青藏铁路沿线多年冻土分布特征及其对环境变化的响应

针对青藏高原特殊的自然气候条件,按照地形、地貌把青藏铁路沿线多年冻土分为15个区段,并分别介绍了各个区段多年冻土特征. 结果表明：在外界环境变化,包括全球气候变暖及工程活动的双重效应下,青藏铁路沿线多年冻土及其存在状态发生了极大变化,这些变化主要包括年平均气温升高、多年冻土退化、热融灾害增加、寒区工程病害不断加剧等. 多年冻土及其存在状态发生变化不但导致生态环境恶化,而且对青藏铁路沿寒区工程的安全运营、维护及发展提出新的挑战.     

局地因素对青藏公路沿线多年冻土区地温影响分析

气候是多年冻土形成与变化的动力,局地因素则通过改变地表辐射、对流和传导过程对多年冻土产生影响,导致多年冻土发生空间分异.应用青藏公路沿线大量的观测资料分析了局地因素对多年冻土区地温所产生的影响.结果表明:地形地貌、植被、积雪、土壤性质及含水量等局地因素,对青藏公路沿线地区多年冻土的发育和多年冻土热状况有显著影响.局地因...     

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...     

多年冻土区热融湖研究现状与展望

热融湖是多年冻土区地下冰融化形成的典型地貌单元,热融湖及其变化对多年冻土热状态、水文过程、生态环境、冻土工程稳定性等有着重要的影响. 热融湖还是重要的温室气体源,与全球气候系统存在着复杂而显著的互馈过程,是气候与环境变化的指示器. 因此,开展热融湖的相关研究是近年来冻土学研究的热点之一. 通过文献综述,从以下方面评述了热融湖研究的现状与进展：1) 热融湖形态特征及其演化过程;2) 热融湖热状况及其热效应研究;3) 热融湖和多年冻土区土壤-植被生态系统的相互作用研究;4) 热融湖对大气中温室气体的贡献. 最后,讨论了该领域目前面临的主要问题,提出了应在热融湖演化的基础理论、动态变化过程的预测、热融湖的冻土水文效应、区域尺度热融湖与冻土、生态、水文和气候耦合过程的综合等方面进一步开展研究,为定量预测和评价冻土区热融湖环境工程效应,应发展不同尺度的计算模型.     

热反射技术及其在多年冻土区道路热保护中的应用

热反射技术是一项被广泛应用于建筑物及道路表面降温的主动冷却技术, 国内外很少对此技术在多年冻土区道路热保护方面进行研究。针对多年冻土区气候及工程环境特点, 综述了热反射技术在冻土区道路中的应用现状和研究成果, 阐述了热反射涂层的基本成分、 反射机理和测试方法, 分析了路用热反射涂层的材料性能、 反射效果和路用性能, 简要介绍了热反射涂层在路基边坡应用方面的研究进展。指出在当前条件下利用热反射涂层保护多年冻土区道路所遇到的问题及可行的解决方案, 并在此基础上提出了今后研究的重点： 从材料选择、 理论分析和试验方法入手, 对路用热反射涂层的颜色、 反射性能、 路用性能和区域适用性进行改进和研究, 加强多年冻土区道路热反射涂层的野外试验和分析, 深入研究复杂气候和工程环境下的热反射涂层性能。     

宽幅沥青路面热效应对其下部土体热状态的影响

在多年冻土区,道路工程建设会引起下伏冻土吸热融化,进而威胁上部工程稳定性,这一冻土问题是多年冻土区工程建设面对的重要问题.对于青藏高速公路而言,由于铺设高吸热性的沥青路面和路基幅面增宽引起的尺度效应,路基吸热量较普通路基将大幅增加,使得其冻土问题更为突出.基于此,利用数值仿真手段,考虑全球气候变暖背景,对宽幅路基修建完成后20 a的热状况进行预测研究和比较分析,阐明了宽幅面沥青路面热效应对下部土体热状态的影响及其与路基边坡水平热效应的综合贡献,比较分析了全幅修建和分幅修建条件下下伏冻土热状态的异同. 研究成果将为多年冻土区高速公路的路基稳定性研究和建设模式等提供基础理论指导.     

