西北干旱区土建筑遗址加固概述

西北干旱区土建筑遗址很多, 有些还是世界文化遗产。由于风蚀风化作用强烈, 西北干旱区大批的土建筑遗址已破坏严重, 因而开展土建遗址加固研究十分必要。钾水玻璃 (PS)是一种水溶性的无机胶结加固材料, 本文全面详尽地总结了PS加固土建筑遗址技术, 就加固机理作了初步探讨。认识到PS是西北干旱地区土遗址加固的一种有效方法, 可达到较理想的加固效果。     

西北干旱区生态需水研究

西北干旱区是水资源稀缺和生态环境相对脆弱的区域。以人类需求为中心的传统水资源开发利用及评价忽视了水资源与生态环境系统之间的关系,引发了众多的生态环境问题。日益恶化的生态环境使得生态需水量受到广泛关注,生态需水量研究由此成为干旱区生态水文学研究新的增长点。文章在综述国内外生态需水研究现状及其面临挑战的基础上,分析西北干旱区水资源转化特点,结合Falkenmark 水资源分类,突出生态需水在水分流中的地位,提出保障生态需水的策略,即：①生态环境稳定性界定;②绿水的保护与高效利用; ③虚拟水战略,旨在为平衡人类需水与自然需水提供重要的理论基础。     

干旱区土遗址病害的分类研究

我国西北干旱区分布大量的土遗址,在分析干旱区土遗址病害的基础上,建立了按病害成因、病害表现形式和形成机理分类的土遗址病害3级分类体系和定义。将土遗址的病害分为两大类即自然破坏和人为破坏。自然破坏有5个亚类14个病害表现形式,包括片状剥蚀:雨蚀剥离病害、风蚀剥离病害和裂隙剥离病害;淘蚀:酥碱、风力淘蚀和流水淘蚀;裂隙(缝):卸荷裂隙、构造缝、变形裂隙、建筑工艺裂缝;冲沟:裂隙型冲沟和径流型冲沟;生物破坏:动物病害和植物病害。人为破坏有两种即历史破坏和近现代破坏。     

微纳米Ca(OH)2加固遗址土室内试验研究

无机材料以兼容性强、耐久性好等特点被广泛应用于土遗址加固,特别疏松结构土遗址加固一直是学界关注的焦点,微纳米Ca(OH)₂具有分子结构小、加固效果显著和耐久性好等特点。以世界文化遗产锁阳城为代表,制备密度为1.5g/cm³的疏松土样,采用浓度为5%、7.5%和10%微纳米Ca(OH)₂的悬浊液滴渗加固,通过透气性、色差、无侧限抗压强度和抗剪强度测试发现,透气性下降值均在2%以内,5%和7.5%微纳米Ca(OH)₂加固后色差ΔE_ab*均小于4,在一定范围内可接受;其中用浓度为7.5%微纳米Ca(OH)₂加固3次后抗压强度和抗剪强度均有提高,无侧限抗压强度增长率为9.8%,土的黏聚力增加了34%,内摩擦角提高了9°;土-水特征曲线表明,微纳米Ca(OH)₂对土的体积收缩率具有较好的抑制作用。扫描电镜、X射线衍射和热重分析发现,微纳米Ca(OH)₂渗透加固后,在碱性环境下发生了的物理化学反应,在物理层面主要通过填充、包...     

冰川加剧消融对我国西北干旱区的影响及其适应对策

西北干旱区是我国生态最脆弱的地区之一, 也是国家安全和生态安全的核心区.冰川是西北干旱区的"固体水库", 高山冰雪融水一直是当地赖以生存和发展的重要水源, 是该地区独特的绿洲经济的命脉.在气候变暖的大背景下, 西北干旱区冰川加剧消融退缩, 冰川数量和规模均呈减少趋势.未来冰川将进一步萎缩, 冰川融水对河流补给将有显著变化.冰川加剧消融已严重影响到该地区水资源变化格局、 农业可持续发展和生态系统稳定, 对现有水资源管理与灾害防治等对策与措施提出巨大挑战.应采取从转变经济发展用水和管理理念, 到提高适应冰川消融的水利建设、 加强防灾与预测技术研究等方面的积极探索适应对策, 以应对气候变暖背景下冰川加剧消融给西北地区带来的挑战.     

