基于FCM和AHP的青藏工程走廊冻土工程地质条件评价

青藏工程走廊是连接内地与西藏的重要通道, 承载了多条重大冻土线性工程, 因其沿途生态环境的脆弱, 以及地基中高温高含冰量冻土的存在, 对气候变化和人类活动极为敏感。本文通过对影响青藏工程走廊(唐北段)内冻土工程地质条件各因素的分析, 选取体积含冰量、年平均地温、坡向、坡度和植被覆盖度5个因素作为评价因子, 分别采用模糊C-均值聚类(FCM)和改进标度的层次分析(AHP)两种不同的方法对青藏工程走廊(唐北段)内的冻土工程地质条件进行了评价, 利用地理信息系统(GIS)技术将两种评价结果进行可视化。对AHP计算结果进行分级, 并与FCM聚类结果进行对比分析, 结果表明, 工程走廊内高温高含冰量、坡度较高、坡向朝南区段工程地质条件较差, 主要集中在昆仑山垭口、楚玛尔河高平原、五道梁、开心岭等区段。上述两种方法的评价结果具有较好的一致性, 均能较好地评价青藏工程走廊内的工程地质条件。     

青藏工程走廊热融湖湖底热状态

热融湖塘对寒区环境可产生较大影响, 其侧向热侵蚀会诱发冻土工程病害.选取青藏工程走廊热融湖塘分布密集的楚玛尔河、五道梁、北麓河3个亚区, 于2009—2010年通过HOBO水位传感器对4个固定湖塘的连续监测和大量湖塘的随机观测, 探讨了不同季节、不同水深湖底的热状态.在结冰期的1月中旬, 楚玛尔河90%以上的湖塘湖底温度都在0 ℃以下, 主要与湖塘较浅和湖水高矿化度有关.五道梁和北麓河湖底温度相对较高, 只有约20%的湖底温度低于0 ℃, 这些湖水深小于最大冻结冰层厚度; 最高温度高于4 ℃, 主要与湖较深有关.但3个亚区湖底温度均随着水深增加而增加.在6~9月融冰期, 湖底温度普遍增加, 最高达到18 ℃以上, 浅湖增温快于深湖, 湖底温度随着水深增加而递减.湖底温度年际变化近似为正弦曲线, 在1~2月, 湖底温度最低, 之后逐渐升高, 到7~8月, 湖底温度达到最高.      

气候变化情景下青藏工程走廊融沉灾害风险性区划研究

气候变暖会加剧青藏工程走廊多年冻土区融沉灾害的发生,威胁重大工程的安全运营. 选取冻土体积含冰量和活动层厚度变化量为指标,借助ArcGIS软件,采用融沉指数模型对青藏工程走廊融沉灾害做出了区划. 结果表明：在未来50 a,青藏工程走廊内融沉灾害在A1B和A2情景下主要为中高风险性,在B1情景下主要为中低风险性. 高风险区主要分布在楚玛尔河高平原、五道梁和开心岭等高温高含冰量冻土区.     

青藏工程走廊热融湖塘水理化特性分析

为查明青藏工程走廊热融湖塘水理化特性及其理化特性与湖塘分布之间的关系,选取青藏工程走廊楚玛尔河至风火山段为研究区域,沿青藏公路从北向南依次选取19个热融湖塘进行水深、面积等几何特征调研并取水样,进行阴阳离子等理化参数测定。分析了热融湖塘水的理化特性,并结合调研资料探讨了热融湖塘理化特性与区域环境及湖塘分布之间的相关性。结果表明在3个研究亚区湖的水理化特性有较大差别,楚玛尔河高平原从北向南湖水矿化度逐渐升高,水质由淡水向咸水再到强咸水过渡,主要与该区域"碟"状湖的分布特征和寒旱多风及蒸发量大有关;可可西里山区和北麓河盆地的湖水矿化度较低,水质以弱咸水或淡水为主。这两个亚区湖较深,地形以丘陵盆地为主,降低了湖面的蒸发量。     

