青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应研究

结合国际冻土研究的热点问题和青藏高原脆弱生态环境可持续发展的需求,针对多年冻土退化过程中趋于加剧的热喀斯特现象,及其因融穿冻土、造成区域地下水位的改变而诱发的生态环境影响,在国家自然科学基金重点项目支持下开展"青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应"研究。项目主要通过遥感分析及野外调查,分析气候变化和工程活动影响下的青藏工程走廊内热喀斯湖时空分布规律,评价其生态环境效应;选取热喀斯湖广泛发育区域,调查其发育条件、规模和几何分布特点,揭示典型热喀斯特湖影响因素变化、水热状况等,通过水文学、同位素示踪试验等阐明热喀斯特湖与地下水之间的转换关系;结合抽水疏干试验进行热喀斯特湖对区域地下水位影响分析,并通过数值模型及模拟,依热喀斯特湖发育不同阶段、规模,分析其对区域冻土、水文条件及生态环境的影响。研究成果将有助于区域性冻土生态环境演化准确评价及趋势预测,以及深入理解诸如江河源多年冻土区水文状况演化影响因素,及其相应的生态环境响应机制。     

PROGRESS IN GLOBAL PERMAFROST AND CLIMATE CHANGE STUDIES

多年冻土热状态和土壤季节冻融过程的变化对陆地生态系统、地-气间温室气体交换、水文和地貌过程以及工程基础设施的建设和运行都具有很大的影响.活动层和多年冻土及其变化数据信息对于验证在不同尺度的陆面过程、水文、生态和气候模型至关重要.本文就目前全球多年冻土与气候变化研究现状进行概括性总结.在全球变暖的影响下,全球范围内多年冻土发生了不同程度的退化.自20世纪70年代末以来,北极高纬度低温多年冻土温度升高可达3℃.由于受相变潜热的影响,在不连续多年冻土区相对较高温度的多年冻土温度增加幅度较小.受局地条件的影响,个别站点多年冻土温度几乎没有发生变化,甚至有降温的趋势.高纬度多年冻土南界向北移动,而中纬度高山地区多年冻土下界向高海拔移动,导致全球多年冻土面积减少.活动层厚度变化具有较强的区域差异,其深度增加范围从几厘米到1m多不等.新的融区在形成,融区厚度在增加且其范围在扩大.导致全球范围内多年冻土温度升高、活动层厚度增加以及融区的形成主要是受气温升高和积雪条件变化所致.未来多年冻土研究应包括不同时-空尺度上的长期监测和数值模拟、多年冻土变化与大气、水文、生态系统、碳循环以及地貌过程的相互作用等方面.     

热卡斯特湖对多年冻土热状况长期作用的数值模拟研究进展

热喀斯特湖是其周边多年冻土重要的热源,也是排向大气的温室气体的重要源泉,对湖下及周边多年冻土中发生的物理、化学、生物、地貌和水文过程能产生重要的作用,严重影响冻土区环境和建筑物的稳定性。数值模拟为量化分析热喀斯特湖及其演化对周边多年冻土热状况长期影响的效果提供了有效的方法,极大地深化了人们对热喀斯特湖作用的认识,总结热喀斯特湖对多年冻土热状况数值模拟研究的进展对运用和改进现有数学模型以及开发更加有效的模型具有重要的指导作用。综述了最近10多年开发的描述热喀斯特湖对多年冻土热状况影响的相变热传导模型、热融滑塌模型、湖塘—冻土耦合模型、组合热量传递与质量传输过程的湖扩张模型、温度场与水分场耦合运移模型,以及基于移动网格方法的热喀斯特湖动态演化模型等主要数学模型的构成、功能、优点和不足,提出了未来数值模拟研究中值得重视的问题,包括建立更有效的模型,确定更符合实际的初始条件,深入研究土壤的热和物理参数,充分考虑湖水补给的作用,进一步研究热喀斯特湖周边冻土层上水的热效果,建立耦合相变热传导与对流传热过程的控制方程,在模型中嵌入气候变暖的效应,研究热喀斯特湖干涸对多年冻土区环境变化的长期影响,量化分析多个热喀斯特湖对冻土共同作用的效果,模拟热喀斯特湖邻近湖岸浅水区下面融区发展的过程与特点,并继续做好系统全面的现场观测等。     

