青藏高原多年冻土热融灾害发展预测

青藏高原多年冻土区是世界上中低纬度多年冻土面积最大的区域,气候变化引起青藏高原多年冻土区年平均地温上升、地下冰融化、多年冻土退化等问题。借助ARCGIS技术手段,通过地下冰计算模型和Stefan公式计算研究区不同气候变化情景模式下的地下冰体积含冰量和活动层厚度变化。结果表明:在未来几十年内多年冻土的分布范围将不会发生显著变化,多年冻土的主要退化形式为地下冰的消融、低温冻土向高温冻土转化;但本世纪末多年冻土将发生大范围的退化。这一过程将引起热融滑塌、热融沉陷等冻土热融灾害。将Nelson热融灾害风险性评价模式进行修正,对研究区灾害风险性进行评估区划。最大的危险区主要分布在西昆仑山南麓、青南山原中部、冈底斯山和念青唐古拉山南麓、喜马拉雅山南麓部分区域,在未来几十年内有加剧的趋势。     

植被退化对高寒土壤水文特征的影响

在黄河源冻土严重退化地区,采用选择典型区域和样地进行实验和模型模拟的方法,对不同植被退化特征条件下高寒土壤的水分特征曲线、土壤饱和导水率、土壤入渗及土壤水分进行研究.结果表明:Gradner和Visser提出的经验方程θ=AS-B对该地区土壤水分特征曲线有良好的模拟性;不同植被盖度条件下土壤的饱和导水率和土壤入渗有明显的区别,表层0～10cm范围内,黑土滩的饱和导水率和入渗强度最强,30cm以下土层中土壤饱和导水率、入渗强度以及土壤含水量几乎不受植被的影响.随植被退化表层土壤含水量出现明显降低,退化越严重,水分流失越多,最多时能达到38.6%,植被根系最发达的10～20cm范围的土壤含水量流失对高寒草甸土壤环境影响最大,水分流失导致退化草甸恢复难度较大.通过比较研究,在黄河源地区考斯加科夫(Kostiakov)入渗公式f(t)=at-b更适用于该研究区域高寒草甸土壤水分入渗过程的研究.     

青藏高原多年冻土活动层厚度对气候变化的响应

活动层厚度变化将会对多年冻土区生态系统、地气间能水平衡和碳循环等产生重要影响。利用Stefan公式模拟了1981-2010年青藏高原多年冻土区活动层厚度的分布和空间变化特征。结果表明：多年冻土区活动层厚度平均为2.39 m,活动层厚度在羌塘盆地最小,在多年冻土区边缘、祁连山、西昆仑山、念青唐古拉山活动层厚度较大。在气候变化条件下,青藏高原多年冻土区活动层厚度呈整体增大趋势,在1981-2010年,活动层厚度的变化量为-1.54~2.24 m,变化率为-5.90~10.13 cm·a^-1,平均每年变化1.29 cm。活动层增厚趋势与年平均气温增大的趋势基本一致,这说明气候变化对活动层厚度变化有很大的影响。     

非定常边界多年冻土活动层温度的积分渐近计算

对微分形式的热传导方程进行积分变换,将其转变成等价的积分形式的热传导方程式,然后应用渐近序列方法于非定常边界条件下存在相变的多年冻土活动层的温度计算中,提出新的多年冻土活动层温度解析近似计算公式.尽管渐近序列不是收敛的级数,但当级数变量趋向某个值时,只需取渐近序列前几项既可以获得某种极限条件下具有相当精度的近似解.计算模式采用随时间变化函数的非定常边界条件,改进了定常边值条件的冻土相变温度计算的Stefan公式,退化到定值条件下渐近解和Stefan公式有相同的计算结果.     

