北极多年冻土区埋地输气管道周边温度场数值分析

以北极规划输气管道工程为依托,建立埋地管道与冻土热交换相互作用数值计算模型,探究了埋地管道在连续多年冻土区、非连续多年冻土区和季节冻土区内,按照不同操作温度(5、-1和-5℃)运行情况下管道周围冻土温度演化过程.计算结果表明:同一区域不同管温对冻土上限值影响差异较大,尤其是在非连续多年冻土区,无论管道是正温输送还是负温输送,由于管道的运营,极大地影响了冻土上限值.5℃正温管道将导致冻土上限下降1～3倍管径;-1℃和-5℃负温管道将有助于提高冻土人为上限.建议在连续多年冻土区管道采用-1℃输送温度;在非连续多年冻土区冬季采用-1℃输送温度,夏季可以是正温,接近环境大气温度,但全年输气平均温度要小于0℃;在季节冻土区,若按照负温输送,反而容易引起管基土冻胀,建议输气温度不作特别控制,与温带地区管道类似,正温输送.希望能够为北极多年冻土区天然气管道建设提供新的思路.     

气候变化条件下东北地区多年冻土变化预测

东北多年冻土（除非指明是季节冻土,以下将多年冻土简称冻土）是中国第二大冻土分布区,主要发育＂兴安-贝加尔型＂冻土.由于处在欧亚大陆冻土区南缘,冻土的热稳定性差,寒区生态的敏感性强.在气候变暖条件下,冻土已经和正在发生着＂三向＂退化.为预测冻土南界和地温变化,根据47个气象站资料并在SHAW模型对植被影响地表温度修正的基础上,建立了冻土地表温度分布的等效纬度模型.结合非稳态热传导模型的有限元数值计算,以多模型结合的方法,进一步计算和分析了目前、50年和100年后冻土地温分区变化.结果表明,在目前地表温度为1.5℃范围,仍可残留冻土.以0.048℃a-1气温递增速率,在目前地表温度为0.5℃和-0.5℃的区域,50年和100年后各自仍有可能存在冻土;冻土面积将由现在的2.57×105 km2各自减至1.84×105和1.29×105 km2,分别减少28.4%和49.8%,且东部退化幅度大于西部.同时,区域地温升高,冻土厚度减薄;稳定型（年平均地温Tcp≤-1.0℃）冻土面积逐渐减小,将由现在的1.07×105 km2分别减少至8.8×104 km2（50年后）和5.6×104 km2（100年后）.相应地,不稳定型（Tcp〉-1.0℃）多年冻土和季节冻土的面积增加,冻土南界将显著北移.冻土环境的变化,将给东北寒区工程设施和生态环境带来重要影响.减少或避免人为地改变冻土赋存条件,是保护冻土环境较可行的途径.     

西北干旱区内陆河流域出山径流变化趋势对气候变化响应模型

将HBV径流模型进行改进 ,使之适合于中国西北干旱区内陆河山区流域的特征及径流形成过程 ,从而建立了用以模拟出山月径流量对气候变化响应的模型 .以河西走廊黑河山区流域为例 ,对不同的年平均气温和年降水量的变化趋势条件下出山径流的响应进行了模拟计算 .结果表明 ,如到 2 0 30年气温升高 0 .5℃ ,降水保持不变 ,5月和 1 0月的径流量将增加 ,这表明积雪融水对河流的补给将增加 ,但 7月和8月由于蒸发量的增加将使径流量有所减少 ,致使年径流量将减少 4% .如降水保持不变 ,气温升高 1℃时 ,除 5 ,6月份径流量有所增加外 ,7,8月份的径流量将减少较多 ,而年径流量将减少 7.1 1 % .若气温保持不变 ,降水量增加 1 0 % ,径流量将增加5 2 7% ;降水量增加 2 0 % ,径流量将增加 1 2 .35 % .当气温升高 0 .5℃ ,降水增加 1 0 %时 ,径流量仅增加 1 .6 2 % .     

基于气候干燥度的青藏高原多年冻土区分类新方案

采取综合分析与主导因素相结合的原则, 阐明了青藏高原各大地貌单元的大气环流及自然景观特征, 描述了高原多年冻土形成和分布格局. 基于综合地域分异规律, 以年降水量和干燥度(蒸发/降水)作为主要指标, 并参考年平均气温、气温年较差及年平均空气湿度等, 结合地形因素将高原多年冻土划分为: 湿润型、亚湿润型、半干旱型、干旱型和极干旱型五种类型, 并对各类多年冻土的代表性地区的冻土特征分别进行论述. 该分类方法适合于小比例尺的冻土测绘和制图.     

内蒙古鄂尔多斯高原古冰缘遗迹科学考察研究进展

冰缘遗迹(特别是冷生楔形构造及融冻褶皱)是重建古气候及第四纪晚期多年冻土环境的重要证据.内蒙古鄂尔多斯高原是我国北方地区冰缘现象最为发育的地区之一.为准确了解鄂尔多斯高原冰缘遗迹类型及其分布特征、区域冻土演化历史等,中国科学院西北生态环境资源研究院和荷兰自由大学共同组成科研小组,于2018年5—6月组织了"鄂尔多斯高原...     

