在多年冻土研究中的应用。研究中利用MODIS~星图像的数据,借助热惯量方法对青藏高原东北部的多年冻土进行了分析。其结果表明,由热惯量图像所圈定的冻土范围与常规野外调查方法的结果极为吻合。     

青藏高原多年冻土区热融滑塌发育特征及规律

在全球气候变暖和高原多年冻土持续退化的背景下,青藏高原多年冻土区热融滑塌现象普遍发育,其形成不仅影响区域生态环境,还可能威胁工程构筑物的稳定性。本文在多年野外调查工作的基础上,结合遥感及历史气象资料对青藏高原多年冻土区热融滑塌的诱发因素、分布特征及演化过程进行了分析。结果表明：冻土活动层滑脱的发生是诱发青藏高原多年冻土区热融滑塌的主要因素,其次为工程扰动和湖水的热侵蚀;活动层滑脱型热融滑塌的发育过程主要包括冻土活动层滑脱的发生、后缘坍塌后退及坡面泥流的形成等三个阶段,热融滑塌形成以后其溯源侵蚀过程将持续数年甚至十几年直到后缘位置地下冰含量明显减少或者消失为止;在空间分布方面,热融滑塌更倾向于分布在坡度较为平缓（3°~8°）的丘陵山地及山麓区域的阴坡一侧;近年来青藏高原多年冻土区热融滑塌呈剧烈增多的趋势,且这种骤增现象主要发生在有极端气温出现的特殊年份,并不是均匀的分布在每一年。研究成果对未来青藏高原工程规划、资源开发及环境协调发展具有重要的指导意义。     

青藏铁路普通路基下冻土过程动态评价

本文主要利用青藏铁路北麓河厚层地下冰试验段中普通路基下部冻土温度的监测资料,对路基下部冻土温度变化和热收支特征进行了分析,并对修筑普通路基后多年冻土热融蚀敏感性和热稳定性进行了计算。结果表明,修筑普通铁路路基后,虽然多年冻土人为上限有较大幅度抬升,但原天然上限以下多年冻土温度却逐年升高,表现为显著的吸热状态。同时冻土热融蚀敏感性增强,冻土热稳定性下降,对路基热稳定性将产生较大的影响。     

不同地表条件下青藏公路对多年冻土的热影响差异研究北大核心CSCD

在多年冻土区,道路工程会对周边的多年冻土产生热影响,但不同地表条件下的多年冻土对道路热影响的反馈差异尚不完全清楚。本研究基于青藏公路沿线两处监测场地的多年冻土监测数据,研究了不同地表条件下青藏公路对多年冻土的热影响差异。结果表明,青藏公路对多年冻土的热影响因地表条件的不同而存在差异。与植被覆盖率较高的监测场地相比,在植被覆盖率较低的监测场地,其多年冻土年平均地温更高、多年冻土活动层厚度更大,且青藏公路对多年冻土的水平热影响范围也相对更大。此外,在植被覆盖率较低的监测场地最靠近坡脚的位置处,由于地表条件的不同,其浅层土壤更易受到外界扰动,导致该位置浅层土壤与外界的热交换特征迥异于其他监测位置,这可能也是导致两处监测场地多年冻土的热状态存在差异的原因。目前,青藏工程走廊内各线性工程密布,工程间的相互影响及其与多年冻土间的关系已成为必须考虑的问题。本研究工作对于青藏高原多年冻土区工程走廊内线性工程之间的合理间距设定,以及即将建设的青藏高速公路双向路基间的合理距离设计都可提供参考,以达到减少工程热扰动,保障工程安全运营的目的。     

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.     

利用MODIS数据产品进行全国干旱监测的研究

利用MODIS植被指数和陆地表面温度产品建立全国3个农业气候区NDVI-Ts、NDVI-ΔT和NDVI-ATI空间,并由NDVI-Ts、NDVI-ΔT和NDVI-ATI空间分别建立温度植被干旱指数(TVDI)、温差植被干旱指数(DTVDI)和表观热惯量植被干旱指数(AVDI)3个干旱评价指标研究全国干旱分布,利用实测土壤含水量对3个干旱指标进行检验评价.NDVI-ΔT空间中的湿边基本与横坐标平行,表明当土壤水分处于饱和状态或植被完全无水分胁迫条件下,植被和土壤对缓冲环境温度变化的能力大体相当;由NDVI-ATI空间看出,随着植被覆盖增加,表观热惯量有增加的趋势.对比3个干旱评价指标表明:当监测范围较大,区域内地形复杂时,由NDVI-Ts空间计算的TVDI评价干旱最合理,由NDVI-ΔT空间计算的DTVDI在干旱监测中也具有一定的价值,而由NDVI-ATI空间计算的AVDI已经不能合理评价干旱.     

