高海拔多年冻土区路基工程行为对低温多年冻土长期影响的监测研究

青藏铁路路基创造性采用了主动冷却路基的设计理念修建而成,目前铁路已经安全运营超过10年。青藏铁路路基修筑在多年冻土之上,路基下部冻土温度变化是衡量路基是否稳定的关键因素。基于长期（2008—2019年）地温观测资料,对昆仑山垭口南坡青藏铁路K980+000低温多年冻土区块石路基坡脚至坡脚外30 m范围内的冻土上限变化、年际地温变化、季节性地温变化进行分析,研究了路基工程行为对低温多年冻土的长期影响机制。结果表明：冻土地温不断升高,冻土上限逐年下移;与天然孔比较,路基坡脚处地温增温幅度反而较小,主要可能受块石路基冷却效应的影响;冷季与暖季呈现出不对称的增温趋势。冻土路基普遍增温的趋势仍然存在,出于对多年冻土的保护与保证工程稳定性的考虑,应尽量采用冷却路基的思想修建路基。同时,应加强对路基的监测,分析长期增温过程后路基稳定性变化,并对路基下部冻土的变化做出定量研究。     

泛北极多年冻土及重大线性工程稳定性状况

泛北极是中国“一带一路”倡议的主要合作示范区域,已有的重大线性工程及新的基础设施建设均面临着与多年冻土相关的冻融灾害及工程病害问题。在全球气候变暖及人类活动增强的背景下,泛北极多年冻土主要呈现地温升高、活动层厚度增加趋势,且低温多年冻土地温升高更加明显,20世纪70年代以来年平均地温(MAGT)升温最高可达3℃;自北向南多年冻土活动层厚度增加,且增厚趋势趋于明显,在俄蒙边境地区活动层厚度增速为3~5 cm·年-1。多年冻土退化诱发系列与热喀斯特过程相关的地质灾害,主要包括热喀斯特滑坡与热喀斯特湖,且灾害数量急剧增加,如加拿大Banks Island地区1984~2015年热喀斯特滑坡数量增加了约60倍。在多年冻土退化、热稳定性降低的背景下,泛北极铁路、公路和管道等重大线性工程出现了沉陷、裂缝等不同类型、不同程度的病害,整体上多年冻土区道路工程病害率大于30%。热融灾害及工程病害的发育均与气候及岩土、冻土条件相关,但工程病害还与工程运营期限、工程结构形式密切关联。对比泛北极道路、管道等线性工程状况及其与工程结构的关系,以及病害特征和防治措施效果,表明基于保护冻土的“主动冷却”设计原则依然是多年冻土区工程设计的主导思想。     

线性参照系在城市交通事故发布系统中的作用及应用

针对城市交通部门事故管理系统中存在道路数据不独立以及发布的事故信息易读性差导致应急部队无法准确定位事故地点进行救援的问题,基于公路的线性特征,结合GIS对地理数据的多样操作功能,提出路段名+特征参考点的一维定位表达方法。将线性参照系理论应用到以综合车道为公路模型的空间数据管理模式中,建立基于线性参照系的城市公路事故信息发布系统,实现二维坐标向一维坐标转换、降低数据冗余、实现事故地点的快速定位以及对定位的事故信息进行发布。     

多年冻土区活动层土壤水分对不同高寒生态系统的响应

土地覆被变化对土壤水分的影响是生态水文学和流域水文学研究的关键问题,基于长江源典型多年冻土区不同高寒草地土壤水分的观测,结合降水、生物量（包括地上和地下）和土壤理化性质,研究了活动层土壤水分变化对不同高寒生态系统的响应. 结果表明：高寒草甸生物量、土壤养分含量均比高寒草原高,且对降水响应更为强烈,致使高寒草甸土壤水分变异性弱于高寒草原. 在土壤完全融化阶段,高寒草甸土壤活动层存在一个低含水层（50 cm左右）和两个相对高含水层（20 cm和120 cm）,但高寒草原土壤水分在活动层剖面上有随深度逐渐增大的一致性趋势;在秋季冻结过程中,高寒草甸土冻结起始日滞后于高寒草原土3~15 d;在春季融化阶段,高寒草原土更高的含冰量需要更多的融化潜热. 此外,表层土壤中（0~20 cm）,高寒草甸土比高寒草原土有更大的持水特性,而在活动层中下部则呈现完全相反的结果,不同高寒生态系统的演替改变了土壤的水热迁移过程.     