青藏工程走廊热融湖塘水理化特性分析

为查明青藏工程走廊热融湖塘水理化特性及其理化特性与湖塘分布之间的关系,选取青藏工程走廊楚玛尔河至风火山段为研究区域,沿青藏公路从北向南依次选取19个热融湖塘进行水深、面积等几何特征调研并取水样,进行阴阳离子等理化参数测定。分析了热融湖塘水的理化特性,并结合调研资料探讨了热融湖塘理化特性与区域环境及湖塘分布之间的相关性。结果表明在3个研究亚区湖的水理化特性有较大差别,楚玛尔河高平原从北向南湖水矿化度逐渐升高,水质由淡水向咸水再到强咸水过渡,主要与该区域"碟"状湖的分布特征和寒旱多风及蒸发量大有关;可可西里山区和北麓河盆地的湖水矿化度较低,水质以弱咸水或淡水为主。这两个亚区湖较深,地形以丘陵盆地为主,降低了湖面的蒸发量。     

青藏铁路北麓河试验段冻土工程地质特征及评价

冻土问题是青藏铁路建设的难题之一,为良好的解决这一问题,详细了解线路通过地区的冻土工程地质特征并对其做出工程地质评价至关重要.在目前完成的青藏铁路北麓河试验段的冻土勘察工作表明,该试验段的土层以富含厚层地下冰的细粒土为主,试验段地下水丰富,全段高温与低温多年冻土都有分布,冻土上限深度一般为2～3m.综合上述特征,该试验段综合评价为不良和极差冻土工程地质地段.在类似地区进行铁路建设,工程措施设计和采用中要充分考虑冻土工程地质特征,否则可能导致工程建设的隐患甚至所采取工程措施的失败.     

寒区冻土环境与工程环境间的相互作用

从冻土环境和工程环境相互作用着手 ,分析了青藏公路建设过程中的冻土环境破坏、环境保护状况及冻土环境保护对工程建设的重要性 ,同时对正在拟建的青藏铁路 ,阐述了人类经济活动对冻土环境和工程环境的影响 ,并初步提出寒区冻土、工程环境质量监测、管理和评价系统的设计框架.     

青藏工程走廊楚玛尔河高平原区路基边界温度特征

基于青藏高原楚玛尔河地区青藏公路里程K2968+200断面浅层地温监测数据（地表下5 cm）,拟合了边界温度的回归方程,分析了公路路基及铁路路基两侧表层温度的特征.同时对路基坡面温度和理论辐射值的相关性进行了分析.结果表明：边界温度回归方程拟合程度较高,可作为冻土路基数值模拟温度边界选取的参考依据;监测断面公路和铁路路基都表现出显著的阴阳坡差异,公路左右坡面冬季温度差异达11.49℃,年均值差4.77℃,冬季铁路路基左右坡脚温度差异达到5.34℃,年均值差3.33℃,天然地表与气温的差值为5.2℃;根据融化与冻结n系数,位于阳坡一侧的冻结n系数较低且融化n系数大,表现为吸热;阴坡一侧冻结n系数较大,整体呈现出放热效应;路基边坡太阳理论辐射与温度变化趋势基本一致.     

青藏工程走廊活动层厚度预测模型与分布特征研究

为探究青藏工程走廊沿线多年冻土区活动层厚度分布情况,结合青藏公路、青藏铁路沿线300个钻孔点的活动层厚度监测数据,基于年平均地表温度、平均植被指数、等效纬度、纬度、高程和含冰量等参数建立了活动层厚度的经验公式、随机森林和径向基函数（radial basis function, RBF）神经网络预测模型。各预测模型结果表明,活动层厚度与各预测因子间具有极强的非线性关系;RBF神经网络预测模型具有最高的预测精确度,拟合优度R²达到0.84。运用RBF神经网络预测模型和高精度遥感数据绘制活动层厚度分布图,分布图显示研究区内活动层厚度主要为2~4 m,总面积为5 468.3 km²,面积占比为47.27%,主要分布于楚玛尔平原至北麓河盆地和唐古拉山区南部至头二九山区;活动层厚度大于4 m次之,总面积为3 382.3 km²,面积占比为29.24%,整体分布偏向南部地区,主要分布于布曲河谷地至头二九山区。并对研究区活动层厚度与含冰量、地温关系进行了研究,结果表明活动层厚度随含冰量增加而减小、随地温升高而增加。     