高寒冻土区生物结皮对土壤理化属性的影响

生物结皮是高寒地区地被层的重要组分之一。其作为地表特殊的结构层,能够改变地表结构及土壤理化属性,从而影响冻土环境。迄今为止,关于青藏高原高寒生态系统中生物结皮对土壤理化属性的影响尚不清楚。以青藏高原高寒冻土区生物结皮为研究对象,初步研究了生物结皮的特征及其对土壤理化属性的影响。结果表明：生物结皮在高寒草甸退化过程中广泛发育,主要以藻结皮为主,其盖度可达37.3%~51.7%,结皮层平均厚度为12.6 mm。由于生物结皮的发育,高寒地区5~20 cm土层粉粒含量有所增加,但差异不显著,而结皮层土壤田间持水量相比于裸地表层（2 cm）增加了10%~40%,结皮层容重较裸地降低了30%;两种类型藻结皮均显著增加了结皮层及其下0~20 cm土层土壤有机质,而深色藻结皮增加了结皮层及其下0~20 cm土层土壤全氮含量,浅色藻结皮仅增加了结皮层土壤全氮含量,对其下0~20 cm土层土壤全氮含量没有显著影响;生物结皮对土壤pH没有显著影响;生物结皮是高寒生态系统植被退化过程中的关键环节。研究结果为揭示生物结皮在高寒生态系统中发挥重要生态功能提供依据。     

东北多年冻土区埋地输油管道周围温度场特征非线性分析

为解决冻土区输油管道周围土壤的温度计算问题,根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出了二维温度场的有限元计算公式.以东北多年冻土区中俄原油管道工程为背景,根据该工程区的冻土条件和气候条件,应用该方法对温热型输油管道土壤温度场进行了计算预报与对比分析.结果表明:对于输送油温为15 ℃、直径为0.914 m以及管顶埋深为2.0 m的管道,在没有铺设保温材料情况下,管顶之上的土壤在管道运行的第1年就达到热平衡状态,同时土壤融化速率在第1年达到最大,随后4a时间里迅速减小,第5年后融化速率变化趋于稳定;管道运行一段时间后,管道周围的融化圈随冷暖季节的变化呈交替式的扩展;在管道运行30 a后,融深＞10 m,即管底下的融化层厚＞7 m,而在铺设5～8 cm的聚氨酯保温材料后,融深控制在3.08～3.88 m,即管底下融化层厚为0.2～1.0 m.因此,合理使用保温方法能有效防止冻土区管道冻害的发生,同时达到保护冻土环境的目的.     

中俄原油管道沿线典型土样冻胀性试验研究

中俄输油管道穿越约500 km的多年冻土区,管道沿途地形起伏,水系和沼泽发育,使得管道工程地质条件复杂.沿线地貌单元主要可分为沼泽湿地、阶地、河漫滩、坡地以及基岩山脊等5种,不同地貌单元的岩性和冻土赋存条件均不相同.选取各地貌单元的典型土样进行颗粒分析、冻胀率等试验,分析了土样冻胀率与天然含水率、干容重、粘粒含量之间的关系.结果表明:全-强风化花岗岩冻胀率最小,冻土工程地质条件最好;含有机质粉质粘土冻胀率最大,管基需要进行特殊处理;粘土和粉土冻胀率介于二者之间,对管基进行常规处理即可.该试验定量评价了中俄输油管道沿线不同地貌单元的冻胀性,为管道在确保工程长期稳定性的基础上,选择经济、环保的施工方式提供了试验依据.     

中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)冻土工程地质考察与研究进展

在2005-2007年期间,先后3次对中国-俄罗斯原油管道漠河-大庆段沿线的冻土工程地质条件等进行科学考察,开展了冻土工程地质条件及其在气候变化和人类活动作用下的评价和预测研究.考察研究结果表明:管道沿线多年冻土在各类融区、季节冻土和水系等分隔作用下呈片状或岛状分布,沿线岛状、稀疏岛状及零星岛状占多年冻土区段的40%左右;管道沿线多年冻土随着气候的转暖和人类活动的影响不断退化.地形地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化等局部因素对多年冻土的分布和地下冰的赋存产生重要的影响,管道沿线大约分布有50 km左右的沼泽湿地,其表层为腐殖质土及泥炭层,泥炭层下面分布着含土冰层或地下冰,是管道沿线最差的冻土工程地质地段;由于中俄原油管道沿线水系发育多,冻胀丘、冰椎和冰幔等不良冻土现象广泛分布.科学考察的成果为管道沿线冻土工程地质条件评价和预测、管道的稳定性影响分析以及后期的长期检测系统设置等研究奠定坚实的基础,进一步为即将开工的中俄原油管道漠河-大庆段工程的设计、施工提供科学依据.     

青藏高原多年冻土层中地下冰储量估算及评价

过去几十年来,沿青藏公路/铁路多年冻土区已经完成了数千个钻孔的钻探工作.经过仔细筛选,对其中的697个钻孔剖面的地下冰分布状况和其中9261个重量含水量的分布特征进行了分析.在水平方向上,依据地下冰的分布特征,把青藏公路/铁路沿线的多年冻土划分成少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层5个含冰量类别,并详细统计了各类冻土沿公路所占里程.在垂向上,将每个钻孔划分出3个深度段:即多年冻土上限以下1m范围内、上限下深1～10m段及上限下10m以下段,统计了各深度地下冰储量.青藏公路沿线多年冻土的平均厚度为38.79m,平均含水量为17.19%,据此初步估算出青藏高原多年冻土区地下冰的总储量为9528km3.