高海拔多年冻土区路基工程行为对低温多年冻土长期影响的监测研究

青藏铁路路基创造性采用了主动冷却路基的设计理念修建而成,目前铁路已经安全运营超过10年。青藏铁路路基修筑在多年冻土之上,路基下部冻土温度变化是衡量路基是否稳定的关键因素。基于长期（2008—2019年）地温观测资料,对昆仑山垭口南坡青藏铁路K980+000低温多年冻土区块石路基坡脚至坡脚外30 m范围内的冻土上限变化、年际地温变化、季节性地温变化进行分析,研究了路基工程行为对低温多年冻土的长期影响机制。结果表明：冻土地温不断升高,冻土上限逐年下移;与天然孔比较,路基坡脚处地温增温幅度反而较小,主要可能受块石路基冷却效应的影响;冷季与暖季呈现出不对称的增温趋势。冻土路基普遍增温的趋势仍然存在,出于对多年冻土的保护与保证工程稳定性的考虑,应尽量采用冷却路基的思想修建路基。同时,应加强对路基的监测,分析长期增温过程后路基稳定性变化,并对路基下部冻土的变化做出定量研究。     

多年冻土区下垫面条件对坡面关键水循环过程的影响分析

为从整体上认识多年冻土流域水循环过程基本规律及其对下垫面条件变化响应,以长江源区风火山小流域为例,基于2016—2019年的水文气象要素的野外观测与计算,分析了坡面尺度上水分入渗、蒸散发、活动层内部水热条件以及冻结层上地下水等关键水循环过程的变化特征及其对下垫面条件变化的响应。研究结果表明：(1)风火山小流域生长季实际蒸散发的多年平均值为472.1±42.9 mm,实际蒸散发的气象影响因子排序为：净辐射(敏感系数S_Rn=1.22,相关系数R=0.93)>气温(S_Ta=0.33,R=0.84)>相对湿度(■,R=0.46)>风速(S_U=-0.25,R=-0.27),坡面尺度上实际蒸散发与植被覆盖度以及海拔高度正相关;(2)初始和稳定入渗速率均随坡位的升高而增大,对于稳定入渗率,初始融化期、完全融化期和初始冻结期,坡顶(1.07 mm/min、0.63 mm/min、0.88 mm/min)>坡中(0.29 mm/min、0.45 mm/min、0.21 mm/min)>坡底(0.11 mm/m...     

不同边界条件对多年冻土上限影响的模型试验研究

在全球气候转暖对多年冻土影响的情景下，开展了在多模式下气温升高对冻土上限的影响试验研究。针对不加抛石遮阳棚、加抛石、加抛石遮阳棚3种情况，地表温度均采取基本温度加2次不同升温冻融循环，每次温控指标逐级提高0.5℃，即地表温度3次变化依次按照-16.1～5.8～-13.3℃、-15.6～6.3～-12.8℃、-15.1～6.8～-12.3℃进行，结果表明，加抛石及遮阳棚对多年冻土上限有着明显的影响，冻土上限的变化与气温基本上呈正相关，为寒区道路工程设计与施工提供了理论参考依据。     

路面类型对多年冻土区片块石路基热状态的影响

为了研究不同路面类型对高温多年冻土区路基的热稳定性的影响,基于温度监测数据,针对沥青混凝土路面和水泥混凝土路面下片块石路基温度、热流密度、热收支变化、冻融循环过程及冻土上限变化进行了详细的分析。发现沥青混凝土路面和水泥混凝土路面都对片块石路基的温度有较大的影响,但沥青混凝土路面影响程度和深度远比水泥混凝土路面大。片块石路基中心热收支量呈上升趋势,沥青混凝土路面下其上升速率大于水泥混凝土路面,且路基阳坡热收支量大于阴坡。无论路面材料为沥青混凝土路面还是水泥混凝土路面,片块石路基阴阳坡路肩冻土仍处于不断退化阶段,而阳坡冻土上限下降速率明显大于阴坡。与普通路基相比,片块石层的存在能大幅度抬升或减缓路基冻土上限下降,且浅色水泥混凝土路面更有利于路基的热稳定性。     

多年冻土区线性工程的生态环境影响研究现状与展望

在多年冻土区,线性工程（公路、铁路、输油管线、输电线路等）的修建和运营对沿途周边的冻土热状态、土壤理化性质、水文过程以及陆面过程产生显著影响,生态环境发生明显改变并对冻土的工程稳定性产生显著影响。冻土工程作用下的生态环境变化是冻土学近年来研究的热点之一,通过文献综述,对冻土区线性工程的主要特征,以及近几十年来工程影响下冻土环境和植被变化研究进展与现状进行了总结和归纳,在此基础上,探讨了多年冻土区工程建设存在的主要生态问题。目前,生态环境各要素对工程的反馈研究十分丰富,但是生态环境要素与工程相互作用的机理、过程的研究还需完善。在以后的研究中应重点拓展有效的监测手段,为冻土区生态环境监测和研究服务;同时,在深入理解寒区工程建设对生态环境作用机理、过程基础上,积极开展冻土区工程环境容量阈值评估以及生态环境变化预测研究,为寒区大规模工程建设与生态环境和谐发展提供理论支持与对策建议。     

