黄河源区冻土分布制图及其热稳定性特征模拟

以黄河源区多年冻土分布现状和热力特征为研究目标,通过野外调查及实测数据,分析了黄河源区不同地形地貌、不同地表覆盖条件下的冻土形成、分布特征和以地温为基础的热学特征,探讨了不同尺度因素对多年冻土分布的影响。结果表明,在高程低于4 300 m的平原区,多年冻土多不发育;在高于4 350 m的山区,局地地形对多年冻土的形成与分布作用显著。除阳坡地形外,多年冻土均比较发育;介于4 300~4 350 m的低山丘陵和平原区,局地地形、地表植被、土壤湿度等因素共同决定着多年冻土的形成和分布格局。以年均地温指标为基础,构建了以纬度、经度和高程为自变量的回归模型,并对阳坡地形进行微调和校正。结果表明,以0oC作为划分季节冻土和多年冻土的标准和界限,多年冻土面积2.5×10⁴km²,约占整个源区面积的85.1%;季节冻土面积0.3×10⁴km²,约占整个源区面积的9.7%。进一步以0.5oC或1.0oC为分类间隔绘制了黄河源区多年冻土热稳定性空间分布图。     

中国西北地区典型流域冻土退化对水文过程的影响

本文利用河西走廊疏勒河、黑河、石羊河和黄河上游50多年来冬季径流以及气温变化的对比分析,通过空间和时间的变化认识多年冻土变化对径流的影响.从径流的时间变化上看,50年来,多年冻土覆盖率较大的河流冬季退水过程有明显的减缓,这一减缓过程与流域负积温变化较为一致,但这一影响在多年冻土覆盖率较小的流域则没有表现.这表明在多年冻土覆盖率较大的河流,多年冻土退化已经对流域的水文过程产生影响.多年冻土退化的这一水文效应主要是由于随着多年冻土退化,冻土的隔水作用减小,一方面使流域内有更多的地表水入渗变成地下水,造成流域地下水水库的储水量加大,导致冬季径流增加;另一方面,入渗区域的加大和活动层的加厚,使流域地下水库库容增加,导致流域退水过程更为缓慢.此外,多年冻土对气候变暖的响应是一个缓慢的过程,因此多年冻土退化对径流过程的影响也是一个渐变过程.     

露天煤矿矿坑回填对冻土恢复的影响分析

为分析露天煤矿矿坑回填对冻土恢复的影响,采用数值模拟方法,对一定初始温度条件和不同边界条件下露天开挖回填后的冻土恢复进行预测分析。分析结果表明:填土温度对回填后冻土恢复有很大的影响,当填土温度由+2.0℃降低为-2.0℃时,冻土的恢复速率明显加快,厚度明显增大;当填土表面温度为正温时,坑底内的冻土恢复较难;当填土表面温度为负温时,坑底内的冻土恢复速率以及冻土厚度均比正温时更快更厚;随着天然地表温度的降低,冻土恢复速率与冻土厚度也逐渐加快增厚。因而,应尽量选择冷季,并对回填土体作降温处理后再进行回填,以保证冻土快速恢复并保持稳定,这样更有利于矿区的生态环境恢复。     

黄河源区多年冻土空间分布变化特征数值模拟

基于IPCC第五次评估报告预估的气温变化情景,采用数值模拟的方法对黄河源区典型冻土类型开展模拟,推算过去及预测未来黄河源区冻土分布空间变化过程和发展趋势。结果表明：1972-2012年源区多年冻土只有少部分发生退化,退化的冻土面积为833 km²,季节冻土主要集中在源区东南部的热曲谷地、小野马岭以及两湖流域南部的汤岔玛地带;RCP 2.6、RCP 6.0、RCP 8.5情景下,2050年多年冻土退化为季节冻土的面积差别不大,分别为2224 km²、2347 km²、2559 km²,占源区面积的7.5%、7.9%、8.6%;勒那曲、多曲、白马曲零星出现季节冻土,野牛沟、野马滩以及鄂陵湖东部的玛多四湖所在黄河低谷大片为季节冻土;2100年多年冻土退化为季节冻土的面积分别为5636 km²、9769 km²、15548 km²,占源区面积的19%、32.9%、52.3%;星宿海、尕玛勒滩、多格茸的多年冻土发生退化,低温冻土变为高温冻土,各类年平均地温出现了不同程度的升高。到2100年,RCP 2.6情景下源区多年冻土全部退化为季节冻土主要发生在目前年平均地温高于-0.15 oC的区域,而-0.15~-0.44 oC的区域部分发生退化;RCP 6.0、RCP 8.5情景下目前年平均地温分别为高于-0.21 oC以及-0.38o C的区域多年冻土全部发生退化,而-0.21~-0.69 oC以及-0.38~-0.88 oC的区域部分发生退化。     

214国道沿线的多年冻土及其工程地质条件评价

214国道位于青藏高原的东缘,1985-2012年期间的冻土勘察和地温监测资料表明,在河卡山至清水河439 km范围内的高山、滩地和沼泽化草甸地区分布着不连续和岛状多年冻土,公路实际穿越的多年冻土段累计里程约232.4 km,沿线绝大部分路段的地温高于-1.5℃,含冰量、冻土上限等多年冻土特征指标随地形、地貌变化剧烈. 在分析上述资料的基础上,从冻土热稳定性和自然环境两个因素入手,采用突变级数法建立了多年冻土工程地质条件评价模型并对214国道多年冻土工程地质条件进行了定量评价. 结果表明：214国道沿线冻土热稳定性普遍较差,自然环境多处于一般状态. 除局部少冰、多冰冻土路段以外,沿线多年冻土工程地质条件总体处于较差或恶劣状态. 与214国道病害调查资料进行比较后发现,路基病害一般发生在工程地质条件差的路段. 这表明该评价结果比较准确的反映了沿线的多年冻土工程地质条件,对于现有214国道和新建共和-玉树高速公路的运营和维护具有重要的指导意义.     

