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  • 冰冻圈生态学
    赵文鹏, 吕荣芳, 庞吉丽, 张建明, 王乃昂
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1367-1378. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0091
    摘要 (3483) PDF全文 (176) HTML (1)   可视化   收藏

    祁连山是我国西北重要的生态屏障,明确其生态系统服务时空分异及演变机制对区域生态保护修复和可持续发展具有重要意义。本文基于InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)与CASA (Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型对2000—2020年间祁连山地区产水量、碳储存、土壤保持、水质净化、碳固定和生境质量六项生态系统服务进行计算,分析其在不同尺度上的时空变化及分布特征,识别其生态系统服务热点区域。研究发现:2000年以来,祁连山地区六项生态系统服务在区域整体以及不同土地覆盖类型供给量均呈增加趋势,山区是增量的高值区,热点分析中的Ⅲ类和Ⅳ类热点区面积呈增加趋势;在空间上,祁连山地区六项生态系统服务表现为“东高西低”的分异特征,林地与草地单位面积供给量值较高,不同地形梯度生态系统服务供给能力差异较大,多在海拔3 100 m以上达到峰值,热点分析中的Ⅴ类热点区主要分布在东部山区。研究成果识别了祁连山地区六项生态系统服务时空分异特征以及探讨了影响其时空变化的自然和人类活动因素,可为祁连山地区制订针对性的生态保护战略以及高质量可持续发展的政策提供依据和建议。

  • 冰冻圈生态学
    王雪梅, 温理想, 李佳诺, 郭蒙
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1379-1390. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0105
    摘要 (3356) PDF全文 (174) HTML (1)   可视化   收藏

    植被物候是指示植被对自然环境变化响应的重要指标。大兴安岭多年冻土区是我国唯一的高纬度多年冻土区,该区植被物候的研究有助于认识寒区生态系统对全球气候变化的响应。本文首先比较了归一化植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)和日光诱导叶绿素荧光(SIF)在多年冻土区物候研究中的差异和适应性,结果表明EVI的应用效果最佳。其次,结合2000—2019年MODIS EVI时间序列数据和气象数据,采用Savitzky-Golay(S-G)滤波和动态阈值等方法提取植被生长季开始(SOS)、结束(EOS)和长度(LOS)等关键物候参数,分析大兴安岭多年冻土区植被物候的时空变化及其对气候变化的响应。结果表明:(1)NDVI、EVI和SIF的时间序列均能反映研究区植被生长的季节变化,与NDVI相比,EVI与SIF的变化曲线更加一致。(2)研究区2000—2019年SOS变化范围为年序日96~144 d,平均值为129.46 d。EOS变化范围为272~320 d,平均值为295 d。LOS集中分布在128~224 d,平均值为165.65 d。由于植被类型差异和逆温现象的存在,大片连续多年冻土区的LOS大于岛状融区多年冻土区。(3)研究区SOS和EOS变化趋势的平均值分别为-1.23 d·(20a)-1和-0.46 d·(20a)-1,均呈提前趋势。LOS变化趋势的平均值为2.39 d·(20a)-1,呈延长趋势。研究区植被SOS与3—5月平均气温呈显著负相关,EOS与8—10月平均气温和降水呈显著正相关。

  • 冰冻圈技术
    陈方, 王金晓, 张美美, 于博
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1413-1427. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0108
    摘要 (3306) PDF全文 (150) HTML (6)   可视化   收藏

    冰湖是气候变化的重要指示器,在全球变暖的背景下,冰湖的持续监测对区域水资源管理以及高山地区防灾减灾具有重要意义。受冰川消融和气候影响,冰湖边界会发生季节性和年际变化。已有冰湖制图的研究,往往要首先确定遥感影像上每个冰湖的位置,然后获取其精细边界。近年来,不同区域的冰湖编目数据日益增加,提供了大量的冰湖历史边界。对这些位置已知的冰湖进行监测只需提取其当前边界,而历史边界可以作为冰湖迭代边界的起点,从而加速冰湖编目数据的更新。本研究以喜马拉雅山脉成像条件较好的488个冰湖和受积雪、冰冻、云、山体阴影影响的80个冰湖作为研究对象,将前者按照面积大小分成3类,基于1990年冰湖编目数据提供的历史边界信息,对比了人工阈值法、OTSU阈值法、U-NET、双峰迭代法、OTSU迭代法和C-V迭代法在2014年后Landsat-8 OLI影像上的冰湖提取结果。结果表明:OTSU迭代法、C-V迭代法能有效利用冰湖缓冲区内的统计信息,取得的F1分数高达88.89%和89.30%,显著优于人工阈值法、OTSU阈值法和双峰迭代法,也能较完整地提取冰冻状态和云覆盖的冰湖;对于积雪覆盖下的冰湖,C-V迭代法的提取精度最高;U-NET模型取得的F1分数高达89.8%,能准确提取与山体阴影相连的冰湖。本研究为历史边界已知的冰湖长期监测提供了方法支持。

