黄河源区冻结层上水地质环境影响研究

黄河源区地处青藏高原中南部，海拔高度在4100m以上，属中纬度高山多年冻土带，该冻土带内形成了一种特殊的冻结水环境。多年冻土通过季节融化带与大气系统、植被系统、地表水系统进行水、热交换，冻结层上水则是交换中的重要纽带。冻结层上水分布在冻土表层，是冻土区主要的潜水含水层之一，其空间分布直接控制着包气带含水量的变化和地表植被类型分带。2000～2001年，作者两次对黄河源区冻结层上水及其地质环境进行了专题研究，结果表明，水文地质结构、地表水位的变化以及过度放牧和开采沙金等人为作用均会对冻结层上水的空间分布产生影响，这些作用不仅影响着冻土类型的转化，而且还会由此引发一系列的生态问题，使原本十分脆弱的生态环境出现恶化。     

黄河源区冻土对植被的影响

黄河源区由于近年来气候变化的影响,打破了高寒植被与冻土环境之间稳定的适应性关系,由此引发了一系列生态环境退化的现象.在黄河源区多年野外工作的基础上,定量分析了冻土与植被之间的关系.研究表明:多年冻土埋深通过影响浅层土壤含水量影响植被生长的,多年冻土的埋深与浅层土壤含水率和植被的覆盖率具有良好的相关性规律.冻土埋深<2 m时,冻土埋深决定浅层土壤含水率,成为影响植被的生长主要因素;埋深>2 m时,冻结层上水水位低、补给量少,冻结层上水水量小,毛细上升高度不能达到植被根系分布的浅层土壤中,植被生长环境干旱化,多数植被生长受限制,这时只有少量根系发达的耐旱植被存活,覆盖率小,一般不超过35%.因此,2 m的多年冻土埋深为“生态冻土埋深”.近20 a来,黄河源区地温长期处于增温状态,多年冻土出现表层融化,形成深埋的或少冰的冻土等现象;部分地带完全融化消失,连续多年冻土变成不连续冻土或岛状冻土.多年冻土退化后,土壤含水量减少,导致植被物种更替、“黑土滩”等退化现象.     

青藏高原气候转暖与冻土工程的关系

工程作用和气候转暖影响加剧了工程下部多年冻土的退化,导致冻土工程稳定性发生显著变化。本文从气候转暖和工程活动下多年冻土变化和冻融灾害的视角探讨了气候转暖与工程稳定性的关系,给出了青藏高原气候转暖下活动层厚度、冻土温度等变化和青藏公路和青藏铁路工程下部多年冻土上限、冻土温度和路基变形等特征。同时,系统梳理了青藏高原冻土工程防治冻土融化的工程技术措施,讨论了未来气候变暖下青藏高原多年冻土的变化特征及其对冻土工程服役性的影响。青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,工程作用加速了工程下部多年冻土退化,严重影响工程稳定性。青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的技术措施,但冻土工程仅能适应气候变暖1 ℃的情况。未来气候变暖1.5 ℃,青藏铁路冻土工程的补强措施需尽早谋划。     

多年冻土区单桩竖向承载力在短期异常气候作用下的响应分析

由于全球气温升高,导致多年冻土逐渐退化,严重影响上部构筑物的稳定性。尤其在日渐复杂的气候环境下,极端天气、气候的频繁发生,使得多年冻土区的地基承载力的变化更加复杂。以多年冻土区某高温、高含冰量地段为例,考虑太阳辐射、冻土相变、大气对流、气候变暖等因素,通过数值方法计算分析了某单桩竖向承载力在短期异常气候作用下的响应。结果表明：短期异常变暖气候对桩基承载力有降低作用,主要体现在降低桩土界面冻结强度,对冻结面积的大小基本没有影响,气候变暖对冻结强度影响时间长而且不可消除;升温幅度越高,承载力降低越强;极寒极暖交替期间,桩基的承载力随着外界气温波动,寒暖期交替过后对桩基承载力基本没有影响。     

