大兴安岭林区火灾后冻土环境的变化——以古莲河煤矿地区为例

本文通过对我国大兴安岭古莲河煤矿地区火灾后第二年冻土环境的野外调查表明,火灾后气温、地温、蒸发量及风速有明显的增加;湿度、含冰量、含水量有显著的减小。所有这些因子的变化导致了季节融化深度的增加。这些结论说明了森林火灾后冻土环境确实有较大的变化。此外,结合室内试验,本文还对火灾后最大季节融化深度(ξ_(max))进行了预测、由于植被与冻土关系的复杂性,本文对今后的工作提出了自己的看法,以便更完善地研究火灾后冻土环境的变化及对森林生态系统的影响。     

大兴安岭北部霍拉河盆地季节融化层的研究

大兴安岭北部霍拉河盆地季节融化层的特征受气温的控制,并随地面条件、含水量和土质的不同而变化。最大季节融化深度,在土类相同时,裸露的比有植被和雪盖的深0.4—0.5m;土类不同时,卵砾石的最大,碎石亚粘土、亚粘土和草炭亚粘土的分别为卵砾石的0.65、0.5和0.4倍。年平均地温为-0.1℃的季节融化层比年平均地温为0——0.5℃的约提前2—3个月消失。回冻融化层中的地下冰与青藏高原相比,不甚发育,冻土构造主要呈整体状、微层状和裂隙状。     

高原植物与冻土季节融化层的关系——以西藏土门地区为例

高原地区的植物与冻土季节融化层都受到气候条件的影响,并相互制约。冻土的低温限制植物根系向深处生长发育,而植被又减少地面的阳光直射、土壤增温和水分蒸腾,降低地表温度,使冻土在季节融化期内融化深度不连续,呈块状分布。高原植物的形态特征是对严寒、大风、强光等生态因子的适应。     

冻结砂金矿自然解冻和开采方法的研究

本介绍了在砂金矿开采中应用冻土热学的研究情况。以斯蒂芬公式为融化深度的解析形式，用野外观测资料确定系数Ｋ。在计算和观测结果的基础上预报融化深度并作出诺图；提出超前剥离与轮流开采相结合的生产方法，探讨逐层剥离融化法最佳剥离时间选择的理论依据并作了实验验证。该生产方法取得了较好的经济效益。     

探地雷达探测季节性冻土的正演模拟

随着季节的变化,季节性冻土区活动层在冻融过程中物性参数变化显著。以东北地区季节性冻土为研究对象,采用高斯随机粗糙面来模拟粗糙不平的冻结层和融化层界面,建立了能精细描述活动层非均匀性的随机介质模型,并进行了探地雷达正演模拟。研究结果表明:活动层的冻结深度和融化深度随季节而变化,其介电常数和电导率也随季节而变化;非均匀性的活性层、起伏不平的冻结层和融化层使雷达剖面中的散射波非常发育,随时间变化,融化层起伏越大,雷达剖面中的散射波能量越强,融化层和冻结层界面的反射波识别越难。同时,证明应用探地雷达监测季节性冻土的季节变化、冻结深度和融化深度的时间和空间变化是切实可行的。     

东北多年冻土区埋地输油管道周围温度场特征非线性分析

为解决冻土区输油管道周围土壤的温度计算问题,根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出了二维温度场的有限元计算公式.以东北多年冻土区中俄原油管道工程为背景,根据该工程区的冻土条件和气候条件,应用该方法对温热型输油管道土壤温度场进行了计算预报与对比分析.结果表明:对于输送油温为15 ℃、直径为0.914 m以及管顶埋深为2.0 m的管道,在没有铺设保温材料情况下,管顶之上的土壤在管道运行的第1年就达到热平衡状态,同时土壤融化速率在第1年达到最大,随后4a时间里迅速减小,第5年后融化速率变化趋于稳定;管道运行一段时间后,管道周围的融化圈随冷暖季节的变化呈交替式的扩展;在管道运行30 a后,融深＞10 m,即管底下的融化层厚＞7 m,而在铺设5～8 cm的聚氨酯保温材料后,融深控制在3.08～3.88 m,即管底下融化层厚为0.2～1.0 m.因此,合理使用保温方法能有效防止冻土区管道冻害的发生,同时达到保护冻土环境的目的.     