  • 冰冻圈技术
    张一新, 周建民, 桑文刚, 李震, 黄磊, 鲁安新
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1428-1436. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0360
    摘要 (3209) PDF全文 (210) HTML (2)   可视化   收藏

    冰川是冰冻圈的重要组成部分,被誉为气候变化的“指示器”和“预警器”。而冰川中流线则是反映冰川几何形态的关键参数之一,是确定冰川长度随时间变化、分析冰川运动速度场和估算冰川体积等的一个重要参量。本文基于泰森多边形法,结合冰川表面地形特征,从形态学角度提出了一种山地冰川中流线自动化快速提取的新方法。本方法根据数字高程模型数据分别以冰川矢量边界线上局部最高点和最低点为起始点和终点,并结合提取冰川中心线的方法提取冰川的中流线。将本方法应用于青藏高原1 014条山地冰川中,自动生成了相应的冰川中流线2 114条,提取成功率为100%。通过将本文所提方法与Kienholz方法所提取的冰川中流线的平均长度进行比较,发现本文方法和Kienholz方法所提取冰川中流线的平均长度比为0.98,具有很高的一致性。另外,对于不同类型冰川的中流线提取,我们引入了Zhang方法和Kienholz方法与本文方法的提取结果进行了对比,结果表明本方法提取结果覆盖更全。本文所提方法可基于冰川编目数据中的冰川矢量边界线数据和数字高程模型数据,在无人工参与的情况下,实现对冰川中流线的自动化快速提取。

  • 冰冻圈与可持续发展
    梁巧霞, 韦孟丹, 梁赛, 效存德, 张伟, 王晓明
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1401-1412. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0107
    摘要 (3186) PDF全文 (210) HTML (4)   可视化   收藏

    随着国民生活水平的普遍提高,冰雪产业作为新兴产业正在快速发展,并且为社会和经济发展带来众多惠益。了解冰雪产业和社会经济发展的关联性及推动作用是合理开发和管理冰雪产业的基础。本研究以新疆为案例地,基于冰雪产业中的主要组成即滑雪产业,建立了滑雪产业与主要经济产业的联系,结合地区间投入产出关系,运用投入产出分析方法评估了新疆滑雪产业的经济和社会效应。研究表明:2012年和2017年新疆滑雪产业的产能约345亿元和1 819亿元,由此可带动的其他经济产业总产量分别达到809亿元和4 151多亿元的产值;滑雪产业在2012年和2017年的影响系数为2.28和2.33,大于主要经济产业影响系数;滑雪产业带动最大的四个产业包括交通运输、仓储和邮政,石油和炼焦产品加工,批发和零售,住宿和餐饮产业,其中,批发和零售以及住宿和餐饮的相对影响明显上升,石油和炼焦产品部门的影响相对下降。另外,通过经济结构分解发现,滑雪产业的经济拉动效应进一步加强,特别是第三产业住宿与餐饮产值提高达259%。同时,滑雪产业能为当地提供更多就业机会。综上,新疆依托滑雪产业天然禀赋的优势,能给社会经济的可持续发展带来新契机,但若要最大程度发挥冰雪产业的经济杠杆作用,不仅需要合理的经济结构为基础,更需要协同发展关联紧的其他产业作为支撑。此外,为了能够给滑雪产业发展提供足够的上升空间,受滑雪产业带动作用最大的四大产业也应为促进其发展的重点施策产业,充分吸收冰雪产业发展的经济红利,以获取更多经济和社会效益。

  • 寒区工程与灾害
    努尔比亚·吐尼牙孜, 米日古丽·米吉提, 毛炜峄, 迈尔丹江·米吉提, 张阿慧, 刘艳
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1288-1299. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0099
    摘要 (2194) PDF全文 (332) HTML (5)   可视化   收藏