基于移动网格技术的热融湖动态演化过程数值模拟

基于移动网格技术建立了热融湖动态演化有限元数值模型, 研究了青藏高原多年冻土区典型热融湖动态演化过程, 分析了热融湖半径、深度的变化过程及其对湖底及周围多年冻土温度状况的影响. 结果表明:在移动边界热融湖模型中, 热融湖半径以0.7 m·a^-1的速度近线性地增大; 随着下伏高含冰量冻土的融化, 热融湖深度增加先慢后快, 最后逐渐减小趋于稳定. 热融湖深度和半径从5月末至翌年1月末增加显著, 在2-5月间基本保持稳定. 伴随着热融湖的扩展, 地表边界逐渐演变为湖底边界, 热融湖的热影响范围逐渐增大. 在固定边界热融湖模型中, 其热影响会逐渐趋于稳定, 由于初始尺寸大, 其湖底多年冻土退化速率大于移动边界模型, 而远离湖边的多年冻土退化速率要小于移动边界模型. 如果不考虑热融湖边界随时间的变化, 可能会高估热融湖对湖底多年冻土的热影响, 而低估其对附近多年冻土的热影响.     

青藏高原热喀斯特湖演化及其对多年冻土的热影响模型计算研究北大核心CSCD

青藏高原热喀斯特湖分布广泛,近年来在气候变暖背景下快速发展。热喀斯特湖的形成和发展与地下冰含量及气候变化有着密切关系,强烈影响多年冻土的热稳定性。为了更深入理解在气候变暖背景下热喀斯特湖的发展及其对下伏多年冻土的影响,以青藏高原北麓河地区一个典型热喀斯特湖的长期监测数据为资料,发展了耦合大气—湖塘—冻土三个过程要素的一维热传导模型,模拟了四种不同深度热喀斯特湖在气候变暖背景下的发展规律及其对多年冻土的热影响。结果表明:浅湖(<1.0m)在目前稳定气候背景下处于较稳定状态,湖冰能够回冻至湖底,对下伏多年冻土影响较小;较深湖塘(≥1.0m)冬季不能回冻至湖底,湖深不断增加,且底部在50年内将会形成不同深度的融区。随着气候变暖,热喀斯特湖的热效应显著,深度快速增加,较深湖塘的最大湖冰厚度减小,底部多年冻土快速融化形成开放融区。研究将有助于理解气候变化对青藏高原多年冻土区地貌演化及水文过程的影响。     

青藏铁路北麓河地区典型热融湖变化特征及其对冻土热状况的影响

在全球气候变暖、青藏高原平均气温升高的大背景下,多年冻土区热融湖的发育及其对冻土热状况的影响日益显著.以北麓河地区的一典型热融湖为例,通过对湖岸坍塌及年地温变化等进行监测分析.结果表明:目前该热融湖湖岸逐年坍塌,坍塌主要发生在靠近铁路一侧厚层地下冰发育区域,年平均坍塌宽度大约为0.5m,湖心下原约83.0m多年冻土已全部融化.根据210Pb测年,估算该热融湖形成于约890aBP前.在热融湖的影响下,湖心至路基坡脚天然孔之间多年冻土上限深度及多年冻土厚度均发生了很大变化,湖近岸多年冻土上限深度比路基坡脚天然孔多年冻土上限深约0.65m,湖边多年冻土厚度也比路基坡脚天然孔多年冻土厚度薄约60m;湖心至路基坡脚天然孔之间土层在水平方向形成明显的地温差异,在相同深度,湖心下土层地温年平均值比天然孔地温年平均值高5.0℃左右.热融湖作为热量的载体,以二维热传导方式将热量向其周围传递,导致附近多年冻土温度升高,热稳定性降低.     