高昌古城土遗址加固工程冻融试验研究

通过对高昌古城土遗址加固工程进行冻融试验研究,对比了添加含水量前后的两种结果;试验表明,水玻璃与硅丙乳液均可提高土体的抗冻融性能。     

树轮记录的西北季风边缘区干旱变化

祁连山东部位于亚洲季风西北边缘区,对气候变化十分敏感。由于该区位于半干旱区,降水的变化直接影响人类社会经济的发展,所以研究该区干旱变化情况及其机制非常重要。 利用采自祁连山东部西北季风边缘、地处半干旱区的吐鲁沟地区的油松树轮样芯,建立了树轮宽度年表,时间跨度为1866-2003AD。树轮宽度年表与气象因子相关分析结果显示树木生长主要响应生长季内的降水和干旱变化。该年表与附近区域利用树轮宽度重建的帕尔默干旱指数（PDSI）进行对比,结果显示严重的干旱时间发生在1920s-1930s、1966年、1974年、1982年和1990s和21世纪初。多窗谱分析研究表明,该区年表序列存在显著的2~4 a周期（P<0.05）,该周期与ENSO变率吻合,与在贺兰山、祁连山其他地区、兴隆山及贵清山研究结果一致,表明这些区域可能受共同气候因子的影响。     

PS材料加固遗址土室内试验研究

土遗址文物的保护加固迫在眉睫,尤其是在西北地区,由于其特殊的地理气候环境,土遗址的破坏比较明显。为了延长土遗址的寿命,使其长久保存下去,在对土遗址文物的加固保护过程中,发明了很多有效的材料。本文就是以PS材料为研究对象,选用具有代表性的交河故城和高昌故城土,对其原状样和重塑样进行PS材料加固后,分别进行抗压、抗拉、雨淋、风洞试验及雨淋风洞复合试验,研究其加固故城土后的强度及耐久性能。大量的室内试验结果表明,经PS材料加固后,土体的力学性能和抗雨蚀、抗风蚀能力得到明显改善,说明PS材料具有良好的加固效果,为将其进一步应用于土遗址保护加固工程中提供了具有价值的理论指导。     

潮湿环境下古代土遗址的原位保护加固研究

古遗址的保护是文物保护工作中最复杂的问题之一,而土质文物是文物保护中最难保护的文物,所以古代土遗址的保护已在国际上被列为专门的保护项目,而处于潮湿环境下的古代土遗址保护的课题在文化遗产实物和遗迹就地保存和展示领域就更为迫切。浙江良渚文化是中国新石器时代长江流域最重要的史前文化, 塘山遗址位于良渚文化遗址的西北部,选择了PS（硅酸钾）、WD－10（十二烷基三甲氧基硅烷）、WD－S（低聚甲氧基硅烷）、RTV（聚有机硅氧烷+硅酸乙酯）4种保护材料对塘山遗址进行了保护加固实验研究。室内实验和现场实验（2个月,6个月,9个月）的结果都表明,RTV和WD-10防水性优于WD-S,WD-10和WD-S材料仅能作为防水材料,PS材料仅能作为加固材料使用,而RTV则具有较好的加固和防水效果,且加样量越大,强度提高越多。     