青藏高原多年冻土区地下水特征及开发利用前景分析

通过分析青藏高原多年冻土地带地下水的特征，阐述了多年冻土地下水生存的类型，并结合青藏铁路勘察所获取的地下水水量、水质资料，对多年冻土区地下水的开发利用前景进行了分析并提出了地下水的开采参数。     

干旱半干旱区土壤含水量反演与验证

基于MODIS遥感影像和表观热惯量法,以新疆为研究区,建立了适用于干旱半干旱区1 m土体的土壤含水量反演模型。模型根据高表观热惯量,高土壤含水量,低表观热惯量,低土壤含水量这一理论,通过日地表温差和宽波段反照率确定土壤含水量的时空变化。假设通过1 m土体的土壤水通量正比于上下底层土壤含水量的差值,利用水平衡方程建立土壤表面和底层土壤含水量关系方程,并利用中国土壤类型特点确定优化模型。通过验证结果表明,壤土和壤质粘土这两类土壤含水量接近真实值,砂土在区域验证中,模拟与实测差值为2.16%,整个模型模拟精度较好,能够准确地从时空上反演干旱半干旱地区1 m土体的土壤水分情况。     

南水北调西线工程通天河—雅砻江调水区若干冻土环境问题研究

调水区多年冻土划分为３个区，冻土面积为１１×１０＾４ｋｍ＾２左右，约占全区面积的７２．４％，受全球气候变化及人类经济活动的影响，区内多年冻土处于退化状态。在全球气候持续变暖的情况下，未来５０ａ内，目前厚度小于１０ｍ的多年冻土和岛状多年冻土将消融殆尽，多年冻土面积将减少约１５％，冻土下界上升１５０－２００ｍ，气候变暖，使得性冻土层变薄，某些地段的多年冻土消失或变为深埋藏多年冻土等，则可降低工程造价，     

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。     

宽幅沥青路面热效应对其下部土体热状态的影响

在多年冻土区,道路工程建设会引起下伏冻土吸热融化,进而威胁上部工程稳定性,这一冻土问题是多年冻土区工程建设面对的重要问题.对于青藏高速公路而言,由于铺设高吸热性的沥青路面和路基幅面增宽引起的尺度效应,路基吸热量较普通路基将大幅增加,使得其冻土问题更为突出.基于此,利用数值仿真手段,考虑全球气候变暖背景,对宽幅路基修建完成后20 a的热状况进行预测研究和比较分析,阐明了宽幅面沥青路面热效应对下部土体热状态的影响及其与路基边坡水平热效应的综合贡献,比较分析了全幅修建和分幅修建条件下下伏冻土热状态的异同. 研究成果将为多年冻土区高速公路的路基稳定性研究和建设模式等提供基础理论指导.     

UAV-based spatiotemporal thermal patterns of permafrost slopes along the Qinghai–Tibet Engineering Corridor

Thermal infrared remote sensing technology based on unmanned aerial vehicle (UAV) was applied to estimate the spatial distribution of ground surface temperatures on permafrost slopes and evaluate the thermal influence of nearby engineering infrastructure. This paper presents a method that uses a miniature UAV with a thermal infrared sensor to collect thermal images with high temporal–spatial resolution. Moreover, spatial analysis is used to effectively evaluate the relationship between engineering infrastructure and permafrost slopes in the Qinghai–Tibet Engineering Corridor (QTEC), China. To test the method, aerial measurements were collected from 11:00 to 17:00 in July and August of 2017 at two permafrost slopes along the QTEC, where the Qinghai–Tibet Highway (QTH), Qinghai–Tibet Railway (QTR), and electric towers were built on permafrost slopes. The differences of ground surface temperature between the highway and the surrounding soil were largest at 11:00 and 17:00; the differences were smaller at noon to approximately 15:00 when the difference was minimal, and the differences began to increase after 15:00. The distances of the thermal influence of the highway, railway, and electric towers on the surrounding permafrost slopes are approximately 12–14, 8–10, and 2–4 m, respectively. The results indicate that the degree of influence of engineering structures on permafrost slopes is as follows: QTH?>?QTR?>?electric towers. This study is the first to use UAV-based thermal infrared remote sensing to evaluate the thermal dynamics of permafrost slopes along the QTEC. These results may provide new insights into the future design, construction, and maintenance of engineering structures on permafrost slopes.     

