高温多年冻土区冻土地基预先融化技术研究现状及展望

在气候变暖背景下,多年冻土退化加剧,高温冻土将会在更大范围出现,保护冻土原则的适用性将受到经济、技术、环保合理性的挑战.在条件适宜高温冻土区,根据建筑结构和基础类型,采用预先融化技术(简称预融技术)处理冻土地基可在经济合理的前提下,保证工程的安全可靠性和长期稳定性.回顾了国内外冻土区预先融化技术的经验,总结和展望了预融技术在工程设计、施工及运行中的三个基本步骤,包括施工前多年冻土的融化、已融土的密实和固结,工程运行期间保持融化和防止冻胀措施的实施.预融技术主要利用蒸汽,热、冷水的对流换热和电流热效应,以及改变地表热状况来融化下伏多年冻土.保持融化的方法主要包括改变地表反射率和地基土的结构,融土保温以及利用主动和被动升温传热装置等(如热管技术).结合中国东北的一些预融技术运用实例,如漠河机场工程等,简要评述了预融技术的应用效果.     

巴丹吉林沙漠湖相沉积的探地雷达图像及光释光年代学证据

 应用探地雷达对巴丹吉林沙漠南部高大沙丘下伏地层进行了探测,在探地雷达剖面沿线采集湖相沉积样品进行光释光测年。对探地雷达数据进行了处理与图像解译,探地雷达反射波与沉积相有相关关系,根据探地雷达数据与沉积信息重建沙丘下伏结构与沉积环境。研究发现,巴丹吉林沙漠南部该测区下伏地形平坦,流沙覆盖区的风成沙是覆盖在古湖相沉积层之上的。样品光释光测年结果反映,在MIS 5e阶段和MIS3阶段,巴丹吉林沙漠南部存在大湖期或高湖面,之后湖相沉积物或钙质胶结层与风成沙因不同的干湿环境而交替叠积; 局部流沙覆盖区甚至在距今7 ka前后还存在有浅湖-沼泽环境。质言之,在巴丹吉林沙漠高大沙丘的形成过程中,气候的多次波动是主要因素之一。     

中国东北大兴安岭多年冻土与寒区环境考察和研究进展

由于东北地区最近150 a来的显著气候变暖和清朝开禁政策以来强烈的人为活动影响,东北地区冻土和寒区环境已经产生了显著变化.由于社会经济活动日益增多和许多重大工程建设需要,及其寒区水文、生态环境的显著、急速恶化,继20世纪50-60年代大规模经济开发时的冻土研究高潮之后,东北地区冻土和寒区环境问题再次成为国人关注的重要问题.为研究中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)的气候变化与冻土退化对管道工程地基基础长期稳定性的影响问题,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室在2007年7-8月组织了"大兴安岭多年冻土与环境"科学考察,考察的主要区域涉及大兴安岭西坡从漠河(不连续多年冻土区)至阿尔山(多年冻土南界和下界附近)以及东坡从漠河、大杨树(零星岛状多年冻土区)至嫩江平原北部大庆附近(季节冻土区).考察中发现多处重要古冻土遗迹和重新研究了乌玛和伊图里河不活动冰楔群,取得了大量第一手资料,以研究第四纪,特别是全新世以来,多年冻土和寒区环境演化和变化.考察过程中,对大兴安岭(漠河-黄岗梁)和长白山的针叶林优势种(兴安松和章子松)树木年轮进行了系统采样,以详细研究小冰期晚期以来的气候和环境变化.考察结果表明: 最近50 a来,受显著气候变暖和强烈人类活动影响,东北多年冻土已经产生显著退化,南界有较大幅度(40～120 km)北移.根据最新预测表明,在未来50～100 a气候变暖情景下,多年冻土将继续退化,但面积上的变化将较慢.这可能归结于东北地区较好的地表覆被条件和丰富的地下冰、雪盖减少,以及可能显著增强的西伯利亚-蒙古冷高压在冬季形成的强大、稳定和广泛的大气逆温层结对兴安-贝加尔型冻土的控制作用.     