多年冻土地下水及其变化研究进展

冻土的低渗透性改变了地表水下渗,导致寒区流域产汇流过程发生改变;其季节冻融及引起的活动层深度变化,改变了土壤含水量从而调蓄流域储水量。过去数十年,气候变暖引起冻土退化重塑了寒区水文地质环境、改变了地下水热状况;而多年冻土退化的后果是其所含有的固态冰向液态地下水转化,进而改变多年冻土地下水的时空模态、生态环境和工程设施基础,影响多年冻土的碳汇功能,以及释放封存于其内的温室气体并进一步加速气候变化。尽管水化学和数值模拟技术的发展提升了人们对于冻土地下水补径排和循环机理的理解,但冻土区恶劣的环境和直接监测地下水的困难,仍然使冻土地下水研究存在巨大挑战。本文通过梳理多年冻土地下水相关文献,刻画了多年冻土地下水的时空模态,探讨了冻土与地下水的相互作用,认为在未来的研究中,水化学方法应更加侧重于冻土地下水动态,数值模拟应更加侧重于地下水热过程。另外,还整合了气候变化背景下多年冻土地下水变化的相关研究成果,描述了从补给区-排泄区、冻土融化起始-长期退化至消失过程中地下水的赋存、补径排变化以及这些变化所带来的影响。最后,尝试性探讨了冻土地下水研究未来可能的发展,以期为多年冻土地下水水文、水资源和生态环...     

宽幅沥青路面热效应对其下部土体热状态的影响

在多年冻土区,道路工程建设会引起下伏冻土吸热融化,进而威胁上部工程稳定性,这一冻土问题是多年冻土区工程建设面对的重要问题.对于青藏高速公路而言,由于铺设高吸热性的沥青路面和路基幅面增宽引起的尺度效应,路基吸热量较普通路基将大幅增加,使得其冻土问题更为突出.基于此,利用数值仿真手段,考虑全球气候变暖背景,对宽幅路基修建完成后20 a的热状况进行预测研究和比较分析,阐明了宽幅面沥青路面热效应对下部土体热状态的影响及其与路基边坡水平热效应的综合贡献,比较分析了全幅修建和分幅修建条件下下伏冻土热状态的异同. 研究成果将为多年冻土区高速公路的路基稳定性研究和建设模式等提供基础理论指导.     

青藏高原热喀斯特湖与多年冻土的相互作用

为深入理解热喀斯特湖与多年冻土间的相互作用,本文以青藏高原北麓河盆地典型热喀斯特湖区域为例,构建考虑热传导和热对流过程的水-冰-热耦合模型,对热喀斯特湖作用下的多年冻土退化特征及热喀斯特湖的水均衡进行模拟,计算地质环境和气候变暖对热喀斯特湖水均衡和冻土的影响。研究结果表明：热喀斯特湖周围冻土逐步退化并形成贯穿融区,导致地下水循环模式发生改变;在地表温度作用下,形成的活动层厚度为3.35 m;热喀斯特湖在整个模拟时段内表现为负均衡,其排泄量在285～388 a间显著增加;地层渗透性能决定了热喀斯特湖和生态环境的发展方向;气候变暖加速多年冻土向季节冻土转变。研究结果可为进一步认识寒旱区生态水文过程提供科学依据。     

微生物介导的热融湖碳循环关键过程研究进展

极地超常的变暖引起多年冻土不断退化并形成热融湖,该过程释放温室气体与气候变暖形成正反馈。微生物在碳循环不同环节均发挥着重要作用,理解热融湖中微生物对碳循环的调控机制,对于应对未来气候变化具有重要意义。综述了热融湖微生物参与的关键碳循环过程：梳理了热融湖形成过程和形成后微生物群落组成与分布;对有机碳分解、产甲烷和甲烷氧化等过程中涉及的主要微生物类群进行了总结;凝练了微生物对碳循环的调控机制及受环境变化的影响机制与要素。基于已有研究,得出如下认识：(1)多年冻土融化形成热融湖主要以陆生有机质为主,一些营养物质如磷酸盐、植物纤维素和亮氨酸残基等生物聚合物从陆地进入水体。(2)在多年冻土融化形成热融湖过程中,随着温度和通气条件的改善,有机质及各种生物聚合物可利用性增加了微生物功能基因多样性,提高了微生物对有机碳的分解潜势。温度、底物、溶解氧等和微生物群落的变化引起微生物代谢途径等的改变,从而影响了甲烷产生、甲烷氧化及固碳等过程,最终影响碳循环。(3)为了加深对热融湖中微生物介导碳循环过程的理解,提出了未来研究的方向：借助宏基因组技术及室内培养实验更加清晰地揭示微生物对碳循环各个过程的调节机制,...     

