祁连山黑河中上游季节冻土年际变化特征分析

研究祁连山黑河中上游地区季节冻土的变化特征,对合理预测该区气候变化有重要的指导意义.利用1994—2009年祁连山黑河中上游地区3个气象站常年监测的冻土资料及气象资料,对黑河中上游地区的温度变化、季节冻土最大冻结深度年变化、年平均气温与年冻土最大冻结深度的关系、季节冻土的年冻结与消融规律等内容进行了分析.结果表明：气温...     

边界条件对多年冻土路基热稳定性的影响分析

多年冻土区的年平均气温是影响冻土路基边界条件的重要因素. 在附面层原理的基础上,考虑采用带有相变的控制方程和数值方法,以相同尺度的路基模型为前提,选取不同的年平均气温为影响因素,对青藏工程走廊公路路基的人为冻土上限和年平均地温进行了研究. 结果表明：公路路基下年平均地温随着年平均气温的升高而升高,人为冻土上限随着年平均气温的升高而显著下降. 在年平均气温为-7.16 ℃时,路基修筑50 a后其年平均地温为-3.61 ℃,其人为冻土上限为-0.97 m;年平均气温为-3.21 ℃的条件下,路基修筑50 a后其年平均地温仅为-0.1 ℃,其人为冻土上限也降至-13.11 m. 因此,可以看出：在未来气候持续变暖的背景下,现有处于稳定状态的冻土路基将逐渐变得不稳定.     

一年内列车荷载作用下冻土路基的应力分布

冻土路基土体的物理性质与温度有密切关系, 在不同的季节, 路基内的变形场和应力场会相应发生变化. 为了说明路基内变形场和应力场的季节性差异, 以青藏铁路某断面为例, 对冻土路基在有、无列车荷载两种工况下进行了数值模拟, 系统分析了两种工况下路基内的变形场和应力场特点. 结果表明: 路基修筑后, 在自重作用下会产生较大瞬时变形; 由于路基内温度场随时间变化, 路基内各点的位移也随时间发生变化, 且位移时程曲线与温度时程曲线大体呈负相关. 在有、无列车两种工况下路基竖向位移分布都是由道砟中心向路基内部逐渐减小, 但数值明显不同; 由列车荷载引起的最大竖向附加变形发生在路基顶面中心点, 在10月15日、1月15日、4月15日, 变形量分别为-4.94 mm、-3.24 mm、-2.56 mm. 对于路基底面中心点和地基浅层中心点, 由列车荷载引起的附加应力在10月15日最大、1月15日次之、4月15日最小, 附加应力最大达到19.48 kPa; 列车荷载主要影响路基上部土体应力分布, 对下部土体应力分布影响较小.     

吉林省季节冻土冻结深度变化及对气候的响应

为了掌握季节冻土冻结深度的变化对气候的响应,利用1961-2015年吉林省46个气象站的逐日平均气温、地表温度、积雪深度、冻土冻结深度等数据,采用线性倾向估计、突变分析等方法,研究了吉林省季节冻土冻结深度的时空演变规律及其与气温、积雪的关系。结果表明：吉林省季节冻土最大冻结深度呈由西向东逐渐减小的空间分布特征,绝大多数站最大冻结深度呈减小趋势。基本上在10月开始冻结,次年3月达到最深,6月完全融化。西部冻土冻结深度变幅较大,其次是中部,东部最小。1961-2015年季节冻土最大冻结深度以-5.8 cm·（10a）^-1的速率显著减小（P<0.01）。最大冻结深度基本上呈逐年代减小的趋势,从20世纪90年代开始,最大冻结深度明显减小。最大冻结深度在1987年发生了突变,突变后平均最大冻结深度比突变前平均最大冻结深度减小了22.2 cm。通过分析气温和积雪深度对冻结深度的影响,认为冻土冻结深度对气温变化较为敏感,绝大多数站最大冻结深度与平均气温呈负相关关系。在年际变化上,气温的上升是最大冻结深度减小的主要原因。在季节冻土稳定冻结期,积雪深度超过10 cm,保温作用逐渐变强;当积雪深度达到20 cm时,保温作用显著,冻土冻结深度变浅。     

青藏铁路遮阳棚路基试验工程效果实测研究

太阳辐射是导致气温和地表温度升高的主要因素之一,遮挡了太阳直接辐射后可以有效降低地表温度.基于青藏铁路冻土区遮阳棚路基试验工程监测数据,分析了遮阳棚内外的气温差异和路基地温特征.结果表明:遮阳棚能够降低棚内气温,监测期间棚内年平均气温低于天然条件下平均气温值0.6℃;监测期内天然条件下近地表0.1～0.3m范围的气温高于1.0m以上气温近1℃,但在棚体内部仅相差约0.3℃;日最高气温值在棚体内外的单日差值达6.0℃,平均气温值在地面0.1m高度处相差4.2℃,1.5m高度处相差2.1℃;在遮阳棚的作用下,棚体内部及附近土体地温有所降低,且多年冻土上限有一定的抬升,抬升最大幅度达1.0m.监测结果显示了遮阳棚对于保护路基下冻土的良好效果.     