多年冻土地区公路路基纵向裂缝与路基走向关系的探讨

纵向裂缝是在多年冻土地区公路的主要病害之一,严重影响了所在路段的行车安全和正常运营.以前我国多年冻土区公路路基普遍不高,纵向裂缝病害较少且危害较小,公路设计和科研对其关注较少.目前,对纵向裂缝的形成机理与分布规律研究较少,对其发生、发展的机制、过程和影响因素缺乏深入的认识,工程和科研人员对其仍未形成统一的认识,给工程整治措施选择和处治方案制定造成很大困难.热状况是影响和控制多年冻土路基,特别是高温高含冰量冻土路基病害发生的关键因素;太阳辐射是影响多年冻土地区地表热状况的主要因素,公路路基抬高后,路基两侧接受太阳辐射的差异变大,冻土路基表面热状况和太阳辐射对路基病害的发生和发展影响变大.结合青藏公路多年冻土区路段纵向裂缝调查结果,分析了路基纵向裂缝在路基横断面上的分布规律,研究了不同走向路基表面太阳辐射的分布,探讨了多年冻土区公路路基纵向裂缝与路基走向的关系,以及太阳辐射对公路纵向裂缝形成的影响     

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.     

探地雷达在黑龙江漠河县城区冻土勘测中的应用

在气候变暖影响下, 多年冻土对人类活动的响应更加敏感, 以至加速退化. 冻土退化后带来的生态环境和工程建筑热稳定性问题也会更加明显. 以黑龙江省漠河县城区为例, 结合钻孔资料和温度监测数据, 应用探地雷达对城区中心以及周边的多年冻土分布特征进行了探测, 研究分析了城市化对多年冻土的热影响. 结果表明: 雷达波在漠河城区地层的传播速度为0.07~0.08 m·ns^-1, 探地雷达结果与钻孔、温度监测资料相一致, 能够较准确的确定融化深度、冻土类型、地层结构. 城区对冻土退化影响较大, 城区中心冻土退化严重, 探测范围(0~10 m)内无冻土存在; 城郊周围沼泽化湿地下部普遍发育含冰量较高的多年冻土, 人为扰动影响较小, 冻土上限较浅, 冻土热状况相对稳定. 随着漠河城区逐渐扩张, 拟建或在建市政工程大多将修建在城郊周围沼泽化湿地上, 人为活动不断增加势必会加速多年冻土退化, 但其长期热影响范围和程度还需深入研究.     

青藏铁路北麓河地区典型热融湖变化特征及其对冻土热状况的影响

在全球气候变暖、青藏高原平均气温升高的大背景下,多年冻土区热融湖的发育及其对冻土热状况的影响日益显著.以北麓河地区的一典型热融湖为例,通过对湖岸坍塌及年地温变化等进行监测分析.结果表明:目前该热融湖湖岸逐年坍塌,坍塌主要发生在靠近铁路一侧厚层地下冰发育区域,年平均坍塌宽度大约为0.5m,湖心下原约83.0m多年冻土已全部融化.根据210Pb测年,估算该热融湖形成于约890aBP前.在热融湖的影响下,湖心至路基坡脚天然孔之间多年冻土上限深度及多年冻土厚度均发生了很大变化,湖近岸多年冻土上限深度比路基坡脚天然孔多年冻土上限深约0.65m,湖边多年冻土厚度也比路基坡脚天然孔多年冻土厚度薄约60m;湖心至路基坡脚天然孔之间土层在水平方向形成明显的地温差异,在相同深度,湖心下土层地温年平均值比天然孔地温年平均值高5.0℃左右.热融湖作为热量的载体,以二维热传导方式将热量向其周围传递,导致附近多年冻土温度升高,热稳定性降低.     

