碎石层的"热半导体"作用

碎石层在冰缘地区有广泛分布.众多文献报道,碎石层具有降低其下地温的作用,根据这些现象,对其致冷形成机理进行了研究.结果表明:对封闭的倾斜碎石层,其致冷机制主要基于Rayleigh-Bènard对流;对开放的倾斜碎石层,其致冷机制包括“烟囱效应”和风引起的强迫对流.并进一步用模型试验、数值模拟和现场的实体试验对致冷机理进行了验证.碎石层己在青藏铁路建设中得到广泛应用,并被证明起到了冷却路基的作用.这一措施效果显著、施工简便、环境友好且成本相对较低,可用于多种冻土工程,以适应全球变暖的影响.     

"冷却路基"方法在青藏铁路上的应用

青藏铁路穿越550 km多年冻土,其中约一半为高温多年冻土,其年平均地温为0~-1℃.青藏铁路是百年大计,必须考虑未来50~100 a的气候变化.在全球变暖的背景下,青藏铁路高温冻土段的建设必须改变单纯依靠热阻(增加路堤高度、采用保温材料等)的消极“保”温方法,而改用“冷却路基”的积极“降”温措施.青藏铁路的建设采用了一整套“冷却路基”的方法:通过遮阳板调控辐射;通过通风管、热管和气冷路堤调控对流;通过“热半导体”材料调控传导;通过这些调控方式的组合,加强冷却效果.这些方法均可有效地降低路基下多年冻土的地温,保证青藏铁路路基的稳定.     

青藏铁路沿线天然场地多年冻土变化

基于青藏铁路沿线30个天然场地2006—2015年地温观测资料,对多年冻土天然上限(以下称冻土上限)及其变化、不同深度冻土地温及其变化进行分析,研究了近期多年冻土时空变化特征。观测结果表明,冻土上限为0.88~9.14 m,平均为3.54 m。在冻土上限下降的场地中,冻土上限下降幅度为0.05~2.22 m,平均为0.51 m;冻土上限下降速率为0.01~0.25 m/a,平均为0.07 m/a。高温冻土区冻土上限下降幅度与下降速率分别大于低温冻土区的0.47 m与0.06 m/a。总体而言,冻土上限附近和15 m深度地温呈上升趋势。其中,冻土上限附近地温升温幅度为0.01~0.60℃,平均为0.16℃;冻土上限附近地温升温速率为0.001~0.067℃/a,平均为0.018℃/a。低温冻土区上限附近地温升温幅度与升温速率分别大于高温冻土区0.12℃和0.014℃/a。15 m深度地温升温幅度为0.01~0.48℃,平均为0.10℃,15 m深度地温升温速率为0.002~0.054℃/a,平均为0.011℃/a。低温冻土区15 m深度地温升温幅度和升温速率分别大于高温冻土区0.11℃和0.012℃/a。个别观测场地受局地因素影响,出现了冻土上限抬升和冻土地温下降的情形。     

青藏铁路含融化夹层路基热力响应监测分析

基于青藏铁路沿线P32和P33监测断面连续10年的含融化夹层路基的地温和变形场地实测数据,分析了该两处监测断面左路肩下多年冻土人为上限、季节冻结最大深度、融化夹层厚度及多年冻土人为上限附近地温的年变化过程;同时分析了P32和P33监测断面左右路肩的总沉降年变化过程、P32监测断面左路肩地温场对变形的影响及P33监测断面左右路肩地温场差异对左右路肩差异沉降的影响。结果表明:P32和P33监测断面左路肩下多年冻土人为上限逐年下降、季节冻结最大深度基本不变、融化夹层厚度逐年增厚及多年冻土人为上限附近地温逐年升高;观测期内,P32和P33监测断面左右路肩变形均以沉降为主,且P32监测断面左右路肩的总沉降变形量均小于P33监测断面;其中P32监测断面左路肩暖季沉降变形明显,冷季发生轻微的冻胀变形,且发生沉降和冻胀的时间略滞后于路基下部温度场的变化;P33监测断面左右路肩地温场的差异导致左右路肩存在差异沉降,且其差异沉降值随时间逐年变大。     

气候变化背景下青藏铁路沿线多年冻土变化特征研究

多年冻土是复杂地气系统的产物, 以升温为特征的气候变化不可避免地对其产生影响. 基于青藏铁路沿线8个天然场地2006-2011年的地温监测资料, 分析了气候变化背景下, 多年冻土升温特征及上限变化规律, 并对低、高温冻土的变化特征进行了对比分析. 结果表明: 2006-2011年监测期间, 铁路沿线多年冻土正在经历明显的升温趋势, 上限附近和15 m深处平均升温率分别为0.015 ℃·a^-1和0.018 ℃·a^-1, 其中, 低温冻土区在上述两个深度处升温均比高温冻土区显著; 多年冻土上限深度也表现出一定的增深趋势, 平均增深速率为4.7 cm·a^-1, 其中, 高温冻土区增深速率大于低温冻土区. 低、高温冻土对气候变化的响应表现出了较大差异. 同时, 受局地因素的影响, 不同区域在升温和上限增深上也存在一定差异.     

