青藏高原多年冻土区热喀斯特湖水文特征及环境效应

全面认识热喀斯特湖水文过程的季节变化特征是准确评估其生态环境效应的关键。以青藏高原典型热喀斯特湖为例, 基于2018—2020年水文气象要素的野外观测及计算, 分析热喀斯特湖的水文特征及产生的环境效应。研究结果表明: ①春季降水补给热喀斯特湖, 迅速升高湖塘水位, 其中湖塘的储水量与湖塘水位之间存在较好的幂函数关系; ②湖面年均蒸发量和湖冰年均升华量分别可达738 mm和198 mm, 受温度升高的影响, 未来有增多的可能; ③热喀斯特湖水中离子质量浓度在暖季初期和后期较高, 冷季湖冰形成过程中自净作用和地球化学过程的影响使各离子表现出不同的迁移机制。受局地因素的影响, 热喀斯特湖的水文要素呈明显的季节变化特征, 水文循环过程会引起多年冻土退化、湖岸坍塌后退、水环境恶化、温室气体释放、土壤盐渍化、植被退化等, 未来研究需对整个高原地区热喀斯特湖的环境效应进行全面评估。     

高寒隧道保温结构的优化设计研究 ——以西藏圭嘎拉隧道为例

为了提高季节冻土隧道的防冻保温性能,常采用铺设聚氨酯类有机保温层的方式以防止围岩冻结,但由于有机材料在冻融循环过程中老化速度快、保温结构设计缺少科学依据等局限性,使得部分隧道在长期运营过程中反复出现冻融病害。以西藏圭嘎拉隧道为研究对象,通过建立热流固耦合计算模型,对现行保温措施的防冻效果进行分析,发现距离洞口一定长度范围内的围岩仍会发生冻融破坏。在隧道运营后第20年2月15日,距洞口5 m处断面拱顶围岩的边界温度仅为-0.91 ℃,并且该关键位置的纵向冻结长度超过500 m,严重影响隧道结构的安全。为防止此隧道出现冻害问题,提高其服役能力,拟采用新型无机建筑材料气凝胶毡对隧道的保温结构进行加固,其具有良好的保温、阻燃和耐久性能,并且铺装简便、易于操作。此外通过对不同厚度气凝胶毡条件下的围岩温度场进行多维度分析,确定了最不利时刻气凝胶毡厚度与拱顶围岩关键位置纵向冻结长度之间的关系。研究成果可为圭嘎拉隧道防冻保温优化设计提供技术支持,不仅能保障隧道结构的安全性和稳定性,也能为季节冻土隧道保温结构的设计、施工及维护提供参考依据。     

地基微波遥感评估黄河源区草原下垫面土壤冻融过程研究

土壤冻融过程对气候变化非常敏感,如何准确监测土壤冻融过程具有重要的科学意义。利用2017年6月至2018年6月中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站玛曲观测场地基微波辐射计观测数据、浅层土壤温度和近地面气温数据,通过构建归一化极化比值冻结因子、极化差值冻结因子、组合水平极化差值冻结因子和组合垂直极化差值冻结因子等不同土壤冻结因子,评估了黄河源区草原下垫面土壤冻融过程。结果表明：L波段微波辐射计监测土壤冻融状态的结果与近地面气温和浅层土壤温度表征的土壤冻融过程基本一致。当入射角为50°时,归一化极化比值冻结因子和极化差值冻结因子与实测数据的一致性分别达到83.6%和82.8%。每种冻结因子具有明显的季节性变化,四种冻结因子在春季时的准确度低于夏、秋、冬三个季节。归一化后的相对冻结因子的标准差在秋季最大,可达0.3;在冬季和夏季最小,值小于0.2。在土壤发生冻结和融化转换时,垂直极化和水平极化下的亮温同时下降,其差值较完全冻结或者完全融化时的亮温差大。研究结果可为微波遥感监测土壤冻融过程提供技术参考。     

冻融作用对不同初始状态基坑稳定性的影响研究

为研究季节冻土区冻融作用对基坑工程的影响,基于考虑冰-水相变的热传导理论、考虑黏聚力的修正剑桥模型和强度折减法,建立了适用于季节冻土区基坑稳定性分析的计算平台。在此基础上,结合具体的试验数据对不同初始状态的基坑算例进行计算,研究季节冻土区基坑冻融前后稳定性和位移的变化情况,并根据土体冻融前后的物理力学参数对上述变化规律作出分析。研究结果表明,冻融作用加剧季节冻土区基坑的局部变形,且土体的初始干重度对变形规律的影响较大,但基坑的整体安全系数并未受到冻融作用的显著影响。存在一个临界干重度γ_d0,基坑土体的初始干重度接近临界干重度时,围护桩水平位移在冻融前后的变化较小,随着土体初始干重度与临界干重度的差距增大,围护桩水平位移在冻融前后的变化量也随之增大。土体的初始干重度越小,基坑围护桩的竖向位移和坑底隆起位移在冻融前后的变化量越大,即土体初始干重度较小的基坑在经历冻融后,围护桩的竖向位移产生显著沉降,但坑底隆起情况有明显缓解。研究成果对季节冻土区基坑工程的设计和施工具有重要意义。     

