多年冻土区线性工程的生态环境影响研究现状与展望

在多年冻土区,线性工程（公路、铁路、输油管线、输电线路等）的修建和运营对沿途周边的冻土热状态、土壤理化性质、水文过程以及陆面过程产生显著影响,生态环境发生明显改变并对冻土的工程稳定性产生显著影响。冻土工程作用下的生态环境变化是冻土学近年来研究的热点之一,通过文献综述,对冻土区线性工程的主要特征,以及近几十年来工程影响下冻土环境和植被变化研究进展与现状进行了总结和归纳,在此基础上,探讨了多年冻土区工程建设存在的主要生态问题。目前,生态环境各要素对工程的反馈研究十分丰富,但是生态环境要素与工程相互作用的机理、过程的研究还需完善。在以后的研究中应重点拓展有效的监测手段,为冻土区生态环境监测和研究服务;同时,在深入理解寒区工程建设对生态环境作用机理、过程基础上,积极开展冻土区工程环境容量阈值评估以及生态环境变化预测研究,为寒区大规模工程建设与生态环境和谐发展提供理论支持与对策建议。     

风沙堆积对下伏多年冻土影响的数值模拟

青藏高原沙漠化所产生的风沙堆积作为一种重要局地因素,其对下伏多年冻土的具体影响目前尚未清楚。通过数值方式,模拟了红梁河沙害严重地区高温退化型多年冻土在13种厚度的干湿风积沙覆盖下10年内的变化情况。结果表明：在土体浅层,沙层越厚,地温较差越小,且干沙下地温较差变化幅度明显大于湿沙;干沙越厚,最大季节融深越小,湿沙则对最大季节融深影响微弱;积沙无论干湿,沙层越厚,冷暖季年热循环量均越小,且干沙下年热循环量变化幅度明显大于湿沙。因此,风积沙对其下伏多年冻土退化有不同程度减缓,沙层越厚,减缓作用越强,且干沙减缓多年冻土退化的能力明显强于湿沙。     

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。     

青藏铁路抛石护坡路基强迫对流特性数值分析

基于多孔介质中流体热对流的连续性方程、非达西流动量方程和能量方程,对强通风条件下青藏铁路典型抛石护坡路基内温度场和流速场的分布形态进行数值研究。研究结果表明,抛石护坡路基对多年冻土保护作用显著,抛石护坡路基的存在使夏季多年冻土上限明显提高,冬季抛石护坡路基下部土体回冻速度较天然地表下部土体更快,由于降温作用主要集中在护坡附近有限范围之内,对路基中部的降温作用相对较弱。整体而言,抛石护坡对冻土路基本体的保护作用有限,从长期降温效果来看,由于全球气候变暖的影响,强通风条件下抛石护坡路基中线以下土体的内部可能产生“似眼球状”融化夹层,不利于路基的稳定。迎风抛石护坡层中空气运动方向大致为沿护坡斜向上,背风抛石护坡层中空气运动方向以从下到上运动为主,抛石层内空气的运动形式为“绕流”,抛石层表面空气速度最大,内部较小,空气速度分布区间为1.24×10-3～12.8 m/s,数值结果与现场试验测得的风速区间基本一致。     

非饱和介质中甲烷水合物形成与分解的水分变化特征

多孔介质中甲烷水合物形成与分解过程的水分变化研究对了解自然件下沉积物中天然气水合物的形成与分解机制具有重要意义.本研究中,我们首次利用可探测土壤内部水分及温度变化的pF-meter探头,对甲烷水合物形成与分解过程中非饱和粗砂和粉砂质粘土内的水分变化特征进行了研究.结果表明:甲烷水合物的形成与分解过程可仅引起非饱和粗砂内水分的重新分布;甲烷水合物在非饱和粉砂质粘土中容易形成也容易分解.     

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。     

青藏公路低温多年冻土温度的多时间尺度分析

利用小波变换分析方法, 对青藏公路风火山监测场地天然状态下和路基中心下15 a的低温多年冻土温度时间序列进行了多时间尺度分析和趋势预测. 结果表明: 天然地表和路基下部多年冻土温度变化具有多时间尺度特征, 二者多时间尺度周期的时频分布特征存在较大差别. 天然地表具有简单的规律性, 路基中心的规律相对较复杂, 主要体现在冻土上限附近. 天然地表下当前均处于暖期, 深层主要受气候长周期波动控制, 使其在进入冷暖期的时间上滞后于上层; 路基中心下浅层和深层的冷暖期相反, 浅层处于暖期, 深层处于冷期, 其长度随热交换量大小和热量积累的变化也不统一, 给路基的稳定性带来了更大的隐患, 但也为控制、减少和治理冻土路基中的病害提供了新依据.     

地球物理测井在多年冻土厚度和地下冰调查中的应用

基于青藏高原多年冻土区三个钻孔的地球物理测井数据和钻孔编录资料,我们对多年冻土厚度和多年冻土层内地下冰与地球物理测井数据之间的关系进行了相关的分析研究.研究表明,当地层为土壤类型时,可以使用井径和侧向测井曲线来判断多年冻土层厚度;而当地层为致密的基岩时,不能使用上述两种测井曲线来判断多年冻土层厚度.此外,还可以使用长源距伽马-伽马曲线和侧向测井曲线来识别多年冻土层内部分地下冰层的位置,其前提条件是地下冰层具有一定的厚度,或即使厚度较薄,但连续出现.这一研究结果对于利用地球物理测井曲线来调查多年冻土情况具有一定的应用价值.     

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).     

青藏高原北麓河附近不同地表覆被下活动层的水热差异研究

通过对青藏高原北麓河附近天然状态和工程活动状态下不同场地(砂砾路面、铲除植被、草甸地表)的活动层水热状态监测研究,对比分析了不同工程活动对场地活动层的水热传输特征和冻融过程的影响.结果表明,由于工程活动改变了场地下垫面性质,造成了不同场地活动层冻融过程、活动层厚度等的差异,进而影响了多年冻土变化.冻融期间工程活动场地活动层的水热状态变化要比天然场地强烈而且差异较大,工程活动场地冻土的稳定性比天然场地低.