Study on Environmental and Hydrological Effects of Thermokarst Lakes in Permafrost Regions of the Qinghai-Tibet Plateau

Thermokarst lake is the most visible morphologic landscape developing during the process of permafrost degradation, and it is still an international hot topic in permafrost research. The climate warming, and the consequent degradation of the permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau aggravate thermokarst lake development. The permafrost is normally considered as an aquiclude, and the permafrost degradation, especially when the permafrost is completely thawed by a thermokarst lake, might influence regional ground water. Therefore, a research program focusing on environmental and hydrological effects of thermokarst lakes in permafrost regions of the Qinghai-Tibet Plateau was started and supported by the National Natural Science Foundation of China. The work proposed by the application includes: To analysis the spatial and temporal distribution rule of thermokarst lakes in the Qinghai-Tibet Engineering Corridor (QTEC) under the climate change and engineering activities, and to evaluate the ecological environment effects through remote sensing and field investigation; to reveal the main factors influencing a typical thermokarst lake and its hydrothermal condition, and to elucidate the conversion relationship between the thermokarst lake and the groundwater with hydrological and isotope tracer tests; to make an analysis of the influences of different lake stage and size on regional permafrost, hydrological conditions and ecological environment through numerical simulation and statistical modelling, considering the relationships between the thermokarst lake and the ground water level. The research results will help to accurately assess regional permafrost ecological environment evolution and trend prediction, and to reasonably understand the impact factors of the permafrost hydrological evolution and its response mechanism to the ecological environment in the river source regions of the Qinghai-Tibet Plateau. In this paper, the research status analysis, the main research contents, research objectives and prospects were introduced so as to provide some references for related researchers and engineers.     

青藏高原热融湖横向扩张速率对湖下融区发展影响的数值模拟

热融湖是高纬度和高海拔富冰多年冻土区重要的自然景观。这些湖由于富冰多年冻土或地下冰的融化而形成,由于湖水向周边多年冻土传递热量而持续扩张。以青藏高原北麓河地区一个热融湖的信息和冻土监测资料为基础,运用柱坐标系下伴有相变的热传导模型模拟了以不同的横向扩张速率演化的热融湖湖下融区的发展过程。结果表明：在青藏高原多年冻土厚度为75 m的北麓河盆地,分别以横向扩张速率0.10 m·a^-1、0.15 m·a^-1、0.20 m·a^-1和0.25 m·a^-1演化的热融湖,在湖形成分别达760 a、703 a、671 a和652 a时,湖下形成贯通融区,相应的多年冻土从上向下融化的平均速率分别为8.22 cm·a^-1,8.89 cm·a^-1,9.31 cm·a^-1和9.74 cm·a^-1。热融湖的横向扩张速率对湖下的融区发展和土壤热状况有重要的影响,在现场调查资料的基础上选取正确的热融湖横向扩张速率是热融湖对多年冻土热状况作用数值模拟研究的必要前提。     

Progress in Numerical Simulation of Long-Term Impact of Thermokarst Lakes on Permafrost Thermal Regime

Thermokarst lakes are a major heat source for the adjacent permafrost and a significant source of atmospheric methane. These lakes have important impacts on the physical, chemical, biological, geomorphological and hydrological processes occurring in the ground under and around thermokarst lakes, and seriously affect the local environment and the stability of the structures constructed in permafrost regions. Numerical simulation methods provide an effective method for quantitative analysis of the long-term impact of thermokarst lakes and their evolution on permafrost surrounding the lakes, and have deepened our knowledge about the impact of thermokarst lakes immensely. Summarizing the research progresses in numerical simulation of long-term impact of thermokarst lakes on thermal regime of surrounding permafrost has an important guiding function to improve mathematical models and develop more effective models. In this study, the components, functions, advantages and defects of several typical mathematical models having developed over the past ten years or so were reviewed, such as the heat conduction model with phase change, thaw slumping model, the coupled lake-permafrost model, thaw lake expansion model combining thermal processes with mass wasting and thaw-driven subsidence, the coupled heat conduction and moisture migration model, and the moving mesh method based thermokarst lake dynamic evolution model. Several issues deserving to be paid further attention in the future researches were proposed, including creating more effective models, determining the more realistic initial condition, lucubrating thermal and physical parameters of the typical soils, consider the impact of lake water replenishment, quantitative analysis of the thermal effect of supra-permafrost water flow around the thermokarst lakes, creating the coupled governing equation of heat conduction with phase change and convective heat transfer, embed ding the effect of climate warming in the model, numerical investigation of the long-term influence of thermokarst lake drainage on the environment change in permafrost regions, analyzing the long-term joint impact of multiple lakes on adjacent permafrost, simulating the near-shore talik development process and feature beneath shallow water in expanding thermokarst lakes, and continuing to do the systemic and comprehensive field measurements.     