多年冻土区道路边坡热状况差异对多年冻土融化形态的影响

用数值方法模拟了在气候持续以0.02℃·a^-1速度增温下,50 a运营年限内不同走向路基的融化形态可能发生的变化趋势.计算了在砂砾路面和沥青路面下,不同高度(0~5.0 m)及不同走向(东西、东北-西南、南北、对称)路基的融化形态.结果表明:非对称热边界路基与对称热边界路基的融化形态差异很大.在呈阴阳坡的路基中,砂砾路面和沥青路面下:1)最大融化深度位置与运营时间关系不大,与路基高度、线路走向及路面类型关系密切,且最大融化深度偏离路基中线的距离与路基高度呈线性关系;2)最大融化深度与运营时间、路基高度、路面类型关系比较密切.路基较低时,最大融化深度与路基走向关系不大.路基较高时,最大融化深度与线路走向关系密切,且随着路基高度的增加、气候变暖及增温速率的增大而加剧;3)同一路基高度和线路走向下,砂砾路面的最大融化深度偏离路基中线的距离大于沥青路面的,沥青路面的最大融化深度大于砂砾路面的.相对于砂砾路面,沥青路面在一定程度上部分的抵消了阴阳坡效应,但加剧了路基下最大融化深度.     

青藏铁路多年冻土区含融化夹层路基的热状态

基于青藏铁路K1496+750监测断面含融化夹层路基长达10 a的地温监测数据,分析了在气候转暖及工程活动下天然场地及路基左右路肩下多年冻土热状态年变化过程、融化夹层的年变化过程及其对多年冻土热状态的影响。结果表明：监测断面天然场地、左右路肩下多年冻土上限逐年下降,热稳定性逐年降低;观测期内,左路肩下发育有融化夹层,融化夹层厚度在波动中呈增厚趋势,且其增厚主要是由多年冻土人为上限下降所致,而天然场地及右路肩下未发育融化夹层;多年冻土上限附近土体热积累显著,进而导致多年冻土上限逐年下降及其附近土体温度逐年升高,弱化了多年冻土的热稳定性;后期增加的块石护坡和热管两种具有“主动冷却”效能的工程补强措施很好的改善了路基的热稳定性,右路肩经工程补强措施后,多年冻土人为上限得到显著抬升,热稳定性得到显著改善,而左路肩由于融化夹层的存在,工程补强措施仅仅维持了当前多年冻土热状态,融化夹层的存在一定程度上弱化了工程补强措施所产生的冷却效能。     

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.     

不同地表条件下青藏公路对多年冻土的热影响差异研究北大核心CSCD

在多年冻土区,道路工程会对周边的多年冻土产生热影响,但不同地表条件下的多年冻土对道路热影响的反馈差异尚不完全清楚。本研究基于青藏公路沿线两处监测场地的多年冻土监测数据,研究了不同地表条件下青藏公路对多年冻土的热影响差异。结果表明,青藏公路对多年冻土的热影响因地表条件的不同而存在差异。与植被覆盖率较高的监测场地相比,在植被覆盖率较低的监测场地,其多年冻土年平均地温更高、多年冻土活动层厚度更大,且青藏公路对多年冻土的水平热影响范围也相对更大。此外,在植被覆盖率较低的监测场地最靠近坡脚的位置处,由于地表条件的不同,其浅层土壤更易受到外界扰动,导致该位置浅层土壤与外界的热交换特征迥异于其他监测位置,这可能也是导致两处监测场地多年冻土的热状态存在差异的原因。目前,青藏工程走廊内各线性工程密布,工程间的相互影响及其与多年冻土间的关系已成为必须考虑的问题。本研究工作对于青藏高原多年冻土区工程走廊内线性工程之间的合理间距设定,以及即将建设的青藏高速公路双向路基间的合理距离设计都可提供参考,以达到减少工程热扰动,保障工程安全运营的目的。     

路基边坡遮阳措施对多年冻土区路基温度场的影响分析

由于全球气温的升高,导致多年冻土区冻土的退缩与融化,各种主动保护冻土的措施也相应地应用到实际工程中,遮阳措施就是其中之一。通过室内实验、数值分析以及青藏公路、青藏铁路和青康公路实际工程措施的观测结果对比分析,路基边坡遮阳板措施能够有效降低路基表面温度,使得路基土体温度的提高得以有效控制,同时能够明显降低路基土体的人为上限,确保道路的安全畅通。     