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。     

青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应研究

结合国际冻土研究的热点问题和青藏高原脆弱生态环境可持续发展的需求,针对多年冻土退化过程中趋于加剧的热喀斯特现象,及其因融穿冻土、造成区域地下水位的改变而诱发的生态环境影响,在国家自然科学基金重点项目支持下开展"青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应"研究。项目主要通过遥感分析及野外调查,分析气候变化和工程活动影响下的青藏工程走廊内热喀斯湖时空分布规律,评价其生态环境效应;选取热喀斯湖广泛发育区域,调查其发育条件、规模和几何分布特点,揭示典型热喀斯特湖影响因素变化、水热状况等,通过水文学、同位素示踪试验等阐明热喀斯特湖与地下水之间的转换关系;结合抽水疏干试验进行热喀斯特湖对区域地下水位影响分析,并通过数值模型及模拟,依热喀斯特湖发育不同阶段、规模,分析其对区域冻土、水文条件及生态环境的影响。研究成果将有助于区域性冻土生态环境演化准确评价及趋势预测,以及深入理解诸如江河源多年冻土区水文状况演化影响因素,及其相应的生态环境响应机制。     

青藏工程走廊热融湖塘水理化特性分析

为查明青藏工程走廊热融湖塘水理化特性及其理化特性与湖塘分布之间的关系,选取青藏工程走廊楚玛尔河至风火山段为研究区域,沿青藏公路从北向南依次选取19个热融湖塘进行水深、面积等几何特征调研并取水样,进行阴阳离子等理化参数测定。分析了热融湖塘水的理化特性,并结合调研资料探讨了热融湖塘理化特性与区域环境及湖塘分布之间的相关性。结果表明在3个研究亚区湖的水理化特性有较大差别,楚玛尔河高平原从北向南湖水矿化度逐渐升高,水质由淡水向咸水再到强咸水过渡,主要与该区域"碟"状湖的分布特征和寒旱多风及蒸发量大有关;可可西里山区和北麓河盆地的湖水矿化度较低,水质以弱咸水或淡水为主。这两个亚区湖较深,地形以丘陵盆地为主,降低了湖面的蒸发量。     

基于低温氮气吸附和高压压汞表征潜江凹陷盐间页岩油储层孔隙结构特征

为了更全面地表征潜江凹陷潜江组页岩油储层孔隙结构特征,系统选取了距物源不同距离的A井和B井多块页岩样品进行了分析测试,通过场发射扫描电镜、低温氮气吸附和高压压汞实验综合分析了页岩孔隙结构特征;通过对比抽提前后场发射扫描电镜图像、低温氮气吸附和高压压汞实验数据,进一步研究了页岩中滞留烃的赋存空间特征;通过对典型页岩样品的二次压汞实验,探讨了页岩中连通孔隙的孔径分布特征。结果显示:潜江凹陷潜江组页岩油储层孔隙大小为纳米-微米级,孔径2~180 nm的黏土矿物层间孔和白云石晶间孔是该区发育最主要的两种孔隙类型;A井页岩中的滞留烃主要赋存在孔径2~20 nm的黏土矿物层间孔中,滞留烃含量较低,连通孔径主要集中在3~15 nm范围内,B井页岩中的滞留烃赋存在孔径8~100 nm的白云石晶间孔中,滞留烃含量多,连通孔径主要分布在10~130 nm范围内;白云石和黏土矿物的存在都有利于页岩储层储集空间的发育,但远离物源的生物成因的白云石更有利于滞留烃的赋存和可动性。研究成果可以为潜江凹陷页岩油的勘探和开发提供一定的理论支撑。      

青藏高原工程走廊冻土分布模型及其变化趋势

青藏高原工程走廊多年冻土是地气系统相互作用的产物,气候环境决定了其分布的宏观格局,但局地因素如坡向等,在一定条件下,对小区域多年冻土的影响往往会超过大气候背景。通过Pearson相关性分析,选取了对青藏高原工程走廊多年冻土分布影响较大、在GIS技术支持下较容易量化的坡向,结合区域内29个钻孔点的长期地温监测数据,建立了年平均地温与高程、纬度及坡向之间的多元线性模型。根据青藏高原冻土工程地温分带指标,制作出了走廊内符合实际的冻土分布图。运用随气候变化的响应模型,预测了走廊内50 a后多年冻土将发生较大的变化:1.低温稳定区、低温基本稳定区的空间分布面积逐渐减小,分布界线向高海拔迁移;2.高温不稳定区较大范围地向高温极不稳定区转化;3.高温极不稳定区将处于长期的退化过程。     

考虑局地因素坡向影响的青藏高原工程走廊冻土分布与制图研究

通过Pearson相关性分析,选取对青藏高原工程走廊多年冻土分布影响较大、在GIS技术支持下较容易量化的坡向因子,结合走廊内2000—2010年29个钻孔点的地温监测数据,建立了年均地温与坡向、纬度和高程的关系模型。根据高原冻土工程地温分带指标,制作了工程走廊内符合实际的冻土分布图,由面积统计结果知:多年冻土区占整个区域的94.06%,其中,低温稳定带占多年冻土区面积的15.94%,主要分布在风火山和可可西里的高山基岩区;低温基本稳定带占16.97%,主要分布在风火山及可可西里丘陵地带;高温不稳定带占48%,主要分布于可可西里和北麓河盆地东缘;高温极不稳地带占19.09%,主要分布于北麓河盆地和楚玛尔河高平原。