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。     

青藏铁路主要冻土路基工程热稳定性及主要冻融灾害

在介绍青藏高原多年冻土退化背景及其工程影响的基础上,通过主要冻土路基现场监测和沿线调查,对青藏铁路冻土路基2002年以来的地温发展过程、热学稳定性及次生冻融灾害进行了分析。结果表明:青藏铁路自2006年通车后冻土路基整体稳定,列车运行速度达100 km/h,达到设计要求,但不同结构路基的热学稳定性不同,采取"主动冷却"方法的路基稳定性显著优于传统普通填土路基。管道通风路基、遮阳棚路基及U型块石路基冷却下伏多年冻土的效果显著,块石基底路基左右侧对称性较差,而处于强烈退化冻土区和高温冻土区的普通路基热稳定性差,需结合路基所在区域局地气候因素予以调整或补强。以热融性、冻胀性及冻融性灾害为主的次生冻融灾害对路基稳定性存在潜在危害,主要表现为路基沉陷、掩埋、侧向热侵蚀等,其中目前最为严重的病害是以路桥过渡段沉降为代表的热融性灾害。     

饱和粗砂、粉土内甲烷水合物形成与分解过程中的水分迁移规律

用可探测土壤水分变化的pF-meter探头组装了新型水合物研究设备,并对两种饱和介质内甲烷水合物形成与分解过程中的水分迁移规律进行研究,以期望能为进一步探索多孔介质内甲烷水合物形成与分解机制提供参考.通过实验发现相同条件下,不同饱和介质内生成的甲烷水合物形态存在较大差异,且形成过程中的水分迁移规律也不同;水合物分解过程...     

青藏高原地表温度的变化分析

利用青藏高原86个气象观测站建站～2001年历年各月地面0cm温度资料,在分析高原冬季、夏季和年平均地表温度基本气候特征的基础上,通过主成分分析、主值函数和功率谱分析等方法,对高原地表温度异常变化的空间结构和时间演变趋势作了诊断研究。结果表明：高原地表温度主要受海拔高度与纬度的影响,海拔越高温度越低,纬度越高温度越低。年平均温度最高值在雅鲁藏布江河谷的察隅为14．9℃;夏季平均温度最高值在柴达木盆地的格尔木为23．0℃。高原外围的南疆盆地南缘,川西温度更高,但其中心不在高原。高原地表温度最低值在中部的托托河、五道梁,年平均温度为-0．2℃,冬季更低,平均为～14．2～-15．8℃;夏季平均地表温度最低值在清水河为9．8℃,7月平均温度为10．7℃。高原地表温度第一载荷向量除南部小范围为负值外,大部分地方为一致的正值,即第一空间尺度表现为整体一致性;第二空间尺度有南正(负)北负(正)之差异。第一主分量在近30年中表现为明显的上升趋势,主要反映了高原主体偏北和东北部地区地表温度显著升温趋势,而第二主分量的缓慢下降说明高原中部和东南部地表温度呈下降趋势。代表站温度变化表现出准3年和准6年的周期振荡。铁路线北段和南段线性升温率较大,在0．42～0．58℃／10a之间;铁路线中段的高海拔地区升温率较小,为0．32～0．39℃／10a。     

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).     

青藏高等级公路试验工程设计研究

随着国家高速公路网规划的逐步实施,寒区高等级公路的建设逐步提到议事日程上来.结合青藏高等级公路建设的需求,较为系统地分析和讨论了中国科学院西部行动计划青藏高等级公路试验示范工程各试验段的设计研究内容;分析了青藏公路、青藏铁路路基传热过程和强度的本质区别,宽幅路面的传热特点,以及现有的工程措施直接应用于高等级公路中可能造成的影响和不足.在此基础上,结合高等级公路的传热特点,从对流、传导、辐射等方面就设计和试验的工程措施的合理性进行了分析介绍.同时,对整个试验示范工程的观测系统的设计、研究内容也进行细致分析.该试验示范工程的建设和研究必将为青藏高等级公路建设提供科学依据和关键的技术支撑.     

分子动力学模拟研究未冻水对冰晶体力学性质的影响

冰力学性质的研究在冻土工程、冰工程中都占据极其重要的地位,冰中未冻水含量的变化会导致冰整体性质随之改变。目前,在微观分子尺度上针对冰中未冻水含量控制因素方面的研究尚不充分。本研究通过分子动力学方法模拟了5种温度、3种应变速率、4种晶粒尺寸、3种升温速率下单晶冰与多晶冰的单轴拉伸与压缩试验,研究了不同影响因素下冰晶体力学性质及内部的微观结构变化,揭示了分子尺度上未冻水在冰晶体变形过程中的产生过程与变化规律,以及未冻水比例对冰晶体力学性质影响的内在机理。模拟结果显示,单晶冰力学性质与未冻水比例间的关系不显著,与冰晶体六元环结构的破损程度直接相关。此外,力学性质受温度、应变量、应变速率等多因素影响,且在拉伸和压缩过程中单晶冰均表现出明显脆性破坏,其强度随温度降低和应变速率加快而增强。相比之下,多晶冰力学性质与未冻水比例变化密切相关,且未冻水比例主要受温度、晶粒大小及其界面状态控制。而且,多晶冰对温度和应变速率更敏感,说明晶界处的结构变化对其力学性能起重要作用。与弹性变形不同,晶界滑移、晶粒旋转、非晶化和再结晶等过程主导多晶冰的塑性变形。     

青藏高原不同高寒生态系统类型下多年冻土活动层水热过程差异研究

基于青藏高原北麓河地区高寒草原、高寒沼泽草甸和高寒草甸生态系统下多年冻土活动层水热过程的监测数据,对活动层水热过程特征开展了相关研究。研究结果显示,在活动层厚度、冻融时间、持续时间以及活动层土壤水分含水量分布方面,不同的高寒生态系统下活动层的上述属性特征差异明显。高寒草原下多年冻土活动层厚度最大,土体开始融化的时间最早,每年持续融化的日数也最长;高寒草甸最小,高寒沼泽草甸居中。高寒草原下活动层土壤含水率从上到下逐渐增加,水分基本集中在活动层的中下部分;高寒沼泽草甸下活动层土壤水分的分布情况相对比较均衡;高寒草甸下活动层土壤含水率分布呈现从上到下逐步减少的模式,越靠近地表土壤含水率越大。对监测数据的进一步分析发现,不同的高寒生态系统下,近地表地温与气温温差累计值、近地表土壤有机质含量、n因子特征以及近地表地温标准差统计特征都具有明显的区别。研究分析表明,多年冻土活动层水热过程特征与高寒生态系统类型具有明显的关联性,高寒生态系统会影响近地表能量通量,从而使地-气热量交换产生差异,这一差异又将改变活动层土壤温度、水分分布特征及其动力学过程。