祁连山北缘—河西走廊地区大地形变与地震的关系

河西走廊—祁连山北缘地区地处青藏高原北缘,受印度板块与欧亚板块中生代末—新生代早期的碰撞及持续至今的向北推挤作用的远程效应的影响,该地区是现今的地壳活动地区,其中地壳形变是最主要的表现形式。地壳形变监测显示,隆起区垂直位移速率最大可达15mm/a,沉降区最大位移速率为-15mm/a。祁连山和河西走廊的相对隆升变化与该区地震具有密切的关系,河西走廊相对下降、祁连山相对隆升的后期是地震多发时期,河西走廊相对隆升、祁连山相对下降的后期是地震少发时期,这与该区处于挤压体制下的区域构造背景密切相关。GPS水平位移监测显示,河西走廊—祁连山北缘地区全区都一致向东位移,且位移速率非常大,大者大于10mm/a;位移速率具有南部大于北部、东部大于西部的特点,水平位移速率变化与现代活动断裂具有非常密切的关系,并以主要断裂构造为区带的边界;水平位移速率矢量与2002年玉门地震的震源机制解所显示的沿地震破裂面发生的滑动方向非常一致。     

冻融循环作用下路基土回弹模量试验研究

为研究季节冻土地区冻融循环作用对路基土回弹模量的影响,以2种路基土作为研究对象,通过风干和加湿的方法,使高50mm、直径为50mm无侧限圆柱体试件达到5种预期含水率;采用承载板法进行回弹模量试验,分析了路基土在0～12次冻融循环作用下,回弹模量随冻融循环次数变化的规律.结果表明:随着冻融循环次数的增加,土体的回弹模量减小,到第6次冻融循环后土体回弹模量衰减基本稳定.在进行季节冻土地区路面设计时,应考虑冻融循环作用对路基土的影响,建议选取第6次冻融循环后的土体回弹模量作为路基强度设计值.     

路基体内最大侧向位移的位置

路基体内最大侧向位移位置的准确确定,对于合理布置测斜仪、准确把握路基变形特征具有重要意义。基于非线性有限元方法,对路堤各施工阶段路基体内的最大侧向位移的位置进行了考察,对比分析表明:在各施工阶段路基体内最大侧向位移的位置并不是固定不变的,其随着填筑和固结阶段的不同而发生变化。最大侧向位移的位置一般位于坡趾处竖向断面与坡中竖向断面之间的范围附近,故建议把测斜仪布置在该范围内(为了施工方便,可布置在坡中竖向断面或坡趾竖向断面处)。分析表明,工程中通常采用的利用测斜仪来量测路基深部侧向位移发展情况的技术存在一定的弊端。故需发展更精密的仪器来考察路基侧向位移的基本特性。     

多年冻土区道路边坡热状况差异对多年冻土融化形态的影响

用数值方法模拟了在气候持续以0.02℃·a^-1速度增温下,50 a运营年限内不同走向路基的融化形态可能发生的变化趋势.计算了在砂砾路面和沥青路面下,不同高度(0~5.0 m)及不同走向(东西、东北-西南、南北、对称)路基的融化形态.结果表明:非对称热边界路基与对称热边界路基的融化形态差异很大.在呈阴阳坡的路基中,砂砾路面和沥青路面下:1)最大融化深度位置与运营时间关系不大,与路基高度、线路走向及路面类型关系密切,且最大融化深度偏离路基中线的距离与路基高度呈线性关系;2)最大融化深度与运营时间、路基高度、路面类型关系比较密切.路基较低时,最大融化深度与路基走向关系不大.路基较高时,最大融化深度与线路走向关系密切,且随着路基高度的增加、气候变暖及增温速率的增大而加剧;3)同一路基高度和线路走向下,砂砾路面的最大融化深度偏离路基中线的距离大于沥青路面的,沥青路面的最大融化深度大于砂砾路面的.相对于砂砾路面,沥青路面在一定程度上部分的抵消了阴阳坡效应,但加剧了路基下最大融化深度.     

