气候变化背景下青藏铁路沿线多年冻土变化特征研究

多年冻土是复杂地气系统的产物, 以升温为特征的气候变化不可避免地对其产生影响. 基于青藏铁路沿线8个天然场地2006-2011年的地温监测资料, 分析了气候变化背景下, 多年冻土升温特征及上限变化规律, 并对低、高温冻土的变化特征进行了对比分析. 结果表明: 2006-2011年监测期间, 铁路沿线多年冻土正在经历明显的升温趋势, 上限附近和15 m深处平均升温率分别为0.015 ℃·a^-1和0.018 ℃·a^-1, 其中, 低温冻土区在上述两个深度处升温均比高温冻土区显著; 多年冻土上限深度也表现出一定的增深趋势, 平均增深速率为4.7 cm·a^-1, 其中, 高温冻土区增深速率大于低温冻土区. 低、高温冻土对气候变化的响应表现出了较大差异. 同时, 受局地因素的影响, 不同区域在升温和上限增深上也存在一定差异.     

多年冻土南界附近青藏铁路路基下的冻土退化

基于2006-2012年青藏铁路多年冻土区唐古拉山南侧安多断面地温监测资料,分析了多年冻土南界附近路基下多年冻土的退化过程及其影响因素.结果表明：该监测断面天然场地多年冻土退化表现为多年冻土天然上限下降与多年冻土地温升高,观测期内多年冻土天然上限下降0.29 m,下降速率为4 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土温度升高0.03℃,升温速率为0.004℃·a^-1.该监测断面路基左路肩下多年冻土退化表现为多年冻土人为上限下降、多年冻土地温升高、多年冻土下限抬升以及多年冻土厚度减少.观测期内多年冻土人为上限下降0.41 m,下降速率为6 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土地温升高0.06℃,升温速率为0.009℃·a^-1;多年冻土下限抬升0.50 m,抬升速率为7 cm·a^-1;多年冻土厚度减少0.90 m,减少速率为13 cm·a^-1.工程作用是导致路基下多年冻土退化的主要原因,气温升温与局地因素中的冻结层上水发育促进了这一退化过程.路基下融化夹层的出现,导致多年冻土垂向上由衔接型变为不衔接型.     

祁连山大通河源区冻土特征及变化趋势

大通河源区位于祁连山中东部, 属高山多年冻土区, 利用源区内冻土钻探及监测资料对源区冻土发育的基本特征及变化趋势进行了分析和探讨. 冻土地温分析表明, 源区冻土年平均地温随海拔的变化梯度约为3.82 ℃·km^-1, 且冻土地温与表层覆被条件关系密切. 盆地平原地带多年冻土厚度约为17~86 m, 且以海拔每上升100 m冻土厚度增加约10 m的梯度增加. 多年冻土活动层厚度受海拔地带性作用不显著, 更多地受局地因素的控制, 地表覆被条件成为其主要影响因素. 在气温升高以及人类活动日益增多的影响下, 源区冻土整体处于退化状态, 多年冻土年平均地温以0.0075 ℃·a^-1的速率上升.     

青藏高原多年冻土区地温年变化深度的变化规律及影响因素

地温年变化深度的准确判断对于多年冻土发育特征评估、寒区冻土模式下边界深度的确定具有重要意义.通过对青藏高原地区典型钻孔地温数据进行分析,初步揭示了多年冻土地温年变化深度的变化规律及其影响因素,并提出一种简化了地表和活动层状态影响的地温年变化深度估算方法.结果表明：研究区低温冻土的地温年变化深度平均值比高温冻土大4.6 m,随着冻土温度升高,地温年变化深度基本上呈减小趋势,部分低温冻土钻孔由于土层含水率过高导致地温年变化深度相对较小;由于活动层水热动态和冻融过程的影响,地温年变化深度与浅层（0.5 m）温度年较差相关性不显著,而与多年冻土上限附近温度年较差的大小呈显著正相关关系;地层介质的热扩散率差异是导致地温年变化深度区域差异和变化的主要原因,土层含水率、温度、质地以及水的相态是影响地层热物理性质重要因素.     