黑龙江省土壤冻融期气象要素变化特征

黑龙江省春季土壤冻融剧烈,土壤湿度和温度受土壤冻融影响较大,利用黑龙江省64个气象观测站1961—2018年的逐日最高气温、最低气温、平均气温、降水量、地温资料及34个农气观测站人工观测的1981—2018年的土壤湿度资料,分析土壤冻结期间的气象要素变化,研究春季土壤冻融过程中湿度和温度的变化。结果表明：土壤冻结期从北向南缩短,且逐年缩短,冻结期平均气温从北向南升高,逐年上升,降水量西部少、东部和北部多,逐年增加;春季冻融次数平原少、山区多,逐年减少。春季融雪开始日期由北向南提前,并且呈现逐年提前的趋势,融雪期升温速率北部、东部低,中部、南部高;在春季冻融过程中,土壤湿度随着土壤深度的增加而增多,东部土壤湿度受土壤融冻影响最大;在整个冬季土壤冻结期间,北部、中部及东部土壤湿度是增加的,且随着土壤深度的增加,土壤湿度增加的越多,而西部土壤湿度是减少的,且随着土壤深度的增加,土壤湿度减少的越少;春季土壤冻融期间,0 cm平均地温全省平均在-17.3~22.1 ℃之间,南部与全省变化趋势基本一致,升温趋势明显,而北部升温速度明显慢于南部。     

冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究进展

随着冻土地区基础设施建设加快,冻害已成为寒区工程建设中迫切需要解决的问题.造成冻害现象的主要原因是土体的冻胀和融沉,而冻融过程受控于土体温度场、水分场、应力场及其变化规律.深入开展水热力耦合作用机理的研究对解决实际工程冻害问题具有重要的指导意义.对国内外在水热力耦合作用机理、耦合作用方程方面的研究进行了综评,指出了各种研究结果之间差异、不同冻胀模式建立的依据、研究方法以及适用条件,分析了目前冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究中存在的问题,提出了今后研究发展的方向.     

青藏高原东北部冬给措纳湖湖区冰缘环境探讨

冬给措纳湖位于青藏高原多年冻土区东北部,湖区高寒沼泽、冰缘环境、冻土分布及其演化在全球气候变暖条件下,有其自身特点.为探讨冬给措纳湖湖区冻土分布及冰缘环境,2009年5月9—26日,对冬给措纳湖进行了考察,发现冻融草丘、冻胀丘遗迹、寒冻裂缝、热融洼地、古冻融褶皱等现代冰缘及古冰缘现象在湖区普遍存在.湖东、西岸的沼泽湿地中,热喀斯特发育明显,形成热融洼地和冻融草丘.湖北岸阶地及草场中存在零星和岛状冻土,经钎探表明,当时融化深度为0.3～0.8m,0.4m深度处冻土有胶结冰发育.湖东冲积平原的沼泽湿地中,冻融草丘和热融洼地存在;冻胀丘遗迹、寒冻裂缝在沼泽湿地边缘泥炭覆盖地存在.湖北岸二级阶地剖面发现古冻融褶皱.     

区域流场作用下地下水地源热泵系统抽灌模式对地温场的影响

通过建立三维水热耦合数值模型,对区域流场作用下,地下水地源热泵系统运行一个采暖、制冷周期后,不同的抽灌井布局以及交替方式下,地下水地源热泵系统地温场的演变趋势进行模拟分析。结果表明,地下水的天然流速越大,越有利于热量的运移,有助于抽灌井连线垂直于地下水流方向的垂直布局以及地下水流向由抽水井指向回灌井的平行布局下的地温场演化,但不利于地下水流向由回灌井指向抽水井的平行布局下的地温场演化和温度恢复。一般的天然地下水流速条件下,由于含水层储能效应,进行抽灌井季节性交替模式的系统运行效率较高。     

黄河源区冻融地质作用及其生态环境地质特征

黄河源区自然地理环境特殊,冻融地质作用强烈,冻融地质现象普遍发育,以山地顶部裸岩、寒冻风化岩屑坡、山地斜坡冻融滑移、山前倾斜平原及河谷平原冻胀—融陷作用为表征,对应于源区不同的地形地貌条件和自然地理单元,呈鲜明的山地垂直分带规律和冻融荒漠化生态景观。     

冻融作用对南方粉质黏土物理力学性质的影响

室内模拟极端冰雪环境下,对我国南方典型不扰动粉质黏土进行反复冻融试验研究,分析了冻融作用下土体物理力学指标的变化规律。试验发现,随着冻融次数的增加,土体的含水量、密度、液限和塑性指数减小,塑限略有减小,孔隙比渗透性增大。冻融作用对土体力学性质的影响尤为显著,使其抗剪强度减小,而无侧限抗压强度在冻融10次后基本丧失。通过对反复冻融土的扫描电镜试验发现,多次冻融后土体变得破碎,土体中孔隙变大且数目增多,裂隙增多。这表明,多次冻融后土体遭到结构性破坏,土颗粒得以重新排列,导致土体骨架的结构性转移,使整个受力体系发生变化,这也是冻融作用后土体物理力学性质变化的主要原因。