钙基液态水硬性加固剂用于潮湿土遗址的加固保护

通过对钙基液态水硬性加固剂的研制,对潮湿环境土遗址的加固保护进行了探索性研究。X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析结果表明,已成功制出了潮湿土样水硬性加固所需的纳米材料。同时,研究发现,氢氧化钙在650 ℃下用马弗炉煅烧1.5 h后,可得到直径约50 nm、长度约200 nm的针状二次生石灰;这种二次生石灰经水消化后,会成为粒径在200～300 nm左右、大小十分均匀的扁平椭圆状纳米氢氧化钙颗粒;氧化钙在密封陈化一段时间后,也可使氢氧化钙的粒径达到纳米级。土样加固试验的结果显示,纳米石灰的乙醇分散液的渗透性优于分析纯氢氧化钙,钙基水硬性加固剂对潮湿土样的加固效果较为明显,有望成为一种适合于潮湿环境土遗址加固的新型材料。     

西北半干旱地区岩屑地球化学异常提取方法的研究

西北地区主要发育残山丘陵地貌。风成砂、急雨过后的黄土硬壳以及下伏膏岩层的普遍发育在一定程度上影响了地球化学勘查数据的代表性,也给异常的提取和解释带来了困难。针对这种特殊的自然景观和地质背景,以西北半干旱地区——阿拉善某地为例,介绍了工作区地质特征,用传统的统计学方法、趋势面法、滑动平均法提取相关元素地球化学异常,在此基础上结合地质矿产资料进行综合对比,探讨了较为适合半干旱地区地球化学勘查数据处理的方法。     

西北干旱地区的水分评价问题

指出了用水文统计法确定的“水资源总量”难以将西北干旱地区与我国东部地区水资源作出合理的比较分析.只有考虑了土壤水这一重要水资源分量才能予以改进,因为两地的土壤水在水文统计中有不同的含义.在干旱地区,土壤水主要来自灌溉水,即“水资源总量”的一部分;而在华北等地,它主要来自降水,未能统计在“水资源总量”中.     

中国西北干旱区降雪和极端降雪变化特征及未来趋势

降雪是中国西北干旱区水文系统中关键的组成要素, 同时也是对气候变化极为敏感的因子。利用中国西北干旱区的89个气象站点逐日气象资料结合IPCC-CMIP5气候情景数据, 研究了该区域降雪和极端降雪的时空变化特征, 并分析了其对气候变化的响应机理及未来变化趋势。结果表明： 1971—2010年, 我国西北干旱区年降雪量显著增加, 但降雪次数却明显减少; 年极端降雪发生次数占总降雪次数的比例不足3%, 但其对年降雪量的平均贡献可达1/4, 且极端降雪量和发生次数的增加是近40年西北干旱区降雪总量增加的主要原因。极端降雪发生时的气温要比非极端降雪发生时的气温平均高3.3 ℃; 当气温在1 ℃以下, 降雪强度随气温升高而增大, 该变化特征基本符合克劳修斯-克拉伯龙方程理论, 气候变暖是导致极端降雪显著增加的主要原因。在RCP4.5气候情景下, 我国西北干旱区未来年降雪次数将大幅减少, 年降雪量将在（2040±5）年前后达到峰值随后下降, 年极端降雪量和发生次数预计（2060±5）年左右达到峰值; 相比基准期, 2050s西北干旱区所有站点的年降雪发生次数都将明显减少, 区域平均年降雪量将减少5%, 而年极端降雪量和发生次数有微弱的增加, 分别增加约2%和4%。     

西北干旱区近50年气候变化特征与趋势

20世纪后期全球增暖趋势越来越明显，受全球增暖的影响，西北地区的气候也将受到不同程度的影响。选取了西北干旱区1951-2000年的21个代表站点气温、降水量资料，采用趋势系数法对西北干旱区近50年气温和降水变化进行分析，找出各分区的变化趋势。结果表明：近50年西北干旱区气温呈上升趋势（0．22℃／10a），1986年后气温明显升高；柴达木盆地和新疆北部升温较大；各季都有增温趋势，贡献最大的是秋冬两季。降水变化有增加的趋势（3．2mm／10a），年降水量贡献最大的是夏季；各区降水都有增加，其中新疆北部降水增加最多。西北干旱区近50年气温升高趋势是南北高，中间低；降水量增加趋势从东南向西北呈现递增的格局。     