青藏工程走廊多年冻土段植被覆盖度动态快速测量方法研究

植被盖度的变化动态可以在一定程度上反映气候环境的变化,是表征生态环境变化特征的一个直接的主导性指标, 对其测量的准确性可以在很大程度上影响对生态环境变化预报的精度。本研究利用普通照相法结合数字图像处理技术对青藏铁路和青藏公路沿线多年冻土段高寒植被的盖度进行调查研究, 并与传统的目估法、目视解译法进行了对比, 在此基础上对青藏工程走廊多年冻土段植被盖度进行简单评估。结果表明, 无论是青藏铁路沿线还是青藏公路沿线, 用模型处理法和目视解译法得到的植被盖度结果之间相关系数都最高,分别为R2=0.96和R2=0.97;比较结果表明, 用模型处理法比用简单目测法获得的植被盖度更接近实际覆盖度, 说明模型处理法适合应用于青藏工程走廊多年冻土段植被覆盖度动态快速测量。     

适用于多年冻土区具有碳通量自动观测性能的OTC系统开发设计

在现有的OTC内碳通量观测仪器设备基础上, 设计开发出一套以AT89S51单片机为控制核心, 通过L293D控制电机正反转控制箱盖定时开关, 实现了多年冻土区OTC内碳通量自动观测. 观测主体箱用透明采光性良好的玻璃纤维材料制成, 电机传动采用齿轮传动, 箱口和箱盖接触地方用橡胶密封圈包裹, 防止箱盖密闭时漏气. OTC内碳通量自动观测仪最大可能性的减小了当前模拟增温条件下碳通量观测受自然条件和人为因素的影响, 极大的降低观测费用, 提高了数据的连续性, 基本上实现了多年冻土区模拟增温条件下碳通量较为精确地自动、连续观测. 试验表明: 在气象条件相对较好的2013年5月15日, OTC内碳通量自动观测仪观测结果和传统OTC内利用LI-COR6400观测结果规律性都较强, 野点较少, 二者相关性显著(R²=0.96); 而在气象条件相对较差的2013年9月1日, OTC内碳通量自动观测仪观测结果受外界干扰小, 观测结果规律性强, 野点较少; 而传统OTC内利用LI-COR6400 观测结果规律性较差, 野点较多, 数据可信度不高, 二者观测结果相关性不显著(R²=0.67).     

多年冻土区铁路路基热状况对工程扰动及气候变化的响应

基于青藏铁路沿线长期地温监测资料,对天然场地及铁路路基下部的浅层地温、多年冻土上限及下伏冻土地温动态变化过程进行对比分析,研究多年冻土区铁路路基热状况对于工程扰动及气候变化的响应过程.监测结果表明,路基修筑后边坡热效应显著,由此导致路基下部多年冻土热状况的不对称分布,必须引起足够的重视.块石路基修筑后,下部多年冻土上限抬升显著,其中阴坡路肩下抬升幅度普遍较阳坡路肩下显著.普通路基修筑后,在年平均地温低于?0.6～?0.7℃的地区下部多年冻土上限有不同程度的抬升,而在年平均地温高于?0.6℃的地区下部冻土上限则出现了一定程度的下降,其中阳坡路肩下降幅显著.受块石层冷却降温作用,低温冻土区块石路基下部浅层冻土地温有明显降温过程,而在高温冻土区这一降温趋势只存在于阴坡路肩下.对于普通路基,多年冻土上限抬升后,浅层冻土地温存在一定的升温过程.对于气候变暖,低温冻土区多年冻土的响应主要集中体现在冻土升温上,而高温冻土区多年冻土的响应则主要表现为冻土上限下降,冻土厚度减小.基于上述监测结果,可将目前青藏铁路路基热状况分为稳定型(低温冻土区块石路基)、亚稳定型(低温冻土区普通路基及高温冻土区块石路基)和不稳定型(高温冻土区普通路基).     

多年冻土区块、碎石护坡冷却作用的对比研究

基于青藏铁路北麓河试验段块、碎石护坡路基阳坡坡中孔的地温观测资料, 分析了块、碎石护坡下的温度变化过程及进入块、碎石层下部土体的热收支情况. 结果表明: 观测期内块石层下平均温度低于碎石层下平均温度, 而块石层下温度波幅大于碎石层下温度波幅. 块石层下最大融化深度有明显的抬升, 这种抬升得益于冷季块石层内空气较强的对流冷却作用. 从进入块、碎石层下部土体的热收支情况来看, 块石层较碎石层具有更好的冷却作用.     

青藏铁路沿线融区的特征及其变化趋势

基于青藏铁路多年冻土区工程长期监测系统所获取的地温与变形资料,对铁路沿线4处融区的特征及其变化趋势进行了分析。这4处融区分别为沱沱河北面洼地辐射-渗透融区（R1）、休冬曲北岸河流融区（R2）、扎加藏布河西岸河流融区（R3）与洼里希里唐盆辐射-渗透融区（R4）。结果表明：R1土体温度处于升温中,融区正在发展;R2土体温度较为稳定,位于融区边缘地带;R3土体升温趋势明显,融区处于快速发展之中;R4深部土体温度较为稳定,融区仍处于稳定状态。在R1、R3与R4,路基下未形成隔年冻土;但在R2融区,路基下有形成隔年冻土的可能。监测期内,路基累计沉降变形小于50 mm,满足铁路路基设计规范的要求。