青藏铁路块石路基冷却降温效果对比分析

基于现场地温监测数据,对青藏铁路两种主要块石路基（块石护坡及U型块石路基）在不同年平均地温分区的冷却降温效果进行对比分析,发现不论是在低温基本稳定区（年平均温度-2.0 ℃≤TCP<-1.0 ℃）还是高温极不稳定区（TCP>-0.5 ℃）,两种块石路基的应用都能够有效地提升路基下部多年冻土上限。但两种不同块石结构路基表现出不同的冷却降温效果,其中U型块石路基冷却降温效果较好,在路基下多年冻土上限提升及下伏浅层多年冻土降温的同时,深层多年冻土温度保持稳定;而块石护坡路基下人为多年冻土上限的提升及浅层多年冻土温度的降低一定程度上消耗了下伏深层多年冻土的冷量,从而导致其温度有所升高。同时,在不同的年平均地温分区块石路基表现出不同的冷却降温效果：年平均地温较低断面,块石路基冷却降温效果显著。在年平均地温较高的断面,尤其是高温极不稳定多年冻土区,块石护坡路基下伏深层多年冻土温度升高明显,路基长期稳定性难以得到保证。     

边界条件对多年冻土路基热稳定性的影响分析

多年冻土区的年平均气温是影响冻土路基边界条件的重要因素. 在附面层原理的基础上,考虑采用带有相变的控制方程和数值方法,以相同尺度的路基模型为前提,选取不同的年平均气温为影响因素,对青藏工程走廊公路路基的人为冻土上限和年平均地温进行了研究. 结果表明：公路路基下年平均地温随着年平均气温的升高而升高,人为冻土上限随着年平均气温的升高而显著下降. 在年平均气温为-7.16 ℃时,路基修筑50 a后其年平均地温为-3.61 ℃,其人为冻土上限为-0.97 m;年平均气温为-3.21 ℃的条件下,路基修筑50 a后其年平均地温仅为-0.1 ℃,其人为冻土上限也降至-13.11 m. 因此,可以看出：在未来气候持续变暖的背景下,现有处于稳定状态的冻土路基将逐渐变得不稳定.     

风积沙环境下高等级公路冻土块石路基降温性能分析

青藏高原脆弱的生态系统以及人类工程活动,加剧了青藏工程走廊线性工程两侧沙漠化、荒漠化发展趋势,尤其冻土块石路基面临日益严重的风积沙灾害问题。以多年冻土区高等级公路块石路基为研究对象,采用数值模拟分析风积沙环境下封闭块石路基的降温性能和长期热稳定性。结果表明：风积沙堆积对封闭块石路基下部土层冻土温度的影响程度高于冻土上限,1.0 m湿沙工况降低冻土温度,0.2 m干沙则增大冻土温度。升温背景下,随年平均气温增加风沙堆积对路基冻土上限影响程度增强,干沙增大冻土融化深度,湿沙抬升冻土上限。随冻土含冰量减小,路基中心冻土上限对气候升温敏感性增加,风沙堆积影响减弱。气候升温和风沙堆积条件下,在年平均气温低于-5.5℃时,宽幅沥青路面封闭块石路基能够满足降温要求,使人为冻土上限保持在块石层内。研究成果可为风沙危害区多年冻土块石路基的病害治理和拟建青藏高速公路块石路基设计提供科学依据。     

东北冻土区积雪深度时空变化遥感分析

积雪作为冰冻圈的重要组成部分,对地面有保温作用,在消融时又吸收热量降低地面温度,影响冻土发育,对气候的变化十分敏感。利用微波遥感数据1979-2014年逐日中国雪深长时间序列数据集,采用GIS空间分析和地学统计方法,分析了东北冻土区积雪深度的时空变化规律及其异常变化。结果表明,东北冻土区多年平均雪深为2.92 cm,年平均雪深最高值出现在岛状多年冻土区,最低值出现在季节冻土区。东北冻土区年平均积雪深度变化以减少为主,占区域面积的39.77%,减少速率为0.07 cm·（10a）^-1。东北冻土区年平均积雪深度在1986年发生突变,开始出现减少的趋势,这与气温突变年份较为吻合。受地形和气温变化影响,年平均积雪深度减少的敏感区域主要发生在岛状多年冻土区。气温是影响东北冻土区年平均积雪深度变化最主要的因素,降水量、风速、湿度、日照时数对积雪深度均有影响。季节冻土区积雪深度对气候的敏感性要大于多年冻土区。     