东北北部多年冻土的退化现状及原因分析

在全球范围内,我国东北冻土区是受气候变暖和人为活动影响最显著的地区之一.近几十年来,区内冻土退化显著,大兴安岭多年冻土退化主要表现为多年冻土上限下降,温度升高,厚度减薄,融区扩大;多年冻土岛消失及多年冻土南界北移等几个方面.多年冻土退化的主要自然原因归结于气候变暖,特别是冬季变暖,降水和积雪时段和厚度等气候变化因素.以城镇化、重大工程建设为代表的人类活动,已对该区冻土和环境产生深刻影响,导致了多年冻土的快速、显著和大规模退化,但其影响机制的合理解释还需深入研究.     

基于地貌分类对祁连山大通河源区多年冻土地下冰储量估算

多年冻土地下冰作为一种特殊的存在形式, 对高原生态、 冻土环境以及冻土工程建设等都有深刻影响, 但是目前对于青藏高原地下冰储量的研究很少。以祁连山中东部大通河源区为例, 基于源区地貌分类、 冻土分布等研究, 利用源区多年冻土钻孔数据和公路地质勘测资料, 在水平和垂直两个方向上估算了多年冻土层地下冰储量。计算表明： 大通河源区多年冻土层2.5~10.0 m深度范围内地下冰总储量为（11.70±7.24） km³, 单位体积含冰量为（0.396±0.245） m³。其中冰缘作用丘陵和冰缘湖沼平原等地貌区含冰量较高, 而冰缘作用台地、 冲积洪积平原则含冰量较低。在垂向上多年冻土上限附近含冰量最高, 并随深度增大而缓慢减小。随着未来气候变暖、 多年冻土退化以及环境变化, 准确把握多年冻土区地下冰储量和分布特点对生态、 水文地质、 地质灾害预估、 冻土工程建设具有深远意义。     

黄河源区高寒植被主要特征初探

位于青藏高原东北部多年冻土与季节冻土交错带的黄河源区高寒生态环境及其变化一直备受关注. 气候变暖、冻土退化条件下,为了解黄河源区不同冻土区植被状况,在源区布设了4个场地：查拉坪（CLP,源区南部连续低温多年冻土区）;扎陵湖南岸（ZLH,源区中南部岛状多年冻土区）;麻多乡（MDX,源区西部的不连续多年冻土区）;鄂陵湖北岸（ELH,源区中北部季节冻土区）. 结合植被调查和场地监测,分析了源区各冻土区植被的差异. 结果显示：总体上低温多年冻土区植被盖度、多样性指数高,表现为连续多年冻土区（查拉坪）>不连续多年冻土区（麻多乡）>季节冻土区（鄂陵湖北岸）,其中岛状多年冻土区（扎陵湖南岸）例外,该场地平均盖度最低,多样性指数介于查拉坪和麻多乡之间,局部植被退化较严重. 均匀度指数均表现为扎陵湖南岸最高,查拉坪次之. 地上生物量调查结果显示：查拉坪>麻多乡>扎陵湖南岸>鄂陵湖北岸,且鄂陵湖北岸出现指示植被退化的植物. 尽管黄河源区高寒植被研究为理解冻土退化条件下的生态环境变化提供了一些基础数据,评估气候变化和冻土退化的生态和水文效应需要更系统的调查和监测研究.     

