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.     

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...     

煤矿开采过程中的冻土环境问题与对策

冻土区矿产资源的开发,对多年冻土的影响速度快、范围广、最直接,是其他人为活动无法比拟的.特别是煤矿开采,它对多年冻土影响剧烈,使得煤矿区冻土环境更加脆弱.青海木里煤田矿区处于青藏高原阿尔金山—祁连山高寒带山地多年冻土区,是大通河上游水源涵养生态功能区,冻土生态环境较为敏感.在分析青海木里煤田矿区多年冻土分布状况与特征的基础上,从多年冻土变化和多年冻土区自然环境变化两个方面,探讨了煤矿开采过程中的冻土环境问题,并提出避免和减缓煤矿开采对冻土环境造成影响的建议与对策,以期为寒区资源合理开发利用保护提供科学依据.     

中国冻土地下水研究现状与进展综述

冻土地下水系统不仅在寒区水文循环中扮演着重要的角色,同时也在寒区水文过程和地表过程及其科学研究中起到了集蓄、融冻和泄流等至关重要的作用。近几十年随着全球气候变暖及人类活动（寒区工程量）的增加,冻土退化趋势显著,这一过程改变了寒区的水文地质条件,导致地下水动态特征发生显著变化,从而引起一系列的生态环境变化。近些年,诸多学者通过构建水热耦合模型来研究冻土地下水的运动机理、分布状况和季节动态,促进了寒区地下水理论知识的发展,推动了寒区水文地质知识体系的进步。本文主要针对目前我国多年冻土区地下水的研究现状进行了分析、整理、归纳,为进一步研究气候变化下地下水系统的发展与演变,以及对生态环境的影响提供参考依据。     

格尔木-拉萨成品油管道沿线冻土工程和环境问题及其防治对策

格尔木拉萨成品油管线穿越青藏高原腹地多年冻土区,沿线气候严寒、冻土工程地质条件复杂.几十年来,气候变暖和人类活动已经对管道沿线的冻土环境产生了显著影响.总结了自运营以来格拉管道出现的冻土工程问题及管道沿线的生态环境问题,并就各种问题给出了相关措施和建议.同时,提出了该区管道建设和寒区环境研究的方向应包括加强管道内外检测、对管道进行风险评价、提高管道自动化管理水平、建立冻土长期监测体系以及保护沿线的生态环境等.     

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.     

东北多年冻土退化及环境效应研究现状与展望

东北多年冻土属中高纬度多年冻土,对气候变化非常敏感。数据模型模拟表明,21世纪东北多年冻土区气温会持续上升,显著的变暖将导致多年冻土退化。东北多年冻土呈现自南向北的区域性退化趋势,多年冻土区南部表现为南界的北移、融区的扩大和多年冻土的消失,而北部表现为多年冻土下限的上移、活动层厚度增大及地温升高等。多年冻土的退化会导致寒区生态环境的恶化,如兴安落叶松占绝对优势的天然林带锐减,林带北移,沼泽湿地萎缩等。随着多年冻土的迅速退缩和变薄,原多年冻土中蕴藏的碳将释放出来,对气候变化产生积极的正反馈,加速变暖,并影响全球碳循环。多年冻土退化导致其热状态失稳而造成寒区基础设施损坏,并且影响冻土微生物、碳循环、寒区生态和水文等,而它们是区域气候变化的重要因子,也将成为未来多年冻土研究的重点。而这些研究都需要长期的基础数据作支撑,因此需要进一步完善冻土参数监测网络,用模型厘清气候变化与多年冻土退化及其环境效应之间的关系。     

中俄原油管道沿线多年冻土环境及管道施工技术探讨

选取中俄原油管道沿线位于多年冻土区的漠河-乌尔其段为研究区域, 分析了管道工程对多年冻土环境的影响以及冻土退化所带来的一系列生态环境问题, 并研究了冻土环境变化对管道工程的影响. 针对冻土区管道工程施工的相关问题, 提出了不同施工迹地的施工方式及相对应的冻土环境保护措施: 施工作业带的清理;取弃土的处理;施工便道、伴行道的修建及不同地段施工便道与伴行路路基最小高度的确定;施工营地、料场的设计及布设;管沟开挖时基坑暴露时间的计算, 多年冻土区管道工程的施工等.中俄输油管道是我国首条通过多年冻土区的大口径原油管道, 研究结果可为中俄输油管道及今后寒区工程建设过程中的环境保护提供科学依据.     