硅藻土护坡在多年冻土地区高填土路基中的应用研究

边坡防护是提高多年冻土地区高路堤稳定性的重要措施之一. 通过室内实验给出了硅藻土在不同含水条件下冻融态的导热系数及同一含水条件下的冻融导热系数比, 证实硅藻土在100%的稳定含水条件下就可以实现较大的冻融导热系数比. 根据硅藻土的这种特性, 2003年底在214国道红土坡北侧K391 000～K391 120的范围内布设了长度120 m的硅藻土护坡试验段和无护坡措施的对比路段. 3个周期的观测资料表明, 由于硅藻土施工季节不当, 在最初的3个周期, 硅藻土表现出了较大的热阻作用, 硅藻土护坡试验段的坡面温度高于对比断面, 左坡脚位置的上限也高于对比断面. 但是在这3个周期中, 硅藻土护坡试验段正向着有利于冻土发育的趋势发展, 而对比断面却趋于恶化.     

从地表能量平衡各分量特点论青藏高原多年冻土工程中的冻土保护措施

多年冻土的形成、发展和存在状态与地表能量平衡中各要素的变化特征密切相关,青藏高原地表能量平衡方程中各要素的变化具有如下特点:1)年总净辐射和年总辐射量均比较高;2)地表反照率一般较低,绝大多数下垫面类型的反照率在0.4以下;3)大部分地区地表的地气热交换总量中,蒸发耗热较小,感热交换量远大于蒸发耗热量,占辐射平衡总量的70%左右;4)目前大部分多年冻土地区的土壤热通量为正值,导致多年冻土处于退化过程中.针对高原地区辐射比较强的特点,在青藏公路五道梁北坡进行了减少沥青路面辐射增温的试验.结果表明:在沥青路面刷涂白色或浅色涂料可以有效保护沥青路面下的多年冻土,其中白色路面可以使路面下4 m处的地温降低1℃以上.     

保温法保护多年冻土的长期效果分析

通过分析青藏公路昆仑山越岭地段保温材料(EPS)试验段的地温观测资料发现:结果表明:路基中的保温板近8 a来工作正常,大大减小了保温板下土体温度较差.试验段施工完成12 a来EPS保温板的导热系数没有发生大的改变,车辆荷载、水分和冻融循环等对其影响较小.保温路基段天然孔的年平均温度升温速率比对比段天然孔大,但保温路基下多年冻土近7 a来的升温速率均小于对比段.计算结果证明,路基中铺设的保温材料,可以使进入路基的热交换量大为下降,并使进入路基活动层的热量每年减少近3/4.最后,基于年平均气温,用有限元方法给出了青藏公路多年冻土地区保温法的适用范围.     

大通河源区多年冻土的地温特征及其影响因素分析

多年冻土是一种热现象,地温是判断多年冻土特征的有效指标。通过对祁连山区东北部大通河源区多年冻土分布状况的野外考察与钻探等工作,借助于实测地温数据和地温曲线分析工具,对大通河源区39个钻孔点的多年冻土地温特征进行了对比分析,对影响多年冻土地温的主要因素进行了概括和总结。结果表明,在大通河源区,高程、植被类型、地表覆盖特征、土壤水分条件等是影响多年冻土地温的主要因素。根据尺度性划分的结果,高程是影响区域多年冻土地温变化的一级因素;随着空间尺度的下降,植被类型和地表覆盖特征成为二级影响因素;在沼泽化草甸植被覆盖区,土壤水分条件又成为影响多年冻土地温的三级影响因素。对多年冻土地温特征及影响因素的分析不仅有助于了解区域多年冻土的稳定性、预测全球气候变暖背景下的多年冻土演变和退化,还可以为寒区气候变化、生态、水文等相关领域的发展提供基础,为各项工程设施的实施和维护提供建议和指导。     

矿井通风对多年冻土井筒围岩热影响的数值分析 (Ⅰ): 入风井筒风温的变化规律

多年冻土区蕴藏着丰富的矿产资源, 矿业开发已成为多年冻土区经济发展的主要产业之一, 但是其开采过程将不可避免地受到冻土的影响, 也造成多年冻土区生态环境恶化的影响. 在西部大开发的进程中, 能源需求量逐渐增加, 而多年冻土区矿山露天开采量逐渐减少, 开展多年冻土区矿山地下开采相关的研究工作显得尤为迫切. 基于前人在非冻土区的相关研究成果, 结合位于多年冻土区的江仓矿区气象资料, 利用MATLAB软件编写入风井筒风温计算程序, 并引入临界温度的概念研究入风井筒风温的变化规律, 确定了影响因素, 获得了矿井通风与多年冻土井筒围岩的对流换热边界条件中风流温度的拟合函数, 其计算方法和结果为下一步采用数值模拟的方法研究矿井通风对多年冻土井筒围岩的热影响提供了参考依据.