冻结层上水的分布及工程影响研究现状与展望

作为一种多年冻土区的特殊水文地质现象,冻结层上水（或多年冻土层上水）的分布受局地因素的控制,且随活动层的季节性冻融而变化,影响地表水和地下水循环以及多年冻土环境中的水热平衡。多年冻土将冻结层上水限制在一个狭窄的空间内,在暖季冻结层上水侧向和竖向的渗流传热将加剧多年冻土的退化,也会对上覆工程构筑物的稳定运营造成极大威胁。目前关于冻结层上水的研究主要集中在分布特征、变化规律、流量计算、渗流模拟、水热耦合等方面。研究发现：在全球升温背景下,多年冻土退化速率加剧,随着冻土厚度变薄和融区出现,冻结层上水的流量及其与地下水的交换量均发生变化,除了影响局地水文特征外,还与工程病害密切相关,如坡脚积水、路基沉降以及路面裂缝等。以区域分布特征为出发点,对冻结层上水的研究现状进行了归纳和总结,并对其工程影响有关的渗流传热理论研究成果进行了梳理,对今后需要进行深入研究的方向进行了展望。这有助于全面理解冻结层上水在冻土区水文过程中的功能,为相关研究提供了进一步的理论参考。     

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。     

青海高原中、 东部多年冻土及寒区环境退化

近年来, 随着全球气候变暖和人类社会经济活动的增强, 处于季节冻土向片状连续多年冻土过渡区的青海高原中、 东部多年冻土退化显著. 巴颜喀拉山南坡清水河地区岛状冻土分布南界向北萎缩5 km; 清水河、 黄河沿、 星星海南岸、 黑河沿岸、 花石峡等岛状冻土和不连续多年冻土出现融化夹层和不衔接多年冻土, 有些地区冻土岛和深埋藏多年冻土消失, 多年冻土上限下降、 季节冻结深度变浅; 片状连续多年冻土地温升高、 冻土厚度减薄. 1991-2010年巴颜喀拉山南北坡不连续多年冻土分布下界分别上升90 m和100 m, 1995-2010年布青山南北坡不连续多年冻土分布下界分别上升80 m和50 m. 造成冻土退化的主要原因为气候变暖, 使得地表年均温度由负变正, 冻结期缩短, 融化期延长, 冻/融指数比缩小. 伴随着冻土退化, 高寒环境也显著退化, 地下水位下降, 植被覆盖度降低, 高寒沼泽湿地和河湖萎缩, 土地荒漠化和沙漠化造成了地表覆被条件改变.     

黄河源区生态环境恶化的地质原因及发展演化趋势

黄河源区生态环境恶化的地质原因之一是现代地质作用增强．形成了以荒漠化为主的草地资源退化与下垫面改变．地区水一气一热平衡破坏;二是因冻土退化、萎缩．引起水环境变异．导致多层面与综合成因的生态环境恶化;三是人为及鼠类活动对源区生态环境恶化起着推波助澜的作用。     

长江源区高寒生态与气候变化对河流径流过程的影响分析

近40 a来长江源区气候变化剧烈,是青藏高原增温最为显著的地区之一,高寒生态系统与冻土环境不断退化.采用多因素逐次甄别方法与半经验理论方法相结合,基于多年冻土的不同植被覆盖降水-径流观测场观测试验结果,分析了长江源区气候-植被-冻土耦合系统中各要素变化对河川径流的不同影响.结果表明:近40 a来长江源区河川径流呈持续递减趋势,年均径流量减少了15.2%,频率>20%的径流量均显著减少,而>550 m³·s^-1的稀遇洪水流量发生频率增加;气候变化与高寒草甸覆盖变化对源区径流变化的影响较大,分别占5.8%和5.5%;气候与植被覆盖变化对径流的显著影响是与冻土耦合作用的结果,但冻土环境与冰川变化对径流的贡献尚不能准确评价.高寒沼泽湿地和高寒草甸生态系统对于源区河川径流的形成与稳定起到关键作用,这两类生态系统的显著退化是驱动河川径流过程中变差增大、降水-径流系数减少以及洪水频率增加的主要原因.保护源区高寒草甸与独特的高寒湿地生态,对于维护源区水涵养功能和流域水安全意义重大.     