定量评估我国西北干旱区土地利用变化对植被指数的影响

在全球变化的背景下,定量区分人类活动和气候波动对干旱区植被的影响具有重要意义。采用多种统计学方法,分析了我国西北干旱区1990-2010年土地利用/覆被变化（LUCC）和1982-2010年归一化植被指数（NDVI）的时空变化特征,并定量评估了LUCC对NDVI变化的影响。结果表明：1990-2010年,西北干旱区耕地增加量最多,高达13 476 km²,其次是林地和水域,各地类增加的面积主要来自草地（12 590 km²）和未利用地（6 025 km²）。各土地类型变化速度快慢依次为：耕地 > 建设用地 > 水域 > 林地 > 草地 > 未利用地。2000-2010年,研究区土地利用程度综合指数（0.79）明显高于1990-2000年（0.23）,表明近年来人类活动对土地利用变化的影响程度显著增强。1982-2010年,西北干旱区NDVI呈增加态势,但近年来（2002-2010年）NDVI略有下降。其中,1990-2000年,LUCC对西北干旱区NDVI总变化的贡献率较低,仅为2.9%;而1990-2010,LUCC的贡献率为26.7%,表明气候变化对植被指数变化的贡献率高达73.3%。     

1961-2010年西北干旱区极端降水指数的时空变化分析

结合绝对阈值和百分位法定义极端降水事件的优点,提出了一种更灵敏的检测极端降水事件的方法. 该方法不仅能检测出常用降水指数无法检测到的降水量稀少地区尤其干旱区的极端降水事件,同时也能过滤掉其检测到的降水量丰富地区的虚假极端降水事件. 此方法首次被应用于统计1961年1月至2010年2月西北干旱区72个气象站点的年和季节的极端降水指数（大降水和强降水指数）,并分析了极端降水指数的时间变化趋势及其空间分布特征. 结果表明：西北干旱区春（3-5月）、秋（9-11月）、冬（12月至次年2月）三季极端降水指数无显著（P>0.05）变化趋势,夏季（6-8月）大降水的频率和降水量以及大降水降水量占总降水量的比重都显著增加;新疆地区极端降水指数为增加趋势的区域基本都分布在海拔较高（约海拔1 000 m以上）的地区;西北干旱区东部极端降水指数变化趋势的空间分布有明显的季节差异,表现为夏、秋季大部分地区为增加趋势,冬、春季大部分地区为减小趋势.     

过去千年中国西北干旱区温度变化特征及成因分析

本研究基于过去千年多成员集合模拟试验(CESM-LME)数据, 在与同化资料(LMR)、参与CMIP6两个模式(MRI-ESM2和MIROC-ES2L)过去千年模拟结果以及观测/再分析资料(CN05.1)进行对比验证模式模拟结果可靠性的基础上, 分析了中国西北干旱区过去千年地表温度变化特征和影响因子。研究表明, CESM-LME全强迫试验能够较好地模拟出中世纪气候异常期、小冰期和现代暖期温度异常特征, 模式模拟的中国西北干旱区中世纪气候异常期温度变化幅度与现代暖期的相当。通过计算不同尺度上各单因子敏感性试验与全强迫试验中地表温度序列相关系数发现, 不仅在年尺度上, 年代际、多年代际、百年尺度上火山活动强迫出的地表温度序列与全强迫试验中的均呈现显著的相关关系, 但二者的关系在过去千年并不稳定; 另外, 1850年后温室气体排放对西北干旱区地表温度升高起到了主导作用。根据火山喷发纬度位置和气溶胶注入量两个标准将过去千年火山活动分为3种类型, 即北半球火山(NHV)、赤道火山(TRV)和南半球火山(SHV)。NHV爆发对西北干旱区降温的影响最强, TRV次之, 但是二者差别不大, 均在爆发10~12个月之内降温至-2.0 ℃以下。与以往研究不同的是, SHV爆发后中国西北干旱区地表温度在10个月后降温幅度能达到-1.7 ℃, 且该冷异常可持续到22个月之后。