青藏铁路建设冻土工程问题的深入研究和实践

青藏铁路开工建设以来的冻土工程问题研究, 在综合以往冻土学研究成果基础上, 针对冻土区大规模工程实践对冻土和冻土环境的影响特点, 冻土和冻土工程之间相互作用本质, 用系统工程论的观点, 以工程变形为冻土工程问题研究的综合目标, 抓住冻土工程问题的热学机理本质, 用工程热力结构作为解决问题的主要手段, 取得很好的实践效果. 同时把我国冻土工程问题研究和冻土工程建设提高到一个新的水平, 为建设世界一流的高原铁路奠定了坚实的技术基础.     

青藏铁路多年冻土区含融化夹层路基的热状态

基于青藏铁路K1496+750监测断面含融化夹层路基长达10 a的地温监测数据,分析了在气候转暖及工程活动下天然场地及路基左右路肩下多年冻土热状态年变化过程、融化夹层的年变化过程及其对多年冻土热状态的影响。结果表明：监测断面天然场地、左右路肩下多年冻土上限逐年下降,热稳定性逐年降低;观测期内,左路肩下发育有融化夹层,融化夹层厚度在波动中呈增厚趋势,且其增厚主要是由多年冻土人为上限下降所致,而天然场地及右路肩下未发育融化夹层;多年冻土上限附近土体热积累显著,进而导致多年冻土上限逐年下降及其附近土体温度逐年升高,弱化了多年冻土的热稳定性;后期增加的块石护坡和热管两种具有“主动冷却”效能的工程补强措施很好的改善了路基的热稳定性,右路肩经工程补强措施后,多年冻土人为上限得到显著抬升,热稳定性得到显著改善,而左路肩由于融化夹层的存在,工程补强措施仅仅维持了当前多年冻土热状态,融化夹层的存在一定程度上弱化了工程补强措施所产生的冷却效能。     

青藏铁路冻土区路桥过渡段沉降原因分析

青藏铁路开通近10 a以来,各类冻土工程稳定,保证了列车平稳安全的运行。然而,青藏铁路工程也不可避免出现了一些病害问题。现场调查资料表明,冻土区路桥过渡段下沉现象较为严重。通过冻土区路桥过渡段的沉降特点和工程地质条件综合分析,结果表明：地表水或冻结层上水水热侵蚀,引起人为多年冻土上限下降、高含冰量冻土层融化,致使路基发生强烈的融化下沉。建议这类工程病害应采取主动降温措施增强地基土的冻结能力,并加强防排水设施和改善地表水条件,消除水热侵蚀所产生的融化下沉。研究结果为青藏铁路路桥过渡段的稳定性和养护提供了科学依据。     

青藏高原冻土区路面类型对路基温度场影响的非线性分析

采用焓模型, 建立含相变的冻土路基温度场, 综合考虑气温、太阳辐射、风速风向、坡面蒸发等气象因素, 将诸多气象因素归结为第二、三类边界条件的叠加组合, 对不同气温地区的沥青路面及水泥路面路基温度场进行了有限元计算. 结果表明: 路面类型对冻土路基温度场有着重要影响, 水泥路面的采用可有效地降低路面温度, 延缓冻土上限下降速率, 从而可以有效保护基底多年冻土; 从对基底冻土上限影响的角度来看, 路面类型、外部气温与路基高度三者间存在一定的动态等效关系.     

青藏高原多年冻土区埋地输气管道周围温度场数值分析

通过建立管道与多年冻土热相互作用的计算模型,利用数值分析方法探究了不同管温（输运温度）工况下冷输天然气管道对管周土体冻融过程和多年冻土热稳定性的影响。研究表明：5℃正温输运天然气管道可造成下覆冻土上限下降约11倍管径,管周多年冻土退化严重;0℃输运会导致管底下部高温不稳定冻土范围扩大,管底土体强度及承载性能降低,不利于保持多年冻土和管道运营稳定性;-1℃和-5℃负温输运可有效提高冻土人为上限,保持管底冻土温度稳定,但-5℃时管道下部土体温度降低明显,可能导致冻胀病害发生。就管周冻土热稳定性而言,在青藏高原多年冻土区采用冷输（负温输送）工艺输运天然气有利于保护管周多年冻土,是可行的。     

青藏高原北麓河地区原状多年冻土导热系数的试验研究

取自青藏高原北麓河试验段的原状冻土, 利用 QL-30 热物性分析仪测定原状冻土的导热系数. 结果表明: 原状冻土和重塑土的导热系数变化规律存在着较大差别. 对于浅部冻土层, 气体体积含量和含冰量是影响原状冻土导热系数的控制因素; 而对于地下冰层, 冰是控制其导热系数的最重要因素, 气体体积含量的大小也对其导热系数有影响. 对于深部强 全风化泥岩, 气体体积含量控制着它的导热系数的大小.