青藏公路沿线热喀斯特湖分布特征及其热效应研究

热喀斯特湖的出现和发育是多年冻土变暖的指示器,研究热喀斯特湖发育及其热效应是应对青藏高原气候变化和人类活动诱发冻土灾害的基础工作.基于SPOT-5卫星影像资料,在ArcGIS平台下解译遥感影像,获取了青藏公路沿线楚玛尔河至风火山段热喀斯特湖的数量和分布特征,这些热喀斯特湖以楚玛尔河高平原和北麓河盆地为主要分布区,且80％发育于高含冰量多年冻土区.热喀斯特湖通过竖向和侧向2种传热方式影响多年冻土,竖向传热会造成其下部多年冻土融穿,侧向传热会造成湖岸多年冻土增温,扩大热影响范围.通过北麓河地区一典型热喀斯特湖的数值计算,湖全年都在向湖岸放热.当热喀斯特湖离路基较近,将会对公路产生潜在或者直接的危害,其侧向热侵蚀往往会导致冻土路基温度升高,诱发路基病害.     

Factors influencing thermokarst lake development in Beiluhe basin,the Qinghai–Tibet Plateau

Thermokarst lake is a significant indicator of permafrost degradation. However, the evaluation of thermokarst lake development is very difficult through physical mechanism analysis because the development is influenced by many factors. In the present study, the factors influencing thermokarst lake development were investigated from the perspective of frozen soil and the geographical environment. The influences of six factors on thermokarst lake development in Beiluhe basin, located in the hinterland of the Qinghai–Tibet Plateau, were analyzed: permafrost type, ground temperature, vegetation type, soil type, hydrogeological type, and slope. Sensitivity coefficients were calculated for these factors using statistical methods. The results show that thermokarst lake development was influenced by the analyzed factors as follows: permafrost > soil type > ground temperature > hydrogeological type. Furthermore, 80.1% of the study area was highly sensitive to thermokarst lake development. Overall, thermokarst lake development in the Beiluhe basin was thoroughly evaluated based on sensitivity factors and an established statistical evaluation method. The method detailed in this paper provides a reference for evaluating the likelihood and severity of thermokarst lake development.     

热融湖塘对多年冻土的热影响

以发育于青藏高原多年冻土区的红梁河热融湖塘为例,研究了热融湖塘附近土体的热状态变化特征,以及其对湖岸多年冻土上、下限影响情况.结果表明:热融湖塘侧向热影响改变了热融湖塘下部和周围区域土体的热状态,使周围土体热状态处于动平衡状态,既受热融湖塘的热影响,也受到周围多年冻土的热影响.热融湖塘对周围浅层土体温度和多年冻土上限影响相对较小,但热融湖塘热影响引起了湖岸边缘的多年冻土上限增大和地温升高.热融湖塘对深部土体温度和多年冻土厚度有较大的影响.     

从第三极到北极： 热喀斯特及其对碳循环影响研究进展

北半球多年冻土区储存着大量的土壤有机碳, 气候变暖加剧了多年冻土退化, 多年冻土退化最明显的特征是热喀斯特。热喀斯特会直接导致活动层及多年冻土层土壤有机质暴露, 并改变水文、 植被和土壤生物环境条件, 对生态系统碳循环具有重要影响。热喀斯特对碳循环的影响是评估多年冻土碳循环和气候变化关系不确定性的关键问题之一。然而, 在气候变暖背景下热喀斯特地貌的发育及其对碳循环影响有多大, 目前对这个问题仍然缺乏足够的认识。通过综合比较第三极和北极热喀斯特相关研究, 分析了第三极和北极地区热喀斯特地貌特征及其变化趋势, 阐述了热喀斯特对植被演替、 土壤碳损失和生态系统温室气体排放过程的影响, 并提出了未来热喀斯特研究可能遇到的挑战。认识热喀斯特碳循环过程, 是评估气候变化对多年冻土碳循环影响的关键环节, 有助于加强多年冻土区生态系统碳循环与气候变暖之间反馈关系的认知。