考虑雨水感热的降雨对多年冻土水热变化影响模型研究

青藏高原暖湿化诱发的多年冻土和寒区工程水热变化是第三极冻土生态与地质演化问题的关注焦点。目前降雨影响下的多年冻土地表能量收支建模未考虑雨水温度的影响,忽略了降雨能量脉冲作用。在已有的冻土水热耦合理论的基础上,通过引入考虑雨水感热的地表能量平衡理论,完善了考虑降雨能量的冻土水热耦合模型,基于青藏高原北麓河现场监测验证了模型的有效性,并分析了夏季降雨对地表能量平衡和活动层水热的影响机制。结果表明：考虑雨水感热的修正模型模拟土壤体积含水率、温度和热通量的平均偏差误差分别在±1.198%、±0.704℃和±1.66 W/m²之内,一致性指数分别大于0.877、0.929和0.937;优化后的模型提升了对地表吸放热状态的评估,能够较好地预测了雨后活动层水热的变化;夏季降雨增加地表蒸发潜热和雨水感热,降低地表净辐射、感热和土壤地表热通量使地面降温,降温效果与降雨强度正相关;同时受降雨时段影响,白天降雨事件的降温效果显著,雨水感热促进地表冷却,而夜间雨水短暂加热地表,蒸发潜热的显著作用使地表依旧持续降温。在地表温度梯度降低和雨水入渗的作用下,温度梯度水汽通量减少,液态水通量增加...     

气候变暖对多年冻土区土壤有机碳库的影响

多年冻土区存储了大量土壤有机碳。气候变暖、 多年冻土退化导致其长期封存的有机碳逐渐或快速释放, 进入大气圈或水系统, 改变原有多年冻土区碳循环, 并可能显著加速气候变暖。通过综述气候变暖对多年冻土区碳库的影响研究进展, 主要包括多年冻土碳库储量、 降解机理及变化预测, 研究表明： 北半球多年冻土区的碳储量巨大, 但不确定性很高, 尤其是海底多年冻土和水合物碳库储量的评估; 多年冻土碳库对气候变暖的响应速度受土壤水热特性、 土壤有机质C/N比、 有机碳含量和微生物群落特征等多种环境因素的控制或影响; 目前, 关于北半球多年冻土碳库对气候变暖响应模拟结果说明, 多年冻土退化短期内不会导致经济和生产方面的灾难性后果。但是, 无论是针对多年冻土碳库评估, 还是多年冻土有机碳库对气候变暖的响应模拟研究结果, 都有较大的不确定性。未来多年冻土碳库变化的模拟和预测研究应更多考虑多年冻土快速退化和多年冻土区水合物分解, 如中小尺度热喀斯特的生态环境和碳的源汇效应。准确的多年冻土区有机碳排放模拟可为未来多年冻土碳与气候反馈的预估提供重要支持。     

大兴安岭多年冻土泥炭地无机氮动态对秋季冻融的响应北大核心CSCD

大兴安岭多年冻土泥炭地是对全球变暖响应敏感的地区之一。在全球变暖、多年冻土退化背景下,为了探明秋季冻融对多年冻土泥炭地无机氮时空变化的影响,本研究于2019年9—11月以大兴安岭三种多年冻土泥炭地为研究对象进行野外原位实验,分析了秋季冻融前、中和后期多年冻土泥炭地浅层和深层土壤无机氮的时空变化特征以及浅层和深层土壤含水量和温度的变化规律,建立了土壤无机氮含量与土壤温度和含水量间的多元线性回归模型。研究表明:多年冻土小叶章泥炭地(XY)、兴安落叶松-泥炭藓泥炭地(XA)和白毛羊胡子苔草泥炭地(BM)的土壤铵态氮(NH_(4)^(+)-N)含量变化范围:(1.00±0.00)~(20.60±0.20)mg·kg^(-1),硝态氮(NO_(3)^(-)-N)含量的变化范围:(0.02±0.01)~(14.64±1.11)mg·kg^(-1),且无机氮以土壤NH_(4)^(+)-N为主;秋季冻融后期无机氮含量明显高于前期。尽管水热交互作用对该时期无机氮没有显著影响,但是在不同冻融阶段,无机氮对环境因子的响应程度存在差异:在秋季冻融前、中和后期浅层无机氮动态分别与浅层温度和含水量的变化相关,但在整个秋季冻融期间BM浅层无机氮含量仅对10~20 cm含水量存在响应(R^(2)=0.344,P<0.01)。研究表明,秋季冻融期内,多年冻土泥炭地无机氮发生初步累积,且浅层环境因子对无机氮响应程度最大。本研究可补充大兴安岭多年冻土泥炭地秋季冻融对土壤无机氮影响研究的相关数据,并为多年冻土泥炭地响应全球变暖的温室气体释放的研究提供基础数据支撑。     

长江源北麓河流域多年冻土区热融湖塘形成对高寒草甸土壤环境的影响

通过对长江源北麓河流域多年冻土区热融湖塘及湖塘影响周边条件下高寒草甸土壤理化性质的比较研究,结果表明:热融湖塘的形成对高寒草甸土壤环境产生了明显影响,热融湖塘形成对土壤质地、含水量、容重以及土壤养分等产生强烈改变,尤其表层土壤;土壤机质(SOM)、全氮(N)等化学物质和其他养分成分在不同退化的土壤中都有所改变.有机质和...     