青藏高原天然气水合物的形成与多年冻土的关系

天然气水合物是一种新型清洁能源,赋存在多年冻土区和海洋沉积物等低温高压环境中。青藏高原多年冻土面积占高原总面积的一半以上,是可能的天然气水合物赋存区。根据青藏高原多年冻土条件和天然气水合物形成的热力学条件,讨论了多年冻土地温梯度、冻土厚度与天然气水合物形成的热力学条件之间的关系和青藏高原存在天然气水合物的可能性。结果表明,青藏高原多年冻土区基本具备形成天然气水合物的热力学条件,最适宜的热力学条件是多年冻土地温梯度接近或略大于多年冻土底板附近融土的地温梯度,且融土地温梯度越小,越容易形成天然气水合物。估算得到天然气水合物最浅的顶界埋深为74m左右,最深的底界埋深达上千米。     

青藏铁路冻土区路桥过渡段沉降原因分析

青藏铁路开通近10 a以来,各类冻土工程稳定,保证了列车平稳安全的运行。然而,青藏铁路工程也不可避免出现了一些病害问题。现场调查资料表明,冻土区路桥过渡段下沉现象较为严重。通过冻土区路桥过渡段的沉降特点和工程地质条件综合分析,结果表明：地表水或冻结层上水水热侵蚀,引起人为多年冻土上限下降、高含冰量冻土层融化,致使路基发生强烈的融化下沉。建议这类工程病害应采取主动降温措施增强地基土的冻结能力,并加强防排水设施和改善地表水条件,消除水热侵蚀所产生的融化下沉。研究结果为青藏铁路路桥过渡段的稳定性和养护提供了科学依据。     

137Cs示踪法研究青藏高原草甸土的土壤侵蚀

运用137Cs示踪法对青藏高原高寒草甸典型的两个小流域的土壤侵蚀进行了研究,结果表明:高寒草甸植被区的土壤137Cs在土壤剖面中呈指数型分布,分布深度一般在20cm左右;坡顶部由于风蚀、冻融侵蚀和水蚀较强,致使侵蚀强于下部,除坡顶部外其他坡位侵蚀强度都符合坡上部<坡中部<坡下部的规律;高寒草甸植被覆盖度与土壤侵蚀强度呈显著的负相关关系(p<0.01),土壤平均侵蚀模数随植被覆盖度的增加呈线性降低的趋势,相关系数R2达到0.997以上。高寒草甸退化程度越高,土壤侵蚀越强。退化较强的草甸区的平均侵蚀模数是退化较弱区的2.23倍,最大侵蚀模数可达2960.22t/(km2.a)。     

一种新的土壤冻融特征曲线模型

土壤冻融特征曲线(SFTC)可以描述冻融过程中未冻水含量随负温的变化关系。准确刻画土壤冻融特征曲线对土壤的冻融过程及相关的水热耦合运移研究至关重要。以往研究中土壤冻融特征曲线适用范围较窄,无法满足实际需要。通过类比水分特征曲线,考虑初始含水量和溶质浓度对未冻水含量的影响,提出了一种新的冻融特征曲线模型,经广泛的文献数据验证表明,新模型能准确拟合观测数据,平均纳什效率系数高于0.95。与另外五种土壤冻融特征曲线模型相比,新模型在不同质地、初始含水量、溶质含量的土壤中表现良好。此外,敏感性分析显示,影响模型性能的主要因素为土壤自身物理特性、土壤溶质浓度以及残余水含量。新模型及研究结果有助于更好地理解土壤冻融过程中的水热传输过程,可为气候变化条件下冻融区生产建设和环境研究奠定坚实的理论基础,并为寒区工程相关数值模拟提供参考。     

青藏铁路多年冻土区工程长期监测系统

青藏铁路穿越了大片连续多年冻土地区, 建设中采取了冷却路基的设计思路, 采用了大量特殊的工程技术措施. 为了解工程和气候作用下冻土变化过程以及路基稳定性与冻土变化关系, 在青藏铁路沿线布设了44个路基监测断面进行地温监测和路基表面的变形监测, 同时开发了青藏铁路长期监测系统软件, 负责数据的存储、分析工作, 其中地温监测数据通过青藏铁路专用网络GSM-R实现了远程传输. 该系统的建立为进一步开展冻土相关研究工作提供了基础数据, 也为路基稳定性预警提供了科学依据.     

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.