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.     

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.     

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.     

青藏高原中、东部局地因素对地温的双重影响(Ⅰ): 植被和雪盖

青藏高原冻土区地温既受海拔、纬度和经度(干燥度)区域地带性规律控制, 同时它又受植被、雪盖、砂层、 水被和地质构造等局地因素的显著影响. 局地因素对地温的影响具有双重性: 在不同域值条件下, 它可增高或降低地温. 地温随植被覆盖度减小而逐渐增高, 但覆盖度减到0～20%时, 地温反而降低. 在青藏高原东部、南部和腹部的高山区, 冷季降雪多, 很多地段为稳定积雪区, 雪盖厚, 持续时间长, 对浅层地温起保温作用;而高原腹部的高平原、河谷和盆地冷季降雪较少, 雪盖薄, 持续时间较短, 一般保温作用微弱. 当雪盖厚度超过20 cm以后, 保温作用即开始增强;在暖季因积雪存在时间短, 雪盖薄, 短期内对浅层地温起冷却作用. 总之, 每种局地因素迫使地温向相反方向转化阶段是一个区间值, 为渐变过程. 随时空尺度变化, 局地因素的影响变化很大. 有些地段, 几种局地因素共同作用, 加上活动构造和地形、地貌等的影响, 使地温的时空分布和局地因素对其影响或控制变得错综复杂. 因此, 研究和预测地温特征和变化趋势, 需要在监测植被和积雪作用的基础上进行参数选择、 验证和优化.     

寒区线性工程沿线冻土区的植被恢复

寒区油气管道、公路、铁路等线性工程占地、建设和开挖对沿线寒区生态环境是一个切割、破碎的过程, 对自然植被和下伏冻土造成了很大的扰动. 管道泄露引发的油污还可引起植被的退化和死亡. 植被覆盖层破坏后改变了原有的地气界面之间的水、热交换条件和力学性质, 反过来又可加速引发下伏冻土和线性工程地基的退化. 基于保护线性工程地基及下伏冻土的目的, 同时顺应环境保护的要求, 目前就寒区线性工程的植被恢复问题已经有许多探索和实践. 当前, 寒区植被恢复注重最低限度的人为介入干预下的自然恢复, 根据线性工程沿线土壤、湿度、营养条件、物种分布和丰度, 视具体情况选择物种, 确定建植方法. 阿拉斯加管道和青藏铁路植被恢复上的经验和方法, 可为拟建的冻土区中俄输油管道项目沿线的植被恢复问题提供科学的参考和借鉴.     

中俄原油管道漠大线运营后面临一些冻害问题及防治措施建议

基于世界上几条多年冻土区修建输油气管道的经验,结合我国境内的中俄原油管道漠河－大庆段（漠大线）现场调查、油温监测和探地雷达等勘察结果,研究漠大线运营后可能面临的主要冻害问题、形成过程、影响因素、成灾机制、管道影响,提出预防和防治措施建议及进一步需要研究的主要问题。研究发现,目前漠大线面临的主要冻害问题包括融沉、冻胀丘、冰椎、冻土斜坡、冰刨蚀和潜在冻胀等,在管道持续运行和环境条件改变下,这些冻融灾害可能对管道造成一定的不利影响甚至破坏。现场油温监测显示,在2011年和2012年最低和最高油温分别为0.42 ℃和16.2 ℃,全年的正油温运行是造成目前管道周围冻土融沉的主要原因。冬季部分地段出现的冻胀丘、冰椎以及浮冰对管道形成一定的潜在威胁。研究成果为中俄原油管道漠大线以及规划建设的中俄原油管道二线、中俄输气管道、格尔木－拉萨输油管道改造工程以及其他多年冻土区输油气管道设计、施工、运营和维护提供参考和依据。     

寒区对研究设计施工的影响——第14届寒区工程学术会议综述

由美国土木工程师协会(ASCE)组织召开的寒区工程学术会议是北美寒区岩土工程界最为重要的学术交流会议之一.近年来,参加该会议的北美以外的寒区科研技术人员日渐增多.第14届寒区工程会议于2009年9月在美国Minnesota州Duluth市成功举行.根据本次会议的论文主题,从冻结作用、路面工程、铁路及公路工程以及其它一些方面对会议展示的主要研究进展进行了总结.