青藏工程走廊多年冻土场地地震动加速度峰值特征研究

根据青藏工程走廊北麓河及楚玛尔河场地地震危险性分析结果,合成年超越概率为1.97%、1.00%、0.21%、0.10%、0.04%、0.02%的人造基岩地震波作为输入地震动,结合场地钻孔剖面及波速资料,和已有的冻土动力学研究成果,建立一维模型,通过等效线性化方法进行场地地震反应分析计算,研究了青藏工程走廊多年冻土场地地震动加速度峰值特征及影响因素.研究结果表明,北麓河场地与楚玛尔河场地的人造基岩地震波峰值及持时均存在显著差异,北麓河场地峰值大、持时短,以近震影响为主,楚玛尔河场地峰值小、持时长,以中远震影响为主;多年冻土区场地,夏季场地地震动加速度峰值显著大于冬季,活动层融化对场地地震动加速度峰值有明显的放大效应;冬季场地冻结后,场地地震动加速度峰值随冻土波速增大而减小,最大减小幅度为6.1%,随动剪切模量比减小、阻尼比增大而减小,最大减小幅度为8.9%.活动层的融化有利于放大场地地震动加速度峰值,重大冻土工程抗震设防应予以重视.     

青藏铁路多年冻土区普通路基热状况监测分析

基于现场地温监测数据,选取年平均地温不同的监测断面对青藏铁路普通路基的热状况进行分析,包括多年冻土上限变化及其地温变化、下伏多年冻土温度变化、原天然地表附近热收支等方面. 结果表明：在低温多年冻土区,路基下部多年冻土上限均有所提升,且新近形成的人为上限较为稳定,冷季时负温积累显著;路基下伏多年冻土总体热稳定性较好. 而在高温多年冻土区,左（阳坡）路肩下部多年冻土上限多表现为下降,右（阴坡）路肩下部多年冻土上限有升有降,但是新近形成的上限均温度较高且有进一步升温的趋势;与天然场地地温相比,路基下部多年冻土均出现一定的升温. 尤其在高温极不稳定多年冻土区,天然场地多年冻土自身处于吸热升温状态;路基修筑后,下部多年冻土已经出现了融化夹层及双向退化的情况,路基热稳定性较差. 对于普通路基来说,由于青藏高原强烈的太阳辐射及青藏铁路总体走向原因,普通阴阳坡效应显著,左、右路肩下部多年冻土热稳定性差异较大.     

非饱和（冻）土导热系数预估模型研究

岩土材料的导热系数是岩土工程温度场分析及建筑热工计算中的重要参数。研究旨在建立一个基于归一化导热系数概念和以土的干燥和饱和状态导热系数为基准的非饱和土导热系数的通用预估模型。通过对文献中328组实测数据的分析发现,将同类土在不同密实度条件下的各种导热系数-含水率曲线簇进行归一化处理后,可以得到惟一的归一化导热系数kr与饱和度Sr（归一化含水率）关系,1/kr与1/Sr呈相关性较好的线性关系,而每支1/kr-1/Sr直线均通过坐标（1,1）点的斜率由土质类型决定。据此提出了一个集成土质类型、密实度（孔隙率）和含水率（饱和度）等因素综合影响的融土和冻土导热系数通用预估模型,并给出了导热系数预估模型中土质参数的取值范围,以及融土和冻土处于完全干燥状态和饱和状态的确定方法。对预估模型进行验证结果表明,所提出的非饱和土导热系数预估模型具有较好准确性。     

Engineering geological characteristics and processes of permafrost along the Qinghai–Xizang (Tibet) Highway