青藏高原封闭道碴层对下部多年冻土保护作用的现场实验研究

为了研究封闭道碴层对其下部多年冻土是否具有积极的保护作用,在青藏铁路北麓河试验段附近建立了封闭碎石道碴坑和卵石地表对比试验场,并对下部地温进行监测.结果发现:经过两个冻融循环后,道碴坑底部(1.3 m深度处)年平均地温为-1.11℃,比卵石地表相同深度低0.73℃;道碴坑中部(0.7m深度处)年平均地温为-1.60℃,比卵石地表相同深度地温低1.4℃.封闭碎石道碴层可以提升冻土上限,降低多年冻土温度,对下部多年冻土起到很好的保护作用.封闭道碴层的这种降温效果是由于道碴层具有可变导热系数的特点,暖季道碴层上部温度高,下部温度低,不产生对流,等效导热系数小,传入道碴层以下土体的热量较少;相反寒季道碴层上部温度低,下部温度高,产生自然对流,等效导热系数增大,有利于道碴层以下土体释放热量.     

青藏高原多年冻土区地温监测结果分析

根据４个波土长期定位观测场地温资料分析,西大滩观测场深１２￣２０ｍ段地温升高０．２￣０．３℃,多年冻土层由下向上减薄４￣５ｍ;昆仑山垭口观测场深６￣１５ｍ段地温升高０．２￣０．４℃;６６道班观测场内天然场地地温高于人工沙场０．１￣０．５℃;可可里里观测场内天然植被场地地温普遍高于裸露场地约０．２℃。监测结果表明,影响高原多年冻土发育的因素多具有两重性,地表沙层和植被同样具有升高地温和降低地温的作用     

喜马拉雅山北坡冰碛湖坝温度特征及其对堤坝稳定的影响

堤坝稳定性是评价冰湖溃决危险性的重要指标, 而堤坝的温度特征与其稳定性密切相关. 基于2012年11月-2013年9月对西藏定结县龙巴萨巴湖冰碛坝的0~150 cm不同深度的温度观测数据, 分析冰碛坝地温变化特征及其影响. 结果显示: 冰碛坝表层(<20 cm)地温与气温变化一致, 温度日变化常出现白天为正温梯度而夜间为负温度梯度的特征, 全年日均梯度一般为负温梯度(上部温度高、下部温度低); 中层(20~100 cm)和深层(>100 cm)表现为冬季下层温度高于上层温度的正温梯度, 夏季下层温度低于上层的负温梯度逐渐加强, 但地温日变幅逐渐减弱; 中间层地温变化不到气温变化幅度的1/5~1/10; 深层地温无明显的日变化. 冰碛坝的消融率约为2.1 cm·d^-1, 夏季消融深度超过250 cm. 现有夏季消融深度对堤坝的稳定影响有限, 但是湖盆区如果持续升温, 冰碛坝冻土的年消融率和消融深度都将增大, 致使堤坝稳定性下降, 溃决风险增大.     

基于瞬变电磁法(TEM)的西昆仑地区多年冻土厚度探测与研究

多年冻土厚度对于多年冻土的区域分布和环境效应具有重要控制和指示意义. 应用瞬变电磁法(TEM)对青藏高原西昆仑地区的多年冻土下限进行了探测, 并结合钻孔资料分析了该研究区域多年冻土厚度的分布特征. 结果表明:研究区域多年冻土厚度随地形、地质条件的差异表现出显著的空间差异性. 沿着219国道从509道班到奇台达坂的高山峡谷区, 随着海拔的升高, 多年冻土从无到有, 而且, TEM探测到的多年冻土厚度从不到10 m到接近100 m, 平均厚度约为55 m; 自界山达坂向东到拉竹龙的低山丘陵区, 除部分区域发育融区外, 多年冻土厚度一般在50 m左右, TEM探测显示多年冻土平均厚度约为58 m; 进入甜水海盆地, 多年冻土厚度普遍超过60 m, TEM探测到靠近湖泊的盆地中心地带多年冻土平均厚度可达110 m. 多年冻土厚度随地温的降低呈显著的线性增加趋势, 10 m深度地温平均每降低1 ℃, 多年冻土厚度增加29 m. 多年冻土的厚度随海拔的升高显著增加, 同时局地因素对多年冻土的发育有显著影响, 其内在机制需要进一步研究.     