Stefan方程在土壤冻融过程模拟中的应用

多年冻土与大气间的相互作用主要是通过活动层中的水热动态变化过程而实现。气候变化背景下的多年冻土活动层冻融过程模拟、多年冻土厚度制图和变化预测是研究冻土区生态环境、水文、工程以及碳循环的基础。根据国内外研究进展,总结了不同修正形式的Stefan方程在多年冻土活动层冻融过程和活动层厚度模拟中的应用进展,对将Stefan方程应用到分层堆积土壤中的不同算法进行了简要介绍,并指出了其在应用过程中存在的问题。Stefan方程首次将地表（或者大气）温度的变化与冰层（或者土层）的冻结融化过程以简单公式的形式联系起来,极大地简化了土壤冻结融化过程的分析计算。由于其输入参数少、形式简单、模拟效果可靠,成为常用模拟土壤冻融过程的方法之一,将其耦合到气候模型、陆面模型和水文模型中的研究也越来越多。Stefan方程最初在研究北极地区湖冰形成过程时提出,在应用到冻土学中后,不同学者在考虑土壤含水量、不同下垫面地气温差、地形和降水等因素后对方程进行了改进,并有多种算法试图将这一方程应用到非均质土壤中,取得了较好的模拟效果。但是,Stefan方程在国内的应用更多地用于简单模拟均质土壤多年冻土活动层厚度的空间分布状况,其应用到非均质土壤中的研究却较少。因此,未来需更深入研究Stefan方程模拟分层土壤的冻融过程,为准确掌握多年冻土对气候变化的响应研究提供最基本的方法。     

青藏高原热喀斯特湖演化及其对多年冻土的热影响模型计算研究北大核心CSCD

青藏高原热喀斯特湖分布广泛,近年来在气候变暖背景下快速发展。热喀斯特湖的形成和发展与地下冰含量及气候变化有着密切关系,强烈影响多年冻土的热稳定性。为了更深入理解在气候变暖背景下热喀斯特湖的发展及其对下伏多年冻土的影响,以青藏高原北麓河地区一个典型热喀斯特湖的长期监测数据为资料,发展了耦合大气—湖塘—冻土三个过程要素的一维热传导模型,模拟了四种不同深度热喀斯特湖在气候变暖背景下的发展规律及其对多年冻土的热影响。结果表明:浅湖(<1.0m)在目前稳定气候背景下处于较稳定状态,湖冰能够回冻至湖底,对下伏多年冻土影响较小;较深湖塘(≥1.0m)冬季不能回冻至湖底,湖深不断增加,且底部在50年内将会形成不同深度的融区。随着气候变暖,热喀斯特湖的热效应显著,深度快速增加,较深湖塘的最大湖冰厚度减小,底部多年冻土快速融化形成开放融区。研究将有助于理解气候变化对青藏高原多年冻土区地貌演化及水文过程的影响。     

Long-term thermal stability study of the typical embankment along the Qinghai-Tibet Railway in warm permafrost regions北大核心CSCD

Using the long-term ground temperature monitoring data of the permafrost zone along the Qinghai-Tibet Railway from 2006 to 2020,three types of typical roadbed structures were analyzed. Traditional embankment（TE）,U-shaped crushed rock embankment（UCRE）and crushed rock revetment embankment（CRRE）were included the three types of typical roadbed,which were selected to the long-term monitoring sections within the warm permafrost zones. The evolution of ground temperature field,mean annual ground temperature （MAGT）and annual maximum ground temperature（AMGT）in the depth range of 20 m under the embankment were analyzed and studied since 15 years of operation. The monitoring and analysis results show that：the growth rate of MAGT under the left and right shoulders of the TE is always higher than that of the same depth in the natural site. The MAGT under the UCRE is always lower than the natural site and always maintains a certain difference,whereas,the difference in ground temperature under the left and right shoulders is also not negligible. The MAGT of the left shoulder in the CRRE is not much different from that of the natural hole,while the MAGT of the right shoulder is always lower than that of the natural hole,and the differ in ground temperature between the left and right shoulders is smaller than that of the UCRE. The artificial permafrost table（APT）under the TE is always lower than that of in the natural site. Both the UCRE and CRRE,the APT in the left and right shoulders of them has been elevated into the embankment,and the differ of APT between the left and right shoulders is about 1. 0~1. 5 m. the differ of APT between the left and right shoulders in the CRRE is slightly lower than that of UCRE. Overall,because of the influence of thermal disturbance about engineering and climate warming,the TE in the warm permafrost zones cannot keep the thermal stability of permafrost under the embankment. Some active-cooling and reinforcement measures need to be taken. Both of the UCRE and CRRE,have a certain active-cooling effect on the permafrost under embankment,but the differ in ground temperature between the left and right shoulders still needs to be taken seriously. © 2022 Science Press (China).     