黄河源区多年冻土热传导系数影响因素分析及其在活动层厚度模拟中的应用

多年冻土区融化层的热传导系数的大小决定了全球气候变化条件下, 多年冻土的响应强弱以及对周围环境的影响.在野外实测与实验室分析的基础上, 研究了黄河源区3种典型岩土的干容重、含水率和温度对导热系数的影响,通过建立起回归方程, 运用Stephen公式近似计算了2002年源区最大冻结和融化深度的分布.结果表明: 黄河源区三种典型岩土的导热系数从小到大依次为腐殖土、碎石亚黏土、细沙;干容重和含水率与导热系数具有较好的正相关关系, 是影响导热系数的主要因素, 在较小的温度变化范围内, 温度对导热系数的影响不明显. 基于实测的导热系数分布模拟得到的最大融化深度在地势较低的黄河干流及"两湖"地区要大于南北高山区, 最大冻结深度的变化规律则相反, 除北部小部分地区最大冻结深度大于最大融化深度外, 源区绝大部分地区活动层处于增厚状态.结果将有助于多年冻土的变化及环境效应的研究.     

Evolution of the freeze-thaw cycles in the source region of the Yellow River under the influence of climate change and its hydrological effects

As an important water source and ecological barrier in the Yellow River Basin, the source region of the Yellow River (above the Huangheyan Hydrologic Station) presents a remarkable permafrost degradation trend due to climate change. Therefore, scientific understanding the effects of permafrost degradation on runoff variations is of great significance for the water resource and ecological protection in the Yellow River Basin. In this paper, we studied the mechanism and extent of the effect of degrading permafrost on surface flow in the source region of the Yellow River based on the monitoring data of temperature and moisture content of permafrost in 2013–2019 and the runoff data in 1960–2019. The following results have been found. From 2013 to 2019, the geotemperature of the monitoring sections at depths of 0–2.4 m increased by 0.16°C/a on average. With an increase in the thawing depth of the permafrost, the underground water storage space also increased, and the depth of water level above the frozen layer at the monitoring points decreased from above 1.2 m to 1.2–2 m. 64.7% of the average multiyear groundwater was recharged by runoff, in which meltwater from the permafrost accounted for 10.3%. Compared to 1960-1965, the runoff depth in the surface thawing period (from May to October) and the freezing period (from November to April) decreased by 1.5 mm and 1.2 mm, respectively during 1992–1997, accounting for 4.2% and 3.4% of the average annual runoff depth, respectively. Most specifically, the decrease in the runoff depth was primarily reflected in the decreased runoff from August to December. The permafrost degradation affects the runoff within a year by changing the runoff generation, concentration characteristics and the melt water quantity from permafrost, decreasing the runoff at the later stage of the permafrost thawing. However, the permafrost degradation has limited impacts on annual runoff and does not dominate the runoff changes in the source region of the Yellow River in the longterm.     

Analysis of groundwater flow through low-latitude alpine permafrost by model simulation: a case study in the headwater area of Yellow River on the Qinghai-Tibet Plateau,China

Warming climate and thawing permafrost have profound impacts on groundwater flow regimes in cold regions because of the shrinkage or disappearance of the confining unit formed by the permafrost layers and improving hydraulic connections. Numerical simulations of coupled groundwater flow and heat transfer are often used to characterize the changing permafrost hydrogeology. In this study, a number of scenarios for different hydraulic gradients and lake-water depths have been used to simulate the concordant permafrost evolution and groundwater movement using a two-dimensional cylindrical coordinate model at time scales of decades to centuries in response to a warming climate. The model is applied to a representative headwater catchment in the south-central headwater area of the Yellow River on the northeastern Qinghai-Tibet Plateau, China. The results show that the presence and movement of groundwater and the deeper subpermafrost aquifer can substantially accelerate permafrost degradation, and the disappearance of residual permafrost at depth can result in the sudden establishment of deep groundwater flow paths. All hydrological impacts will become evident after the stabilization of the hydrothermal and flow fields at 100–200 years. The stable discharge rate of groundwater flow varies from 8.0 to 12.4 m³ s⁻¹, and the stable velocity of groundwater flow varies from 1.6 × 10⁻⁷ to 4.4 × 10⁻⁷ m s⁻¹ under different scenarios within the model domain. The modeling results also demonstrate that flow velocity and discharge rate in local groundwater flow systems can be enhanced by an increased hydraulic conductivity, leading to an accelerated degradation of isolated permafrost bodies.