冻土区石油污染物迁移及清除研究进展

多年冻土区输油管道面临着差异性融沉和冻胀的关键性难题. 受力不均匀对管道造成机械性破坏, 管道破裂、泄漏现象不断发生. 泄漏油污在冻土中的存在及其扩散对当地的生态环境产生长期不利的影响, 而且对土壤自身的物理、化学和生物特性造成影响. 土壤中石油烃的迁移和分布受土壤和地形、 温度、含水(冰)量、降水以及冻结融化过程等多种环境因素影响. 近年来, 各种物理、化学和生物方法被用来清除冻土区石油烃污染. 正在勘察和设计中的中俄原油管道穿越连续、不连续、岛状和零星分布多年冻土, 及季节冻土区. 为了有效保护兴安岭地区的寒区生态环境, 中俄原油管道有必要预先做好应对管道泄露的前瞻性研究.     

黄河源区多年冻土温度及厚度研究新进展

利用新布设的冻土孔及原有冻土资料,分析黄河源区冻土温度和厚度的空间分布。源区实测多年冻土年均地温最低为-1.81℃,冻土最厚74 m,均位于巴颜喀拉山北坡的查拉坪。214国道(K445-K604段)沿线多为高温多年冻土(年均地温>-1℃),但巴山北坡海拔4 520 m、布青山海拔4 300 m以上,年均地温低于-0.5℃。巴山北坡海拔4 610 m、布青山海拔4 420 m以上,年均地温低于-1℃。巴山北坡海拔每升高100 m,年均地温减少0.47~0.75℃,冻土厚度增加16~25 m;纬度向北增加1°,年均地温减少0.85℃,冻土厚度增加20~30 m。     

东北北部冻土退化与寒区生态环境变化

我国东北地区位于中高纬度欧亚大陆东缘,大、小兴安岭多年冻土区是欧亚大陆高纬冻土区向南最突出的部位,属于高纬山地冻土.东北多年冻土区是我国,乃至全球范围内,受气候变暖和人为活动影响最显著的冻土区之一.过去40 a来该区冻土显著退化,主要表现在:1)冻土南界及不连续多年冻土各分区边界北移而导致总面积减小、空间分布破碎化;2)活动层加深,融区扩大,局地冻土岛消失;3)冻土温度升高、厚度减薄、热稳定性降低等.由于各种因素的共同影响,寒区生态环境也发生了一系列变化.这具体表现为以兴安落叶松占绝对优势的天然林带锐减,整个北方森林带北移,沼泽湿地面积减小等,寒区生态系统和环境已出现恶性循环.关注、研究、整治和管护寒区环境对区域社会、经济和生态可持续发展不可或缺.     

大兴安岭北部霍拉盆地多年冻土及寒区环境研究的最新进展

霍拉盆地位于我国高纬度大片连续多年冻土区的北缘. 盆地内的冻土具有自中心向边缘厚度变薄、温度升高, 至四周山地出现融区等特征, 同时又受局地因素如地形地貌、地表覆被、地下水赋存规律及地质构造等影响, 冻土分布、厚度及温度的空间格局在遵从普遍规律的基础上又具有差异性. 近年来, 随着全球气候变暖及人为活动的逐步增强, 盆地内冻土及寒区环境变化显著, 对矿区转型至关重要的核心景观月牙湖几近干涸. 2013年6月、2014年5-7月先后2次对霍拉盆地多年冻土及寒区环境变化进行科学考察并展开初步研究. 在盆地内根据不同地貌、地表覆被及人为活动强度布设8个地温观测孔并将进行长期观测, 以期分析研究人为活动、植被等局地因子对冻土的影响及未来冻土与寒区环境变化; 同时, 对干涸的月牙湖底地形、地貌进行了调查并采集湖相沉积物样品, 以确定月牙湖的成因并进一步分析湖区气候及环境变迁; 对月牙湖畔湖心岛地下冰再次进行勘察, 发现厚层地下冰正在逐渐融化; 此外, 盆地内广泛发育的热喀斯特现象亦表明该区域冻土正在退化.     