混凝土的入模温度和水化热对青藏直流输电线路冻土桩基温度特性的影响

施工过程中混凝土的入模温度和水化热对多年冻土区桩基施工期间的热稳定性具有重要影响. 针对该问题,利用有限元方法定量研究了±400 kV青藏直流输电线路冻土区锥柱基础入模温度、水化热和含冰量对桩基回冻过程、温度场变化和桩底融化深度的影响规律. 结果表明：水化热影响下,桩基中心温度在第3天达到最高,桩底滞后1 d,基坑表面受其影响较小,主要受环境温度影响;第24天,桩底出现最大融化层,随着入模温度增加,融化层厚度相应增加,入模温度为6℃时融化层厚度为34 cm,15℃时为55 cm;入模温度越高,回冻时间越长,当入模温度为6℃时,完全回冻需经历52 d,15℃时,回冻时间将增加7 d. 含冰量对桩底融化深度有影响,含冰量越大底部融化深度越小;冻土年平均地温是影响桩底融化深度的重要因素,少冰高温（-0.52℃）、低温（-1.5℃和-2.5℃）冻土条件下,最大融化层厚度分别为38 cm、34 cm和25 cm. 基于上述结果,在多年冻土地区的桩基工程,建议混凝土入模温度为6~8℃,底部碎石垫层至少40 cm.     

东北地区地温和冻结深度时空特征的细化分析

根据东北地区144个国家气象站1951—2016年的地温和土壤冻结深度资料,采用实测资料统计及统计建模推算的方法,对东北地区地温和冻结深度时空特征进行了细化分析。结果表明：东北地区地温整体由南到北逐渐降低,冻结深度逐渐增大。各层年平均地温呈向北2个纬度降低1 ℃左右,年平均最大冻结深度为向北2~3个纬度加深30 cm左右,极端最大冻结深度为向北2个纬度加深30 cm左右。地温和冻结深度与纬度关系显著,与经度和海拔也有一定相关性,但在东北北部的多年冻土区基本不受后两者影响。不同深度的地温季节特征不同,地表温度季节特征与气温一致,160 cm以下深度四季温度从高到低为秋、夏、冬、春。地表夏季与冬季温差达到33.5 ℃,而320 cm深处最热季与最冷季的温差仅为7 ℃。气候变暖使得东北地区各层地温升高、冻结深度减小、冻结期缩短,尤其在多年冻土区及其临近的高纬度季节冻土区更为显著。相对于下层土壤,地表升温最大。伊春地表升温趋势达到1.16 ℃?（10a）^-1,40~320 cm土层升温趋势为0.60 ℃?（10a）^-1左右,冻结深度减小、冻结期缩短趋势分别达到 23 cm?（10a）^-1、8 d?（10a）^-1,大幅升温不利于多年冻土的存在。     

青藏铁路块石气冷结构路堤下冻土温度场变化分析

基于青藏铁路沿线多年冻土区温度监测断面,选取了不同冻土分区中的8个块石路堤结构(块石路基、块石护坡、块石路基加块石护坡)断面,对其下温度场的变化分析研究.结果表明:经过2~3个冻融循环后,块石结构路堤下冻土上限已抬升了1.4~5.3 m,说明块石路堤结构已起到了积极调节下伏冻土温度的作用.结果也显示,在上限抬升的同时,其下部的冻土地温也在升高,但是这种过程已逐渐被块石路堤结构的降温所抑制,而这种抑制程度受控于不同的冻土区域.在不同的冻土分区中,无论是何种形式的块石路堤结构,其降温趋势是不同的.Ⅳ和Ⅲ冻土区块石路堤基底的负温积累比较明显,而I和Ⅱ区的较弱.     