冻土工程与环境研究的新进展——第八届国际冻土工程会议回顾

2009年10月在西安召开第八届国际冻土工程会议, 就冻土地区工程设计与建设、季节冻土区工程冻害防治、冻土物理力学特性、 模型发展及其应用、寒区气候、环境及冷生变化、多年冻土水文学、寒区水资源和土地应用等主要议题进行了广泛交流, 报告了近年来冻土工程与环境研究方面的一些新进展. 从冻土工程设计、施工和评价、普通冻土研究、冻土的物理力学性质、冻土模型发展及应用、 气候变化及冰冻圈环境等方面对该次会议交流的成果进行了总结. 与会研究者认为今后的研究一方面要加强理论研究、工程措施机理研究;另一方面要加强寒区环境对气候变化的响应及反馈、以及环境变化与冻土工程措施之间的相互作用研究.     

青藏高原冻土及水热过程与寒区生态环境的关系

从青藏高原冻土及水热过程出发,利用青藏高原活动层监测数据,讨论了冻土水热过程与植被生长环境的关系,比较了季节冻土区与多年冻土区水热过程的差异及与植被的关系,同时讨论了不同草地生态冻融过程的变化.结果表明,冻土及水热过程与寒区生态环境有着密切的关系,冻土及水热过程不仅控制着地表状态的变化,影响着植被的发育程度,同时二者之间也存在着强烈的相互作用的关系.一旦地表条件被破坏,干扰了冻土水热过程与地表植被生长间的平衡关系,将引起生态环境的退化,出现荒漠化,甚至沙漠化.     

论青藏铁路修筑中的冻土环境保护问题

本文通过研究已建青藏公路修筑过程中寒区冻土环境和生态环境的破坏特征，分析总结了寒区环境破坏对公路工程的影响。青藏公路工程修建活动极大地改变了冻土环境，使得多年冻土退化，上限加深，诱发了一系列冻胀、融沉、热融滑塌等冻融灾害，使得生态环境原本就很脆弱的寒区环境更加恶化，如植被退化、荒漠化等，同时，冻土环境的破坏也使得工程环境恶化，直接影响青藏公路正常交通运输。因此，在即将进行的青藏铁路修筑工程中，必须深入研究其对冻土环境的影响，对冻土环境问题和环境保护应予以足够的重视。     

多年冻土区斜坡稳定性研究综述

全球变暖、极端天气频发,引发的地质灾害对自然生态环境和人类生产生活造成了很大的影响。尤其对气候变化较为敏感的高温（年平均地温>-1 °C）和高含冰量多年冻土区,气候变暖以及人类活动导致的冻融地质灾害日益频繁。冻土退化条件下,土体结构和物理力学性质发生改变,黏聚力和抗剪强度降低,造成多年冻土区斜坡发生滑坡、崩塌、泥流等灾害。斜坡失稳加剧了多年冻土区脆弱生态环境的恶化,同时对建（构）筑物安全运营产生威胁。与非冻土区相比,多年冻土区斜坡稳定性研究主要针对高含冰量斜坡段,斜坡失稳模式主要以热融滑塌和活动层滑脱为主。热融滑塌由斜坡段地下冰暴露融化引起,而活动层滑脱产生的原因是冻土融化导致土体孔隙水压力过大,形成的超孔隙水压力降低了土体强度,造成斜坡失稳。此外,多年冻土区斜坡失稳模式还包括融冻泥流、崩塌以及蠕变滑坡等。通过综述近期多年冻土区斜坡稳定性研究进展,概括了多年冻土区斜坡失稳的模式、特征、影响因素、失稳机理、分析方法及防治措施等,并对未来多年冻土区斜坡失稳的研究重点提出建议。     

青藏高原线型工程及其生态环境研究

“世界屋脊”的青藏高原是中低纬地带面积最大的高原多年冻土区。该区的生态环境和地质环境十分脆弱 ,而线型工程本身的特点加之施工管理不当 ,会造成沿线冻土环境和生态环境的恶化。本文探讨了该区线型工程及其沿线生态环境的相互作用机制 ,提出了为维护线型工程的稳定和保护沿线生态环境在施工和管理上应采取的措施     