    叶尔羌河流域冰湖溃决洪水致灾严重,在全球变暖背景下建立完善冰湖溃决洪水数据库,掌握其变化规律是开展冰湖研究和洪水危险性评估、风险管理的基础。基于水文径流数据、科考资料及洪水灾情资料,建立了1961—2021年叶尔羌河流域克亚吉尔冰湖溃决洪水数据库,利用线性趋势、R/S分析、累积距平、Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析等方法分析了冰湖溃决洪水的频次、洪峰流量变化特征,基于多概率分布函数估算了不同重现期情景下的洪峰流量并对其进行了危险性评估。结果表明:叶河流域克亚吉尔冰湖溃决洪水出现频次和洪峰流量在月分布上均呈单峰型,8—9月溃决洪水风险全年最高。1961—2021年克亚吉尔冰湖溃决洪水频次线性变化趋势不明显,呈现高、低交替变化的年代振荡特征,洪峰流量则呈现显著线性减少趋势,其减少速率为15.5 m3·s-1·a-1,对于洪水资源化利用而言利大于弊。对于19 a准周期,短期内克亚吉尔冰湖溃决洪水发生频次处于低位,风险较低,并将持续下降到2027年左右,此后进入下一个上升阶段。虽然21世纪初受全球气候变化影响,克亚吉尔冰湖溃决洪水出现短暂的高频期,但这仍不能改变其振荡减少为主的长期变化特征。克亚吉尔冰湖溃决洪水在5 a一遇重现期情景下有一定的致灾风险,10 a及以上不同重现期情景下致灾风险极高。建议后期加强对叶尔羌河克亚吉尔冰湖的动态监测、风险评估以及冰湖溃决突发洪水机理研究,加快水利工程建设力度,趋利避害、提高流域防洪减灾能力。

  • 寒区工程与灾害
    陈继, 党海明, 美启航, 侯鑫, 王进昌, 杨林
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1327-1334. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0068
    摘要 (2183) PDF全文 (729) HTML (3)   可视化   收藏

    青藏铁路1401旱桥位于唐古拉山多年冻土区。青藏铁路正式运营后,1401旱桥桩基连续多年出现沉降现象,严重危害了铁路的安全运营。对2009—2018年间沉降数据的分析表明,经过2009年、2011—2012年以及2017年三期的整治,该旱桥桩基已经趋于稳定。进一步分析发现,1401旱桥桩基沉降的主要原因包括浅层多年冻土夏季升温、青藏铁路沿线气候变暖、深层承压水外泄导致的冻土升温和下限升高。青藏铁路1401旱桥桩基的整治措施表明,冻土区桩基沉降的治理工作是一个复杂长期的过程,必须综合考虑各项整治措施对多年冻土地基的热扰动,建议开展青藏铁路旱桥的监测,增强早期发现、治理桩基病害的能力,提高青藏铁路旱桥路段的运营水平。

  • 寒区工程与灾害
    任思宇, 姜亮, 翟胜强, 叶晓华, 郭江
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1300-1313. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0100
    摘要 (2027) PDF全文 (216) HTML (7)   可视化   收藏

    冰湖溃决洪水具有范围广、持续时间长、危害大并经常伴随有泥石流发生等特点。目前针对冰湖溃决洪水动力演化特征的定量研究相对匮乏。为此,对次仁玛错冰湖溃决洪水灾害演化特征进行研究,以实地调查及多期遥感影像为基础,并采用泥沙输移模型和水动力模型耦合方法揭示冰湖溃决洪水侵蚀演化特征。模型基于精度为12.5 m的数字高程(DEM)地形数据,模拟反演1981年次仁玛错冰湖溃决洪水动力演化过程,与实测结果进行对比,验证模型的适用性和可行性,并对冰湖再次溃决进行预测分析,定量评价冰湖溃决洪水在演进过程中流深、流速、侵蚀和沉积特征。溃决洪水在演进过程中对章藏布支沟冰碛物及下游沟岸松散坡积物进行冲刷侵蚀,高含沙洪水逐渐演化为稀性泥石流,在707滑坡处流深8~10 m,最大流速13.7 m·s-1,侵蚀深度8~9 m。稀性泥石流在主沟沉积形成堰塞坝,坝高9~11 m,短暂堵塞波曲河。稀性泥石流对樟木口岸下游滑坡群坡脚进行冲刷侧蚀,侵蚀深度约10~13 m,易引发大规模次生灾害,稀性泥石流到达水电站处,淤埋水电站进水口,导致水电站失效。整体来看,溃决洪水在演进过程中,洪水对上游沟床及沟岸进行强烈的侵蚀夹带,洪峰流量增强,在中游,稀性泥石流对沟岸进行侧蚀,在沟道狭窄处流速增大,下切侵蚀增强,在沟道宽阔处,流速降低,固体物质沉积,整体达到冲淤平衡,洪峰流量随距离逐渐衰减,至下游,沟道地形开阔,流速放缓,稀性泥石流逐渐沉积,同时对沟道两岸进行侧蚀,整体为沉积。模型可以良好地揭示冰湖溃决洪水灾害侵蚀演化动力特征。