深上限-退化型多年冻土路基变形特征分析

为了研究深上限-退化型多年冻土路基变形特点,基于青藏公路多年冻土路基地温和沉降现场监测资料,通过分析西大滩、唐古拉山北坡以及唐古拉山南坡路段的土质、冻土含冰量、冻土地温以及路基沉降变形数据,对冻土上限变化过程与路基沉降特点进行了研究,同时对沱沱河和清水河地区冻土路基分层沉降观测结果进行了分析。结果表明,土质和含冰量对退化型冻土路基的沉降变形影响较大,深冻土层的融化对路基沉降变形影响较小,退化型冻土路基的沉降变形主要发生在退化后的冻土层中,退化冻土层在冻融循环过程中,需要较长时间才能完成固结。对于冻土含冰量为少冰、多冰的稳定路段,退化冻土路基年平均沉降速度约为3.9～5.6 mm/a,路基沉降量极小;对于含冰量较高且土质以粉黏性颗粒为主的不稳定路段,路基沉降速度具有持续性和无减缓性的特点,路基年平均沉降量达到0.03 m/a,路基变形表现为整体均匀沉降,横向差异沉降量较小。     

张掖市农耕期热量资源变化特征及对农业生产的影响

利用张掖市6个气象观测站1961-2010年实测气温资料,运用5 d滑动平均、气候倾向率、Mann-Kendall检验等方法,对农耕期初日、终日、持续日数及≥0℃积温的分布特征、年际和年代际演变规律及突变特点进行分析,结果表明:张掖市农耕期初日随海拔高度的升高推迟,终日则相反,农耕期日数自西北部向东南缩短,积温南北差异显著;近50 a初日提早,终日推迟,持续日数延长,积温增加趋势明显;20世纪70-80年代前期各地表现出农耕期初日推迟,终日提前,持续日数较短,≥0℃积温偏少的特点;20世纪90年代以来,终日延迟程度大于初日提前程度,积温增加显著,尤其2001-2010年增幅为50 a最大;山前绿洲及荒漠绿洲农耕期终日、持续日数及积温分别在1995/1997年、1982/1990年、1996/1999年发生了突变;农耕期热量资源增加,对作物种植结构的调整、生育进程的加快及产量均产生一定影响.     

甘肃河西季节冻结深度年代际变化特征及其气候成因分析

根据甘肃河西1958-2003年17个气象站的土壤冻结上、下限记录和最长连续冻结的初、终日资料,采用小波分析方法研究了甘肃河西季节冻结的年代际变化特征.结果表明:甘肃河西最大冻土冻结深度的变化存在8~10a的周期振荡,20世纪80年代中期是其变化的转折期,反映了甘肃河西冬季气候自80年代中期以来变暖的事实.气候成因分析说明,气候变暖对河西季节冻结影响显著.冬季最低气温与甘肃河西季节冻结深度和冻结时间关系密切,特别是冬季地气温差和气温日较差与其关系尤为密切.     

The origin of groundwater in Zhangye Basin,northwestern China,using isotopic signature

Zhangye Basin, in arid northwestern China, has recently been repeatedly flooded by rising groundwater. Isotope signatures of sampled waters gained insight into the recharge source of the groundwater. The summer Heihe River water and most of the spring water in Zhangye and Yongchang basins plotted above the global meteoric water line (GMWL) on the δ¹⁸O-δD plot. The spring water had R/Ra ratio >1, low TDS and high tritium, which indicates origin from Qilian Mountain glacier meltwater. The groundwater of Qilian Mountains was transported to the Hexi Corridor (in which Zhangye Basin is located) through underground fault zones. Additionally, some of the groundwater in the alluvial plain, and all spring water surrounding Zhangye Basin, plotted below the GMWL on the δ¹⁸O-δD plot along an evaporation line, and had R/Ra ratio?<?1 and high TDS. It is proposed that the Tibetan rivers or lakes source the Hexi Corridor groundwater through either the NE-trending or NW-trending buried fault zones. The isotopic signatures presented as part of this study rule out the conventional viewpoint that groundwater of the Zhangye Basin was recharged by local precipitation and infiltration of Heihe River water on the alluvial plain.     

低温影响下FBG永久变形计算方法研究

温度对光纤布拉格光栅（简称FBG）变形监测有着重要的影响,导致FBG技术在季冻土路基监测中存在很大的局限性。研究针对FBG传感器交叉敏感问题,提出了温度补偿计算方法,分析了不同荷载及负温下FBG监测梁变形规律;设计室内路基模型,验证了FBG在季冻土永久变形测试中的适用性。结果表明：FBG波长数值与温度呈线性相关,温度越低,波长越小,对变形监测结果影响越大;利用温度补偿计算对FBG监测梁波长数据进行修正,可消除低温引起的波长误差;基于室内模拟土箱变形测试,消除温度影响后FBG与拉线位移计实际测量的变形结果吻合度较好,体现出FBG监测梁基本可随土协同变形,可实现低温土中变形监测;冻融循环影响下,FBG测试结果与实际变形结果接近,误差在5%内,经历4、5次冻融循环后路基土箱永久变形基本趋于稳定。     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融循环期湿度与温度变化研究

在黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心的综合实验观测场, 利用2011年11月-2012年4月一个冬季冻融循环期的实测黑土耕层剖面土壤湿度和温度数据, 对典型中-深季节冻土区黑土耕层土壤湿度与冻结融化期土壤温度变化进行研究. 根据阳坡的黑土耕层土壤浅层1 cm、 5 cm、 10 cm及15 cm四种不同深度, 对冻融循环过程中土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化特征进行分析, 研究黑土耕层土壤冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 了解降水和温度对不同深度土壤湿度变化的影响. 结果表明: 在北京时间08:00、 14:00及20:00, 阳坡15 cm、 10 cm、 5 cm及1 cm深度黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化的线性相关可决系数分别为0.9298、 0.9216、 0.5989、 0.7281, 斜率平均标准偏差分别为0.017、 0.019、 0.095、 0.056, 截距平均标准偏差分别为0.17、 0.25、 1.31、 0.83. 阳坡10 cm及15 cm深度的黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化呈十分显著的线性相关关系. 阳坡5 cm深度的黑土耕层土壤湿度在冻结融化期与土壤温度变化线性关系稍微显著. 在整个冻结融化期, 因受太阳辐射、 降水及蒸发的强烈影响, 阳坡浅层1 cm深度黑土耕层土壤湿度与土壤温度线性相关性不如10 cm及15 cm深度的关系显著, 但比5 cm深度的关系显著.     

1960-2012年河西内陆河上游山区降水量变化及其区域性差异分析

基于我国河西内陆河流域有关水文、气象台站的观测数据,对1960年代以来河西走廊的石羊河、黑河、疏勒河三大内陆河水系上游山区降水变化特征、趋势及区域时空变化差异进行了分析.结果表明：受全球变暖的影响,石羊河、黑河、疏勒河流域上游的降水量年代际、年际及季节性的变化总体上呈增加的态势,但不同区域降水增幅存在着一定的差异.其中,1960年代,位于祁连山东部的石羊河水系上游山区、中部的黑河水系上游山区及西部的疏勒河水系上游山区普遍少雨;1970年代,石羊河山区降水偏多并持续至今,黑河、疏勒河水系上游山区则降水偏少;1980年代,三大水系上游山区均多雨;1990年代的黑河、疏勒河山区和2000年代的三大水系上游山区均多雨;2010年以来,黑河山区降水偏少,石羊河与疏勒河山区降水均偏多.相对而言,位于祁连山西部山区的疏勒河水系上游年降水量与夏季降水量的增长较为显著.     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

季节冻土区高速铁路防冻胀路基保温强化特性研究

季节冻土区路基的冻胀变形影响高速列车的运行速度、行车安全。以普通级配碎石路基结构为原型,建立轨下基础热-力耦合模型和路基结构外力作用模型,通过温度场和变形场的现场监测数据、力学特性计算的文献资料验证了模型的可靠性。在此基础上建立水泥稳定碎石路基、保温强化层+级配碎石路基、保温强化层+水泥稳定碎石路基3种防冻胀路基模型,计算冻胀变形和受力特性。结果表明：保温强化层和水泥稳定碎石填料均有效减小了路基的冻胀变形,其中保温强化层+水泥稳定碎石路基的冻结深度和最大冻胀量最小,分别为0.8 m、1.585 mm;保温强化层可减小基床表层竖向应力,且弹性模量较大的水泥稳定碎石可加速竖向应力的衰减,使得基床底层承受应力减小。保温强化层+水泥稳定碎石基床表层结构可为季节冻土区高速铁路路基结构的选型提供参考。     

1990-2014年西藏季节冻土最大冻结深度的时空变化

最大冻结深度是季节冻土变化的主要指标,也是季节冻土地区工程设计、建设、运营的重要参数。通过斯蒂芬（Stefan）方法计算了1990-2014年西藏地区季节冻土的最大冻结深度,分析了其时空变化特征,结果表明：近25 a西藏地区季节冻土最大冻结深度在空间分布具有垂直分带性、纬度地带性和区域性等规律,基本上呈自西北向东南方向递减的空间分布特征;时间上,在全球气候变暖的背景下,最大冻结深度基本呈逐年减薄的特征。西藏地区季节冻土最大冻结深度与年平均气温和年降水量呈现负相关,随着年平均气温和年降水量的上升,最大冻结深度呈减小的趋势,且最大冻结深度对年平均气温的响应比对年降水量的响应显著。