作为东北多年冻土典型区,在气候变化和人类活动的共同影响下,大兴安岭山区多年冻土广泛快速退化,并导致了冻融灾害的频发。为系统地掌握该区工程冻融灾害分布及冻土退化情况,我们采用ERT、浅层测温(0~2 m)和无人机航测等方法于2023年8—9月开展了大兴安岭多年冻土区冻融灾害调查。结果表明,沥青路面下融沉长度和融沉量最大且以路基融沉(包含路基倾斜和波浪路面)为主;混凝土路面以长大深纵裂为主,而林区铁路和中俄原油管道(China-Russia crude oil pipelines, CRCOPs)以管基和施工运营作业带(right-of-way,或ROW)融沉和热喀斯特为主。冻融灾害地理分异特征明显:融沉灾害多发现于地势平坦且冻土保存条件较好的位置,融沉灾害的年平均地温与坡度呈正相关关系,且破坏长度与坡度为负相关关系。阳坡的融沉灾害平均破坏长度大于阴坡破坏长度。低纬度的融沉灾害平均破坏长度大于高纬度破坏长度。年平均地温较低的草甸土和森林土的融沉灾害的平均破坏长度大于年平均地温较高的暗棕壤的融沉灾害的破坏长度。冻融灾害对交通工程设施地基基础的安全运营造成了威胁:CRCOPs Ⅰ和Ⅱ线(漠河—...
为研究季节冻土区路基服役过程中温湿度的长期变化情况,以东北地区道路路基为研究对象,在水热耦合方程基础上借助于有限元软件,计算路基填土在长期冻融循环过程中的温度、湿度响应。研究结果表明,路基2 m深度以内的浅层土体受气温影响较大,随着深度的增加温度逐渐稳定,路基温度的变化相较于气温的变化具有滞后性;路基冻结期间,未冻结区域的水分在温度梯度作用下向冻结区域迁移,在冻结锋面处含水率发生突变,融化期间,路基浅层水不易消散,聚集在冻融交界面处导致土体含水率增加;季节冻土区路基长期的温湿度状态表现出以年为单位的周期性变化规律。
积雪是北疆地区季节冻土冻融循环的主要控制因素,季节冻土又通过改变浅层土壤的冻融相态来影响积雪融水的下渗,但该地区消融季浅层土壤的冻融状态并不清楚,致使难以从机理层面准确评估积雪和冻土协同对土壤水分的调节作用。为此,本研究基于1961—2011年阿尔泰山地区6个气象站点的积雪与冻土地面监测数据,应用高斯模型和玻尔兹曼模型进行分析,在划分多雪年、少雪年和正常年的基础上,分析了北疆地区积雪和季节冻土的基本特征,详细探讨了消融期浅层土壤的冻融状态。结果表明,该地区各站点的多年平均积雪持续期为123.2 d,多年平均最大雪深为29.7 cm;季节冻土多年平均冻结期为150.9 d,平均最大冻结深度为120.3 cm。总体上,积雪呈现增加趋势,主要表现为雪深的增加;而冻土则呈现退化趋势,主要体现在冻结期缩短和最大冻结深度减少。不同类型积雪年冻土融化结束时间和积雪消融结束时间的对比分析显示,70%的多雪年和60.5%的正常年冻土融化结束时间分别比积雪消融结束时间早8.2 d和5.5 d;而少雪年冻土融化结束时间则比积雪消融结束时间晚13.2 d。总体上,所有站点的结果表明,随着积雪的增加,消融期季节...
以中国青藏高原为代表的高寒高烈度地区,由冻融循环作用导致的材料性能劣化和气候变暖导致的多年冻土退化问题日益严峻,给桥梁桩基础抗震性能评估带来巨大挑战。为系统研究多年冻土退化以及材料冻融劣化对桥梁桩基础抗震性能的影响,确保其合理的抗震设计,该文建立考虑多年冻土退化和材料冻融劣化的桩-冻土相互作用有限元模型,对比分析了不同因素对多年冻土区桥梁桩基础抗震性能的影响机制。研究结果表明:随着桥梁服役时间的增加,桩-冻土体系的水平承载力、等效刚度和耗能能力均呈下降趋势;多年冻土退化与材料冻融劣化的叠加效应对桩基础抗震性能的影响更显著,具体表现为在桥梁服役100年时,桩-冻土体系的水平承载力降至初始值的55%左右,但仅考虑多年冻土退化时,其水平承载力降至初始值的89%左右。因此,如果忽略材料冻融劣化的影响,会导致桥梁桩基础抗震性能评估结果偏不安全。在多年冻土区桥梁桩基础的抗震性能分析中,除了考虑多年冻土退化的影响,还必须充分考虑材料冻融劣化的影响。
冻融过程中的土壤温度和水分条件的变化,显著影响季节冻土的土壤呼吸动态,同时土壤呼吸释放的二氧化碳通过加剧温室效应影响气候,从而改变降水、蒸散过程等关键水文循环环节。因此,量化季节冻土的冻融过程与土壤呼吸之间的关系,对预测区域气候和水文循环的动态平衡十分关键。以澜沧江上游类乌齐县的季节冻土为研究对象,基于土壤呼吸和冻融过程连续原位测量数据,建立不同冻融阶段的土壤呼吸单因子模型,分析冻融过程中土壤温度和含水量对土壤呼吸的影响。结果表明,昼夜尺度和单次冻融过程的土壤呼吸通量均呈单峰变化,完全融化阶段的土壤呼吸贡献率约为94%;当土壤含水量大于0.09m3·m-3时,土壤温度对冻融过程中的土壤呼吸影响最为显著;回归拟合中土壤呼吸与土壤温度的指数模型表现最佳,土壤呼吸的温度敏感性指标Q10在融化阶段最高(43.21±4.72),完全融化阶段最低(2.71±0.17),总体随土壤含水量降低和土壤温度升高而减小。研究结果可为青藏高原暖湿化背景下的季节冻土区土壤碳排放的相关研究提供参考。