长江上游沱沱河源区多年冻土发育特征

沱沱河流域是长江的发源地之一,其广泛分布的多年冻土对长江源区的产汇流过程、生态系统乃至于区域气候都有着重要影响,对该区域多年冻土分布和特征的调查和了解,可为研究江河源区多年冻土与气候、水文、生态的相互作用关系提供基础数据支撑。2020年10—11月,研究团队对沱沱河源区的多年冻土开展了为期50天的野外调查工作,并在不同下垫面类型、不同地貌部位和不同海拔高度共布设钻孔32个,总钻进深度1 200 m。该文是基于钻孔和探坑资料对沱沱河源区多年冻土特征和地下冰发育状况的初步总结。结果显示,沱沱河源区多年冻土在一定程度上受河流和地热影响形成了局部融区,其多年冻土下界大致在4 650~4 680 m之间;钻孔揭示的多年冻土上限平均埋藏深度为（2.47±0.98） m,部分地区存在融化夹层;受浅表层沉积物岩性和地热的影响,多年冻土下限埋藏深度相对较浅,平均为19.3 m,多年冻土相对较薄,平均厚度为15.0 m;多年冻土下限深度和多年冻土的厚度最大为75.0 m和72.7 m;地形地貌、沉积物特征和地热条件是影响多年冻土厚度存在较大空间差异的主要原因。研究区内地下冰主要分布于15.0 m深度以上范围内,同时也发现了处于萎缩状态的冰核丘与石质冻胀丘,这些现象也一定程度上与该研究区多年冻土退化过程有关。     

基于GWRRK的多年冻土地温空间分布模拟研究

研究冻土地温空间分布,有助于探索冻土活动层厚度的变化特征,为冻土灾害防治提供科学依据。以青藏铁路昆仑山至尺曲谷地段多年冻土覆盖区域为研究区域,采用地理加权岭回归克里金（GWRRK）方法对该区域2001年7月至9月的地温空间分布进行了模拟,揭示了该区域多年冻土融化深度的变化特征。结果表明：研究区域内多年冻土地温总体表现为山区地温低于平原和盆地地区地温;地温随深度的增加而降低,在0~5 m的深度区间内温度变化较大,平均温差为10.3 ℃,而在5~15 m的深度区间内基本保持不变,平均温差仅0.2 ℃。通过将GWRRK方法与具有外部漂移克里金（KED）方法和地理加权岭回归（GWRR）方法的模拟效果进行对比,发现前者的模拟精度优于后两种方法。     

Thermal hazards zonation and permafrost change over the Qinghai–Tibet Plateau

The Qinghai–Tibet Plateau is the largest permafrost region at low latitude in the world. Climate warming may lead to permafrost temperature rise, ground ice thawing and permafrost degradation, thus inducing thermal hazards. In this paper, the ARCGIS method is used to calculate the changes of ground ice content and active layer thickness under different climate scenarios on the Qinghai–Tibet Plateau, in the coming decades, thus providing the basis for hazards zonation. The method proposed by Nelson in 2002 was used for hazards zonation after revision, which was based on the changes of active layer thickness and ground ice content. The study shows that permafrost exhibits different degrees of degradation in the different climate scenarios. The thawing of ground ice and the change from low-temperature to high-temperature permafrost were the main permafrost degradation modes. This process, accompanied with thinning permafrost, increases the active layer thickness and the northward movement of the permafrost southern boundary. By 2099, the permafrost area decreases by 46.2, 16.01 and 8.5% under scenarios A2, A1B and B1, respectively. The greatest danger zones are located mainly to the south of the West Kunlun Mountains, the middle of the Qingnan Valley, the southern piedmont of the Gangdise and Nyainqentanglha Mountains and some regions in the southern piedmont of the Himalayas. The Qinghai–Tibet Plateau permafrost region is in the low-risk category. Climate warming exacerbates the development of thermal hazards. In 2099, the permafrost region is mainly in the middle-risk category, and only a small portion is in the low-risk category.     