L型挡墙冻土融化深度变化趋势测试及分析

在多年冻土地区,土工结构稳定的核心是结构自身的热稳定性。在多年冻土区修建挡土建筑物,改变了原地面的热平衡条件,从而引起了多年冻土上限及其上部季节融化层的变化,有可能影响到工程结构的稳定性。因此,研究某一特定结构物的冻土上限或温度场分布及随季节的变化趋势是有意义的。结合青藏铁路格拉段目前唯一的支挡结构--L型挡墙这一工程措施,对L型支挡结构整个横断面进行了地温测试,分析了最具典型意义墙后回填土的上限或最大融化深度变化情况,得到了不同断面地层融化深度分布形状,回归了随季节变化相应的温度场。测试表明,由于开挖和施工扰动破坏了土体热平衡的自然状态,但L型挡土结构作为一种开敞式工程结构,地温场、冻土上限或融化深度都存在周期性变化,只要没有新的扰动,能够逐渐形成稳定状态或这一平衡是能够恢复的。此外,冻胀和冻结影响也不能忽略。总之,分析研究L型支挡结构的设计思想和工程措施,可为今后类似工程应用提供参考依据     

青藏高原冻土区活动层厚度分布模拟

活动层夏季融化、冬季冻结的近地表土(岩)层,是冻土地区热力动态最活跃的岩层,在冻土研究中有着重要意义.根据青藏高原地区80个气象观测台站1991-2000年的地面温度观测资料结合数字高程模型,计算出青藏高原冻土区的地面冻结指数和地面融化指数,然后应用斯蒂芬公式分别得到多年冻土区的季节融化深度和季节冻土区的季节冻结深度.     

黄河源区冻结层上水地质环境影响研究

黄河源区地处青藏高原中南部，海拔高度在4100m以上，属中纬度高山多年冻土带，该冻土带内形成了一种特殊的冻结水环境。多年冻土通过季节融化带与大气系统、植被系统、地表水系统进行水、热交换，冻结层上水则是交换中的重要纽带。冻结层上水分布在冻土表层，是冻土区主要的潜水含水层之一，其空间分布直接控制着包气带含水量的变化和地表植被类型分带。2000～2001年，作者两次对黄河源区冻结层上水及其地质环境进行了专题研究，结果表明，水文地质结构、地表水位的变化以及过度放牧和开采沙金等人为作用均会对冻结层上水的空间分布产生影响，这些作用不仅影响着冻土类型的转化，而且还会由此引发一系列的生态问题，使原本十分脆弱的生态环境出现恶化。     

青藏公路铺筑沥青路面后路基下多年冻土的变化

由于黑色沥青路面强烈吸热,使多年冻土区内约６０％路段的路基下人为上限逐年下降,造成冻土在垂向上呈不衔接接状,形成融化核,它加剧了路基不均匀沉陷,最后导致路面破坏,一路段路基下冻土类别发生变化或多年冻土层已完全融化。     

用地震折射法探测沥青路面的季节融化深度及其变化

试验结果表明,用经过数字化改造后的地震仪测出的路心融化深度,与钻孔测温确定的融化深度相比,其解释误差小于7％。路基和涵洞横剖面的探测结果能反映出融化层变化的主要趋势。不同路堤高度的路基形成的融化横剖面均呈下凹形,而涵洞下形成的融化横剖面则是涵洞中心的融化深度小于两端洞口处的融化深度。因此,地震折射法将为多年冻土地区路基的修筑和稳定性研究提供一种简捷、可靠的探测手段。     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

青藏高原土壤冻结始日和终日的年际变化

利用青藏高原1981-1999年青海和西藏58个气象站观测的土壤冻结上、下限记录,分析了冻结始日、冻结终日的空间分布和年际变化特征.结果表明:最早、最晚和平均冻结始日的分布基本一致,都是由北向南逐渐推迟的;最早、最晚和平均冻结终日的空间分布也比较一致,呈现南北早、中部晚的特点.在20世纪80年代高原土壤冻结多偏早,解冻多偏晚,冻结日数偏多;而90年代正好相反,冻结多偏晚,解冻多偏早,冻结日数偏少;冻结始日有明显的3～4a周期变化,冻结终日有明显的准7a周期变化;1981年、1982年为冻结早、解冻晚年,1983年、1990年为冻结晚、解冻晚年,1993年、1999年为冻结晚、解冻早年.     

新疆天山西部巩乃斯河谷积雪与森林/草地 覆盖条件下季节冻土特征分析

不同的覆盖条件下,季节冻土的特征会存在差异。为了分析积雪与森林/草地覆盖条件下季节冻土的特征,在新疆天山西部巩乃斯河上游的中国科学院天山积雪雪崩研究站的实验场地监测了森林-积雪,草地-积雪,以及草地覆盖条件下季节冻土的冻结深度,并对有无积雪覆盖条件下季节冻土发育过程中的土壤温度和土壤含水量进行了跟踪测量。结果表明：森林-积雪覆盖条件下季节冻土的冻结深度最浅,草地-积雪覆盖条件下次之,草地覆盖条件下最深。积雪的存在可以改变季节冻土的冻结深度,还会影响土壤温度和土壤含水量变化。在季节冻土的发育阶段,积雪的隔热作用使得有积雪覆盖条件下土壤温度和土壤含水量较高;在积雪消融阶段,由于积雪融水的补给,土壤含水量也相应地增加,积雪消失后由于蒸发的存在导致土壤含水量减少。     