黑龙江省是我国高纬度多年冻土的主要分布区,在气候变暖的趋势下,多年冻土退化严重,引起的水文、生态和环境等问题成为相关科学研究关注的焦点。基于黑龙江省34个气象站1971-2019a的气温和地表温度数据,采用冻融指数和地面冻结数模型,结合趋势拟合和局部薄盘光滑样条函数插值法等,研究了黑龙江省年平均气温、年平均地表温度和冻融指数的时空变化,冻土分布特征及其影响因素。结果表明:黑龙江省多年平均气温和地表温度变化范围分别为-8.64-5.60℃和-6.52-7.58℃,空间分布上随纬度和海拔呈带状分布,年平均气温和地表温度年际升温速率趋于一致,分别为0.34℃/10a和0.33℃/10a。从1971-2019a,大气冻结指数和地面冻结指数分别以-5.07℃·d·a-1和-5.04℃·d·a-1的速度下降,大气融化指数和地面融化指数分别以7.63℃·d·a-1和11.89℃·d·a-1的速度上升。大气/地面冻融指数的空间分布上均呈现出纬向趋势,但是在北部山区海拔的影响大于纬度。多年冻土主要分布在北部的大、小兴...
季节性冻土地区的边坡稳定性问题一直是岩土工程领域的重要研究课题。文中通过对季节性冻土边坡冻融影响因素的分析,包括气候条件、土质特性、水分含量、地形地貌等,探讨了冻融作用对边坡稳定性的影响机制。同时,结合实际工程案例,提出了一系列有效的治理办法,如保温法、排水法、支挡结构加固法等,为季节性冻土地区的边坡工程建设和维护提供了有价值的参考。
探究大兴安岭多年冻土区3种林型秋季冻融期土壤活性碳变化特征及其主要影响因素,为多年冻土区森林土壤碳汇管理提供帮助。以兴安落叶松林(LY)、樟子松林(ZZ)和白桦林(BH)为研究对象,于2022年10月10日至11月18日对不同土层(0~5、5~10、10~20 cm)土壤进行取样,测定其土壤活性碳组分(可溶性有机碳、微生物量碳、易氧化有机碳)质量分数,探究其动态特征及其影响因子。结果显示,10月10日至11月18日兴安落叶松林、白桦林和樟子松林土壤温度均随气温下降而降低,变化范围分别为-0.49~3.71、-2.10~2.39、-1.04~3.48℃。3种林型不同土层土壤可溶性有机碳(DOC)质量分数随着温度的降低呈先升高后降低的变化趋势,微生物量碳(MBC)质量分数先减少后增加,易氧化有机碳(ROC)质量分数则波动式变化,变化范围分别为78.75~214.32、101.06~988.40、1.52~13.94 g/kg,其中,白桦林土壤DOC和ROC质量分数显著高于兴安落叶松林和樟子松林,而土壤MBC质量分数在兴安落叶松林中最高。3种活性碳在不同林型内均呈“表聚效应”,且冻融期内土壤...
全球气候变暖导致多年冻土快速升温,并逐渐退化为季节冻土,而多年冻土和季节冻土在土壤稳定性、水分传输及地气交换等方面存在显著差异。因此,探究多年冻土与季节冻土的冻融特征差异具有重要意义。本文基于水热耦合模型(SHAW),以黑河上游祁连山区的大沙龙站(多年冻土)和阿柔站(季节冻土)为研究对象,对土壤温度、湿度和土壤冻融过程进行模拟分析。结果表明:SHAW模型在模拟两种类型冻土站点水热过程时均显示出了良好的精度,在多年冻土站点的总体表现更好。具体而言,多年冻土/季节冻土站点的土壤温度和土壤湿度的平均纳什效率系数(NSE)分别为0.95/0.91和0.74/0.37。同时,两个站点的水热过程差异显著,多年冻土站点模拟期平均冻结速率(6.75 cm·d-1)显著大于季节冻土站点(1.33 cm·d-1),而平均融化速率(2.11 cm·d-1)略小于季节冻土站点(3.15 cm·d-1)。由于多年冻土站点的下伏多年冻土层起着“地下冷源”的作用,深层(80 cm以下)土壤温度的季节波动幅度小于季节冻土站点。本文...
免耕和秸秆覆盖被认为是东北黑土区耕地质量提升的重要现代耕作技术。冻融过程和免耕秸秆覆盖耦合作用会影响黑土地土壤理化性状,土壤水热养分转化也会受影响,但相关的研究还不充分。免耕秸秆覆盖下土壤理化效应与常规翻耕土壤状况呈不同的变化特征,土壤冻融过程与免耕秸秆覆盖之间密切相关,考虑冻融、免耕、秸秆覆盖之间的相互影响规律及其对土壤理化特性促进或削弱机制的研究有待于深入开展。在探索机理性问题的同时,将保护性耕作措施的研究上升到应用层面,提出黑土地、冻土水资源和秸秆资源的有效利用模式,提升黑土区耕地质量和农业综合生产能力。