     

Major ion chemistry of groundwater in the extreme arid region northwest China

The Ejina Basin, located in arid northwest China, is one of the most arid areas in the world. In recent years, rapid development has created a greater demand for water which is increasingly fulfilled by groundwater abstraction. Detailed knowledge of geochemical evolution of groundwater and water quality can improve the understanding of a hydrochemical system, and promote sustainable development and effective management of groundwater resources. To this end, a hydrochemical survey was conducted in the Ejina Basin in order to identify the major hydrochemical characteristics. The results of chemical analysis indicate that groundwater in the area is brackish. The major ions, TDS, and hydrochemical types of different areas are highly variable and show an obvious zonation from the recharge area to the discharge area. Saturation index (SI), calculated according to the ionic ration plot, indicates that the gypsum-halite dissolution reactions take place under the condition of the rock weathering to some extent, and evaporation is the dominant factor to determine the major ionic composition in the study area.     

环境磁学及其在西北干旱区环境研究中的问题

环境磁学是一门新兴交叉学科,它介于磁学、地学和环境科学之间,主要利用矿物和岩石磁学技术,研究环境中磁性颗粒的风化、剥蚀、搬运、沉积和转化受环境变化影响的过程,为全球环境变化和气候过程研究提供代用指标,环境磁学技术在各种环境研究中得到了广泛应用。文中在简要介绍环境磁学原理和方法的基础上,就目前环境磁学在土壤、黄土、沉积物和大气尘埃等方面研究状况进行了阶段性总结。环境磁学参数在干旱和半干旱地区黄土气候和环境记录重建研究中取得了重大进展,但仍存在较大争议。黄土地层中经常使用的磁化率其粉尘贡献到底有多大?磁学参数在季风区和西风区表现迥异,原因何在?不同粉尘源区的环境磁学参数是否存在较大差异?哪些磁学参数适用于干旱区气候与环境重建?这些问题既是国际学术界亟待解决的重大科学问题,也是环境磁学应用在干旱半干旱区环境研究中所面临的主要问题。深入研究提供黄土物质的干旱半干旱地区现代环境磁学过程或许对解决上述问题具有重要的启示意义。     

Late Pleistocene hydroclimatic variabilities in arid north-west China: geochemical evidence from Balikun Lake,eastern Tienshan,China

Reconstructing the environmental and hydrological response to millennial-scale fluctuations of climate-sensitive areas of mid-latitudes is crucial to understanding the Late Pleistocene climate in terrestrial inland regions. We use sedimentological and geochemical proxies (e.g. lithology, gain size, loss-on-ignition, soluble salts, X-ray fluorescence elements) from Balikun Lake in the eastern Tienshan Mountains, to elucidate variations in sedimentation, water chemistry and watershed weathering intensity of the Late Pleistocene interval (~20−60 ka). The record documents high-frequency oscillations and alternating hydrological patterns on (multi-) millennial timescales. Balikun Lake changes from nearly fresh to brackish and finally to hypersaline conditions during MIS3. The warm and wet climate during the early MIS3 facilitated regional vegetation and bioproductivity. Halite sedimentation took place from the middle to late MIS3, indicating a gradual drying trend. This reduced the lake area and vegetation cover, as well as weakened the chemical weathering rates of the watershed. These new interpretations challenge the idea of climate amelioration with the highest lake level and wettest conditions prevailing in the arid areas of north-west China during the late MIS3, indicating a possible westerlies-dominated Late Pleistocene climate in these areas. The evolution of the palaeohydrological regime and climate change in the Balikun Basin correlated well with the millennial-scale high-latitude Atlantic climate superimposed on the Northern Hemisphere summer insolation.