Engineering geological problems of thaw-settlement and frost-heave occur frequently along the Qinghai–Xizang (Tibet) Highway (QXH) line and produce an adverse impact on roadbed stability. Eight monitoring sites were established along the QXH to investigate the engineering geological characteristics and environmental process of permafrost, including the upper and lower boundary of the active layer under the natural surface, the seasonal freeze–thaw depth under the asphalt pavement, the permafrost table temperature and roadbed stability. The investigation results show that the active layer thickness and permafrost table temperature under an asphalt pavement are higher than under a natural surface due to the absorption heat and reduced evaporation capability of the asphalt pavement. The implication for highway design and construction in permafrost areas are discussed.     

黄河源区冻土特征及退化趋势

黄河源区位于青藏高原多年冻土区东北部边缘地带,是季节冻土、岛状多年冻土和在大片连续多年冻土并存地带.多年冻土层在垂向分布上有衔接状和不衔接状两大类.不衔接状又可分为浅埋藏(8m)、深埋藏(8m)和双层多年冻土等形式.从20世纪80年代以来,源区气温以0.02℃.a-1增温率持续上升,人类经济活动日益增强,导致冻土呈区域性退化.多年冻土下界普遍升高50～80m,最大季节冻深平均减少了0.12m,浅层地下水温度上升0.5～0.7℃.冻土退化总体趋势是由大片状分布逐渐变为岛状、斑状分布,多年冻土层变薄,冻土面积缩小,融区范围扩大.部分多年冻土岛完全消失变为季节冻土.     

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。     

渤海湾老狼坨子海岸带^14C,^137Cs、^210Pb测年与现代沉积速率的加速趋势

通过对渤海湾西岸L剖面中同一关键层的碳酸钙和原生腹足类壳债权的^14C测年对比研究,确定了晚全新世的2800cal BP的层位及沉积速率0.045cm/a;8个样柱的^137Cs和^210Pbex强度、蓄积量揭示了距今约120年来堤后盐沼的平均沉积速率约为0.35cm/a,而面向开放海湾的潮坪上部则达到约2-3cm/a。研究区近1个世纪以来沉积速率的加速趋势,是渤海湾西岸泥质海岸带的特征之一。     

距今约6000年以来青藏高原东北部黄河源区冻结泥炭沉积记录的气候演化

黄河源区气候和环境演化过程和机制的系统研究对青藏高原东北部冻土环境对气候变化的响应非常重要。在青藏高原东北部黄河源区勒那曲流域汤岔玛盆地南缘,根据万隆哇玛河泥炭剖面（WLR：34°39'4.71″N,97°20'0.90″E;4400m a.s.l.）的磁化率、烧失量、地球化学元素氧化物及其比率等参数,重建了6.1cal.ka B.P.以来黄河源区的气候演化过程。结果表明,黄河源区的气候演化过程可以分为4个阶段：6.1~2.1cal.ka B.P.,气候暖湿,其中,又以5.4cal.ka B.P.为界分为2个亚阶段,6.1~5.4cal.ka B.P.气候偏暖湿,而5.4~2.1cal.ka B.P.气候偏冷干;2.1~1.5cal.ka B.P.,气候凉湿;1.5~0.8cal.ka B.P.,气候相对暖湿;0.8cal.ka B.P.以来气候趋于暖湿。6.1cal.ka B.P.以来,黄河源区气候变化过程具有高度的不稳定性及百年-千年尺度振荡的特点,在6.1~5.8cal.ka B.P.、5.4~3.9cal.ka B.P.、3.0~2.1cal.ka B.P.、1.9~1.5cal.ka B.P.、1.3~1.1cal.ka B.P.和0.8~0.3cal.ka B.P.等表现出明显的6次冷事件,这与青藏高原泥炭和湖相沉积、冰芯、北半球低纬度泥炭沉积乃至高纬度深海沉积等记录的冷事件具有明显对应关系。以上结果表明,中晚全新世以来黄河源区的气候变化与全球气候变化具有一致性。