冻土机械切削破碎机理的研究进展

冻土开挖困难、破碎效率低是高寒地区工程建设、地基施工等面临的技术难题。冻土机械切削破碎是冻土开挖的主要方法,其机理研究是提高冻土破碎效率的前提和基础。首先总结了温度、含水率、围压等对冻土复杂力学特性的影响,进而调研分析了冻土机械切削破碎的典型切削力学模型,发现冻土切削机械破碎模式不仅与冻土力学特性密切相关,也与切削参数和刀具结构直接相关,冻土切削过程中存在着最优的切削前角（30°~60°）,且深切削和浅切削时冻土内部受力方式存在差异也会导致破坏形式的不同;温度、含水率、围压所造成的冻土力学性能变化会直接导致冻土破坏过程和切削破碎机理的改变,冻土强度随着温度降低表现出先升高然后保持稳定的特性,随着含水率升高呈现出先升高后降低的趋势,冻土破碎存在脆性、塑脆过渡及塑性等不同破坏形式。通过系统总结冻土切削破碎机理研究进展,进一步明确了冻土力学性质主要影响因素、变化特点及其切削破坏损伤特征,为冻土机械切削破碎的切削参数和切削具结构优化提供了设计依据。     

差分干涉SAR冻土形变检测方法研究

季节性冻融导致的地表形变是冻土地区工程建设的主要病害,冻土的冻胀和融沉是影响青藏公路以及目前建设的青藏铁路路基稳定的重要因素.近年来,差分干涉测量技术已成为地表形变测量和监测的重要工具.基于重复轨道的ERS 1/2雷达图像,研究了利用干涉SAR技术探测冻土形变的方法,经过对引入DEM差分干涉SAR技术的处理和分析,得到研究区冻土形变结果.通过与实测数据比较,表明重轨差分干涉测量可以精确地探测冻土表面形变,可用于青藏铁路冻土形变监测.     

青藏高原多年冻土区活动层水热特性研究进展

青藏高原多年冻土作为我国冰冻圈的重要组成部分, 其水热状况是影响寒区生态环境、 陆气间水热交换、 气候变化以及地面路基建设等的重要因素。为增进对青藏高原多年冻土区活动层水热特性的认识, 对影响活动层水热特性的主要因素以及主要研究方法做进一步梳理, 并指出了当前研究中的不足。研究认为, 气象条件、 植被覆盖度、 土壤性质、 积雪等是影响多年冻土区活动层水热过程的主要因素, 目前针对活动层水热特性的研究主要通过对站点实测资料分析和模型模拟等方式展开。未来工作的重点应放在改进适合于高寒山区的陆面模式以及增强水热动态过程与气候系统的相互作用上。     

多年冻土区热融湖研究现状与展望

热融湖是多年冻土区地下冰融化形成的典型地貌单元,热融湖及其变化对多年冻土热状态、水文过程、生态环境、冻土工程稳定性等有着重要的影响. 热融湖还是重要的温室气体源,与全球气候系统存在着复杂而显著的互馈过程,是气候与环境变化的指示器. 因此,开展热融湖的相关研究是近年来冻土学研究的热点之一. 通过文献综述,从以下方面评述了热融湖研究的现状与进展：1) 热融湖形态特征及其演化过程;2) 热融湖热状况及其热效应研究;3) 热融湖和多年冻土区土壤-植被生态系统的相互作用研究;4) 热融湖对大气中温室气体的贡献. 最后,讨论了该领域目前面临的主要问题,提出了应在热融湖演化的基础理论、动态变化过程的预测、热融湖的冻土水文效应、区域尺度热融湖与冻土、生态、水文和气候耦合过程的综合等方面进一步开展研究,为定量预测和评价冻土区热融湖环境工程效应,应发展不同尺度的计算模型.     

基于主动加热光纤法的冻土相变温度场特征分析

冻土温度场分析对于冻土特性研究及冻土地区工程建设具有重要的作用,而冰水相变所产生的相变潜热大大增加了冻土温度场分析的复杂性。针对该问题,基于线热源模型和冻土传热基本理论,在考虑未冻水和相变潜热的情况下计算了冻土导热系数、体积热容和相变热容,分析其与测量初始温度的关系;在分析结果的基础上,对冻土含冰量的光纤测量技术进行了理论修正。基于主动加热光纤（AHFO）法,开展了一系列室内验证试验:在恒定的加热功率和时间下,采用自主研发的光纤光栅（FBG）刚玉管传感器,对同一初始含水量的冻土试样进行温度监测。结果表明:在本文试验条件下,FBG刚玉管传感器的影响半径小于5 cm,可以忽略边界效应;传感器所测温度增量与时间对数线性关系良好,主动加热对于冻土导热系数影响较小,线源模型适用于冻土导热系数测量;冻土导热系数与试验初始温度呈线性增长关系;在初始温度低于-6 ℃时,相变热容趋于稳定;在-6~0 ℃时,相变热容随温度升高逐渐增大,且变化趋势愈渐强烈;当初始温度高于-5 ℃时,相变热容甚至大于冻土自身的体积热容。相关结论为进一步提高冻土含冰量测试技术的精度提供了参考。