黄河源区高寒植被主要特征初探

位于青藏高原东北部多年冻土与季节冻土交错带的黄河源区高寒生态环境及其变化一直备受关注. 气候变暖、冻土退化条件下,为了解黄河源区不同冻土区植被状况,在源区布设了4个场地：查拉坪（CLP,源区南部连续低温多年冻土区）;扎陵湖南岸（ZLH,源区中南部岛状多年冻土区）;麻多乡（MDX,源区西部的不连续多年冻土区）;鄂陵湖北岸（ELH,源区中北部季节冻土区）. 结合植被调查和场地监测,分析了源区各冻土区植被的差异. 结果显示：总体上低温多年冻土区植被盖度、多样性指数高,表现为连续多年冻土区（查拉坪）>不连续多年冻土区（麻多乡）>季节冻土区（鄂陵湖北岸）,其中岛状多年冻土区（扎陵湖南岸）例外,该场地平均盖度最低,多样性指数介于查拉坪和麻多乡之间,局部植被退化较严重. 均匀度指数均表现为扎陵湖南岸最高,查拉坪次之. 地上生物量调查结果显示：查拉坪>麻多乡>扎陵湖南岸>鄂陵湖北岸,且鄂陵湖北岸出现指示植被退化的植物. 尽管黄河源区高寒植被研究为理解冻土退化条件下的生态环境变化提供了一些基础数据,评估气候变化和冻土退化的生态和水文效应需要更系统的调查和监测研究.     

高寒山区冻土对水文过程的影响研究——以黑河上游八宝河为例

冻土对寒区水文过程具有重要的调节作用,是寒区水循环研究的核心内容之一.在分布式水文模型中对土壤冻融过程进行显式表达,对探索寒区水循环的机理、定量研究寒区流域径流的时空变化十分重要.先在黑河上游八宝河流域对考虑了土壤冻融过程的分布式水文模型进行简单验证,然后分析土壤冻融对流域水文过程的影响.对考虑和不考虑土壤冻融的模型模拟结果进行对比,发现冻土对流域的产流方式和速度有很大的影响,主要表现为：1）考虑冻土时,流域产流以壤中流为主,径流对降雨或融雪的响应速度较快,径流过程线变化较为剧烈,径流系数较高.冻土有效地阻碍了入渗过程,促进地表径流和壤中流的形成.壤中流发生的平均土壤深度冬季深,春季浅,年平均深度约为1.1 m;2）在不考虑冻土时,土壤下渗能力强,地下水补给是考虑冻土时的3倍,流域产流方式以基流为主,径流对降雨或融雪的响应速度减缓,径流过程线较为平滑,夏季洪峰在时间上存在明显的延迟.即便在降水强度较大的夏天,流域内都不会产生地表产流,而且壤中流产流的平均土壤深度平稳地处于2.4 m左右.研究对从机理上认识土壤冻融对水文过程的影响有一定的帮助.     

不同含水量亚黏土的崩解特性实验研究

为了分析土的初始含水量与其崩解性的相关关系,选取了一种高孔隙率、粉黏粒含量较高,且不具有湿陷性的轻质亚黏土作为研究对象。对7组不同含水量的土样品进行崩解试验,发现随着初始含水量的增大,其崩解时间越长,初始含水量接近于风干含水量的土样品能够完全崩解,当初始含水量为天然含水量时,土样品崩解的过程是由"内"到"外",由整体崩解为大块,然后再崩解为更小的块状;当初始含水量为风干含水量时,土样品崩解过程是由"外"到"内"以鳞片状一层一层地崩解;随着土样初始含水量的增大其崩解速率逐渐变小,初始含水量接近风干含水量时,土样在完全崩解的过程中,其崩解敏感性较强;初始含水量接近天然含水量的情况下,在不完全崩解的过程中,其崩解敏感性较弱。