基于GIS空间分析模型的祁连山多年冻土研究

依据祁连山和青藏高原气温、地温、冻土厚度与经纬度以及海拔的经验公式, 通过ArcGIS空间分析, 获得了祁连山地区年均气温、年均地温和冻土厚度的空间分布规律。祁连山多年冻土区年均气温和年均地温分别为-12~-6 ℃和-4~-2 ℃, 多年冻土厚度变化于90~140 m之间。其中, 哈拉湖地区海拔4300 m以上的高山区温度最低、冻土最厚, 年均气温和年均地温分别低于-10 ℃和-4 ℃, 多年冻土厚度大于140 m。结合祁连山烃源岩区域分布特征和木里天然气水合物钻孔的冻土厚度资料, 认为中祁连盆-山构造地貌发育区为天然气水合物成藏最有利区域。      

非贯穿型热喀斯特湖下部及其周围多年冻土特征

基于对青藏高原北麓河盆地天然形成的湖塘下部及其周围地温的监测分析, 结果表明该湖塘为非贯穿型热喀斯特湖. 湖塘下部多年冻土上限变化较大, 湖岸过渡带及天然场地多年冻土上限基本保持不变. 随着远离湖塘中心, 湖塘下部及其周围多年冻土含冰量依次升高, 地温年变化深度依次降低, 年平均地温依次降低. 观测期内, 湖塘下部浅层多年冻土地温在逐渐升高, 深部土体地温基本保持不变; 湖岸过渡带及天然场地下部多年冻土地温基本保持不变. 天然场地多年冻土地温明显低于湖塘下部土体地温.     

中国天山西部那拉提山地区多年冻土分布特征

那拉提山位于中国天山西部, 其冻土变化过程对区域自然环境变化、 工程活动产生重要互馈作用. 结合即将修建的新疆伊(宁)-库(车)输电线路前期的冻土勘察结果, 对那拉提山地区冻土分布特性、 主要影响因素等进行了探讨. 结果表明: 那拉提山地区冻土分布属于典型的山地多年冻土, 冻土发育区域、 冻土类型和地下冰空间发育特征及冻土温度状况等主要受到海拔、 地形地貌、 地表水分条件等因素的影响和控制. 同时, 该地区大量发育有泥流阶地、 泥流舌、 热融滑塌、 石环、 石河等冰缘现象. 受坡向、 植被、 水分等因素影响, 区域内冻土活动层厚度为0.7~4.5 m, 随着海拔增加, 冻土厚度由阳坡连续多年冻土下界(海拔3 000 m)附近的约20~22 m增加到海拔3 300 m附近的约70~100 m. 自1985年以来, 区域年平均气温上升(约0.088℃·a^-1), 该区域内的冻土退化趋势明显.     

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.     

青藏高原改则地区多年冻土特征

改则地区地处青藏高原腹地, 气候寒冷干燥, 位于青藏高原大片连续多年冻土南界附近. 2010年"青藏高原多年冻土本底调查"项目在改则地区采用坑探、物探和钻探等多种方法对区域内多年冻土开展了大规模野外考察工作. 根据现场钻探资料和后来的地温观测资料, 并结合坑探和物探资料对改则地区多年冻土特征进行分析, 结果显示: 改则地区多年冻土上限深度在2.6~8.5 m之间, 部分地区存在融化夹层; 多年冻土含冰量在12%~35%之间, 主要为多冰冻土, 而且一般仅在上限附近发育有高含冰量多年冻土; 多年冻土温度普遍较高, 在-1.5~0℃之间; 多年下限深度一般小于60 m, 部分地区甚至在10 m左右; 多年冻土分布的下界海拔高度约为4 700 m, 海拔5 100 m以上区域普遍发育有多年冻土; 区域内多年冻土特征受局地因素影响明显, 特别是与坡向、植被覆盖、岩性和含水量等关系密切; 现场记录资料和后来的测温资料都显示改则地区部分多年冻土正处于退化状态.