     

黄河源区多年冻土退化及其环境反映

基于黄河源区多年冻土退化引起的生态环境地质问题与效应的实际资料, 明确了多年冻土的生态环境功能和多年冻土退化引起的危害. 提出多年冻土退化使赋存于高寒草地和维系高寒草地生长发育的多年冻土表部的冻结层地下水水位持续下降或消失, 从而引发和加剧了高寒草地的"三化"(草地退化、沙漠化和盐渍化)和水环境变异, 是导致黄河源区占主导地位的高寒草甸失水向沙漠化草地和"黑土滩"型次生裸地退化的主要地质原因.     

青藏高原多年冻土区地下水及其变化

青藏高原的高海拔多年冻土的分布格局及其动态变化、季节冻结融化作用与地下水的补给、径流和排泄关系密切,对各种尺度的水文地质环境具有控制或重要影响。作为一个隔水层或弱透水层,冻土层在地下水形成、演化、运移和水动力过程方面具有抑制作用,从而对地下水的分布、动态和水循环产生重要影响。而且,冻土可通过其中的水分迁移、冰分凝和地下冰结构重组等方式,形成和改变地下冰储量及地下水动静储量,调节水文地质循环。气候变暖显著和人类活动日益增加,冻土退化显著,已经普遍影响到了高原冻土生态水文地质环境,并引发了一系列水文（地质）、生态和环境问题,亟待系统、长期和细致的观测、试验和模型研究。     

中国冻土地下水研究现状与进展综述

冻土地下水系统不仅在寒区水文循环中扮演着重要的角色,同时也在寒区水文过程和地表过程及其科学研究中起到了集蓄、融冻和泄流等至关重要的作用。近几十年随着全球气候变暖及人类活动（寒区工程量）的增加,冻土退化趋势显著,这一过程改变了寒区的水文地质条件,导致地下水动态特征发生显著变化,从而引起一系列的生态环境变化。近些年,诸多学者通过构建水热耦合模型来研究冻土地下水的运动机理、分布状况和季节动态,促进了寒区地下水理论知识的发展,推动了寒区水文地质知识体系的进步。本文主要针对目前我国多年冻土区地下水的研究现状进行了分析、整理、归纳,为进一步研究气候变化下地下水系统的发展与演变,以及对生态环境的影响提供参考依据。     

Review: Progress in permafrost hydrogeology in China

Groundwater in China’s permafrost region is vital for humans and cold-climate ecosystems. Permafrost responses to global warming have significantly changed the spatio-temporal patterns and distribution of properties associated with the groundwater system. The main areas of current and past studies on permafrost hydrogeology in China include four aspects: groundwater distribution and dynamics in permafrost regions, interplay between groundwater and permafrost, the impact of permafrost degradation on groundwater, and the regional effect of groundwater changes on the environment in permafrost regions. Over the last 10 years, the development and use of coupled heat-transport and groundwater models have focused on the hydrogeology of permafrost, and on groundwater development and distribution in permafrost regions. Progress in groundwater-related research on issues surrounding permafrost regions of China are comprehensively summarized and discussed in this review paper, which should provide a theoretical basis for further study of the groundwater system and its effects on the ecological environment under climate change.     

黄河源区径流长期演变特征与趋势预测模型研究

利用小波分析方法对黄河源区径流数据系列的多尺度变化特征、突变点及变化趋势进行了分析.结果表明:黄河源区年径流量具有8a、15a、22a和36a左右的变化周期,其中8a、36a左右的周期变化最为显著.这些周期变化表明,2007年后流量将呈增加的趋势;1928、1982年和1985年是径流变化趋势重要的转变点.在小波分解的基础上,基于BP神经网络模型构建了黄河源区年径流量的长期动态预报模型,利用该模型对未来10a的流量变化进行了预测,并对其预报结果进行了分析.