大兴安岭东坡新林林区冻土变化特征

大兴安岭处于欧亚大陆多年冻土带南缘, 其多年冻土形成、 发展和保存更多受制于植被、 水分等局地因子的影响。采用钻探、 探地雷达和冻土温度长期监测等手段研究发现, 放牧活动会影响大兴安岭东坡新林林区活动层厚度, 放牧活动比较强烈的地段, 活动层可达2.5 m, 放牧区边缘至未放牧区域, 活动层缩减至1.5 m。塔头2013年11月2.0 m处的地温仍然在0 ℃以上（0.04 ℃）, 当放牧行为终止及加漠公路改道后, 2.0 m处的温度开始逐渐恢复, 温度由-0.12 ℃降到-0.69 ℃, 1.5 m处的温度则由0.17 ℃降到-0.42 ℃, 2018年底塔头的活动层厚度已经小于1.5 m。从地表植被类型上看, 松树林、 塔头和灌丛的活动层多年平均厚度分别为0.8 m、 1.3 m和0.7 m, 近地表0.5 m处的年平均地温为0.07 ℃、 0.52 ℃和0.22 ℃, 年变化深度处（11 m）的年均温度为-1.34 ℃, -0.98 ℃和-2.19 ℃。从地温曲线类型上看, 灌丛下的多年冻土比较稳定, 地温曲线属于正梯度型。松树林和塔头下的冻土温度比较复杂, 松树林地温曲线为偏负梯度型-零梯度型-偏正梯度型, 塔头为负梯度型-扭曲型。在地表植被类型和人类活动的共同影响下, 研究区多年冻土经历了地表干扰开始退化、 干扰消除不再退化以及慢慢恢复的过程。     

边界条件对多年冻土路基热稳定性的影响分析

多年冻土区的年平均气温是影响冻土路基边界条件的重要因素. 在附面层原理的基础上,考虑采用带有相变的控制方程和数值方法,以相同尺度的路基模型为前提,选取不同的年平均气温为影响因素,对青藏工程走廊公路路基的人为冻土上限和年平均地温进行了研究. 结果表明：公路路基下年平均地温随着年平均气温的升高而升高,人为冻土上限随着年平均气温的升高而显著下降. 在年平均气温为-7.16 ℃时,路基修筑50 a后其年平均地温为-3.61 ℃,其人为冻土上限为-0.97 m;年平均气温为-3.21 ℃的条件下,路基修筑50 a后其年平均地温仅为-0.1 ℃,其人为冻土上限也降至-13.11 m. 因此,可以看出：在未来气候持续变暖的背景下,现有处于稳定状态的冻土路基将逐渐变得不稳定.     

东北地区地温和冻结深度时空特征的细化分析

根据东北地区144个国家气象站1951—2016年的地温和土壤冻结深度资料,采用实测资料统计及统计建模推算的方法,对东北地区地温和冻结深度时空特征进行了细化分析。结果表明：东北地区地温整体由南到北逐渐降低,冻结深度逐渐增大。各层年平均地温呈向北2个纬度降低1 ℃左右,年平均最大冻结深度为向北2~3个纬度加深30 cm左右,极端最大冻结深度为向北2个纬度加深30 cm左右。地温和冻结深度与纬度关系显著,与经度和海拔也有一定相关性,但在东北北部的多年冻土区基本不受后两者影响。不同深度的地温季节特征不同,地表温度季节特征与气温一致,160 cm以下深度四季温度从高到低为秋、夏、冬、春。地表夏季与冬季温差达到33.5 ℃,而320 cm深处最热季与最冷季的温差仅为7 ℃。气候变暖使得东北地区各层地温升高、冻结深度减小、冻结期缩短,尤其在多年冻土区及其临近的高纬度季节冻土区更为显著。相对于下层土壤,地表升温最大。伊春地表升温趋势达到1.16 ℃?（10a）^-1,40~320 cm土层升温趋势为0.60 ℃?（10a）^-1左右,冻结深度减小、冻结期缩短趋势分别达到 23 cm?（10a）^-1、8 d?（10a）^-1,大幅升温不利于多年冻土的存在。     

青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律

青藏铁路通过约550km的多年冻土区,统计和分析青藏高原多年冻土分布区主要气象台站的资料可以看出,近30a来高原多年冻土区的气候变化总的趋势是向着气温升高的方向发展的,气温的变化对多年冻土热状态的扰动主要表现在地温场的变化上.30多年来高原气温升高0.45℃左右,并引起冻土地温平均升高了0.2～0.3℃.分析青藏铁路通过的多年冻土地区典型地段测温孔资料,发现多年来气候转暖已经使冻土上部(20m以上)地温明显升高,影响深度已经波及到了40m.