青藏公路沿线多年冻土对气候变化和工程影响的响应分析

青藏公路沿线工程和气候变化影响下多年冻土变化监测表明,多年冻土对工程活动和气候变化的响应过程存在着较大差异,不同年平均地温的多年冻土使这种差异变得更为明显.分析结果表明:气候变化下低温多年冻土变化要大于高温多年冻土,工程状态下低温多年冻土变化要小于高温多年冻土;气候变化引起的低温多年冻土变化要大于工程对其的影响,而高温多年冻土正好相反.造成这一结果原因主要是由于在工程建设完成初期,相对于气候影响,工程作用对多年冻土的影响具有放大作用,这使得工程状态下多年冻土对气候变化基本没有响应.按照气候影响下多年冻土温度年变化速率来推测,低温多年冻土表面温度升温到工程状态需要50a左右时间,高温多年冻土需要20a左右.6m深的低温多年冻土温度升温到工程状态需要20a,高温多年冻土仅需要5~8a.     

多年冻土区路基尺度效应对路面结构力学响应的影响

为了研究不同尺度路基融沉作用对路面结构层力学响应的影响,建立了基于热力耦合理论的有限元模型,系统研究不同路基尺度工况下,融沉作用对不同厚度路面、不同材料基层的力学分布规律影响. 结果表明：相同的融沉条件下,整体式路基较分离式及二级路基,变形分别增大45%、64%,应力增大17.5%、21.7%. 高速公路面层由于路基较宽,地基融沉更容易向上传递,进而导致面层底部应力增大,最终造成面层的破坏. 因此,路面设计过程中保证一定的面层厚度,并采用柔性基层减小模量,可有效以降低层底应力水平,并防止基层裂缝向上反射.     

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.     

青藏高原多年冻土区植被盖度变化对活动层水热过程的影响

不同植被盖度变化下活动层水热过程是多年冻土区水能循环中一个重要的不确定因素.为了研究植被盖度变化对活动层水热过程的影响,在青藏高原多年冻土区,选择坡向、坡型和坡度趋于一致植被覆盖度分别为92%、65%、30%的坡面建立天然径流观测场,觎测多年冻土活动层中的地温和水分状况.结果表明:活动层开始冻结和消融时间随着植被盖度的减少不断提前,且冻结持续时间缩短;随着植被盖度减小,活动层地温水分变化速率增大,植被起到抑制土壤地温水分变化速率的作用;植被盖度对夏季融化过程和秋季冻结过程活动层地温和水分的影响明显大于冬季降温和春季升温过程,对融化过程的影响较冻结过程更明显.     

冻土冻融对地下水的影响:以祁连山多年冻土区大通河谷融区为例

冻土区地下水的形成、补给、径流、排泄方式以及地球化学特征受到冻土分布及其季节性冻融过程的强烈影响。以地处祁连山多年冻土区的大通河谷融区为典型研究区,基于钻探、坑探和地球物理工作查明了区内冻土特征和分布情况;结合水文地质观测及抽水试验,分析了研究区河流融区内地下水的赋存条件,深入研究了区内冻土冻融过程影响下地下水的水文地质和水化学特征,认为冻土冻融过程决定了研究区的地质和水文地质条件,控制着地下水的补给、径流、排泄方式,特别是对地下水质有优化作用——冻土区地下水质明显优于非冻土区。冻土区地下水成因和赋存条件研究对于其开发利用有重要意义。     

温度对FDR测量土壤体积含水量的影响

为研究温度对FDR测量土壤体积含水量的影响,采用基于FDR技术的两种土壤水分传感器TDR-3和PR2,在环境温度范围为5～60℃条件下,对南京地区的粘性土土样进行了土壤体积含水量测试分析.结果表明:基于FDR技术的土壤水分传感器测量土壤水分时存在明显的温度效应,两种传感器所测的体积含水量与温度之间均呈线性递增关系,TDR-3的温度修正系数范围为0.2%～0.3%(v/v)·℃-1,PR2的温度修正系数范围为0.1%～0.2%(v/v)·℃-1.研究成果对于提高FDR测量结果的可靠性具有重要意义.