模拟季节冻土层影响的冻土墙模型试验

在季节冻土环境中使用人工冻结法时,由于季节冻土层与人工冻土共同存在,在前者影响下人工冻土墙的水平位移和制冷能量消耗与无季节冻土层时有显著不同。在改装的试验台上,通过使用水平冻结管形成季节冻土,用竖向冻结管形成冻土墙,施加水平荷载,模拟了6种季节冻土层温度条件下冻土墙的形成与开挖过程,以研究季节冻土层对冻土墙耗能、受力和变形性能的影响。结果显示,与无季节冻土层的情况相比,季节冻土层温度为-12 ℃时可减小冻土墙水平位移达8.79 mm,约占墙体总位移的52%,耗能量可减小40.4%。试验结果证明季节冻土层对冻土墙的影响不容忽视,在工程中应充分考虑季节冻土层的节能效应和变形约束能力。     

Shallow groundwater systems in a polar desert, McMurdo Dry Valleys, Antarctica

The McMurdo Dry Valleys (MDVs), Antarctica, exist in a hyperarid polar desert, underlain by deep permafrost. With an annual mean air temperature of ?18 °C, the MDVs receive <10 cm snow-water equivalent each year, collecting in leeward patches across the landscape. The landscape is dominated by expansive ice-free areas of exposed soils, mountain glaciers, permanently ice-covered lakes, and stream channels. An active layer of seasonally thawed soil and sediment extends to less than 1 m from the surface. Despite the cold and low precipitation, liquid water is generated on glaciers and in snow patches during the austral summer, infiltrating the active layer. Across the MDVs, groundwater is generally confined to shallow depths and often in unsaturated conditions. The current understanding and the biogeochemical/ecological significance of four types of shallow groundwater features in the MDVs are reviewed: local soil-moisture patches that result from snow-patch melt, water tracks, wetted margins of streams and lakes, and hyporheic zones of streams. In general, each of these features enhances the movement of solutes across the landscape and generates soil conditions suitable for microbial and invertebrate communities.     

祁连山区黑河流域季节冻土时空变化研究

季节冻土的时空变化对地—气水热交换、地表能量平衡、地表水文过程、生态系统及碳循环等有着非常重要的影响.利用黑河流域11个气象站40多年的气温数据和5 cm深度处的土壤温度数据,建立了月平均气温与土壤冻结天数之间的关系.同时应用月平均气温与冻结天数的相关关系和5 km网格化月平均气温及30 m分辨率的DEM数据,编制了黑河流域逐月季节冻土分布图,并按其空间分布特征,将逐月地表冻融状态划分为:完全冻结、不完全冻结和不冻结3种.系统研究了黑河流域2000-2009年逐月季节冻土分布及冻结概率的时空变化特征.在季节分配上,黑河流域完全冻结面积最大值出现在1月;不完全冻结面积最大值在11月;而不冻结面积最大值在6月和7月.在年际变化上,完全冻结状态的离差值在冷季变化大,暖季变化小;不完全冻结状态在一年的回暖期和降温初期,年际变化较大;不冻结状态分别在4月和10月变化较大.冻结概率在1月达到最大值,6月和7月降低到最小值.在空间分布上,黑河流域季节冻土的逐月分布与变化和冻结概率主要受海拔高度控制,纬度的影响次之.     

宁夏河东沙地沙丘冻融过程的时空差异

中国的沙漠和沙地部分或全部分布在季节冻土区, 研究沙丘的冻融过程是讨论季节冻结期间沙丘风蚀和形态演变规律的条件之一。以宁夏河东沙地流动沙丘和沙障固定沙丘为研究对象, 通过野外观测和室内控制实验, 分析了沙丘的冻融过程及其控制因素。结果显示： 沙丘的冻结期在11月中旬至3月上旬, 流动沙丘各地貌部位的冻结时长和冻结层厚度均存在较大差异（背风坡面>迎风坡面>丘顶）, 背风坡脚的冻深最大。在季节冻结期内沙丘表层始终不发生冻结, 未冻层厚度的阈值约为10 cm且具有保护冻结层的作用, 流动沙丘迎风坡中在未冻层风蚀后, 地表冻结层融化再被风蚀, 如此循环过程造成其冻结层厚度远小于沙障固定沙丘的冻结层厚度。流动沙丘丘顶和背风坡面的冻结层厚度分别受短时（32 h）和较长历时（15 d）平均气温的影响。野外观测和室内控制实验均证明水分含量低于1.6%的沙丘沙不发生冻结, 冻结层硬度随含水率的增加呈幂函数递增（P<0.001）, 随温度降低呈缓慢递增。