  • 寒区工程与灾害
    王莉平, 郝哲销, 李宁, 徐拴海, 王文丽, 朱英豪
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1335-1345. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0102
    摘要 (1972) PDF全文 (216) HTML (1)   可视化   收藏

    裂隙中冰夹层的出现及生长是岩体冻胀风化的重要特征及成因,裂隙岩体是由裂隙和岩石基质构成,裂隙与可视为孔隙介质的岩石性质差异巨大,多数情况下是岩体中水分主要的储存及运移通道,对于不饱和裂隙而言,其中往往同时存在着气态迁移和液态迁移,很难直接用既有的原位冻胀和分凝冰机理解释裂隙中冰层形成及生长过程。为研究非饱和岩体裂隙中冰层出现及分布状况,作者用两块水泥试块拼接成带有单条垂直裂隙的岩体试样,并对试样进行了暖端补水条件下的单向冻结试验,试验结束后,试块中新增了3条水平裂隙和1条垂直裂隙,且裂隙中均有薄冰层出现,试样负温区有显著的结霜现象,整个过程中水分迁移总量达221 mL,且以气态形式为主。基于传热学基本原理,建立了自然对流条件下单个裂隙壁面上的结霜模型,根据试验中试样不同冷表面的特征,将结霜表面分为I~III类,分别计算了三类冷表面上霜层厚度、密度及单位质量随时间的变化,并利用试验结果对计算结果进行了验证,证明了单个壁面上结霜模型的可靠性。以结霜模型为依据,同时结合相关文献进行分析得到:影响岩体裂隙负温区壁面结霜量的直接因素有裂隙中的对流传热条件、空气相对湿度及负温区壁面面积大小,这三个因素取值越大时,则一定时间内裂隙壁面上的结霜量越多,裂隙中的成冰作用更为显著。裂隙沿程的温度梯度则是更为本质的原因,温度梯度越大时,岩体裂隙中的对流传热作用会更为强烈,负温区壁面面积越大,则一定时间内结霜量越多。

  • 寒区工程与灾害
    王正一, 李刚, 王冲, 张明义, 李博誉
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1346-1358. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0103
    摘要 (1971) PDF全文 (199) HTML (0)   可视化   收藏

    渠道在季节性冻土区常年遭受基土冻胀、融沉和侵蚀的危害,针对此问题提出由聚苯乙烯泡沫板、陶砂和环氧树脂多层组合制成渠道衬砌垫层,采用室内干湿与冻融交替试验的方法来探究复合衬砌隔热性和粘结强度的劣化规律,以及多层组合垫层对混凝土板的保护作用,并结合统计学的方法确定陶砂最佳掺量。试验结果表明:陶砂能降低复合衬砌的导热系数,其隔热性劣化主要是由聚苯乙烯泡沫板和混凝土引起,随干湿与冻融累计试验次数增加呈线性降低趋势;陶砂掺量对聚苯乙烯泡沫板接触面的粘结强度基本无影响,而对混凝土接触面的粘结强度有较大影响,且掺量与粘结强度成反比例关系;在干湿与冻融交替作用下,多层组合垫层对混凝土板有较好的保护作用,与普通混凝土板相比,在质量与抗压强度损失方面分别降低1.04%和8.58%;以复合衬砌隔热性和聚苯乙烯泡沫板接触面粘结强度为双控目标,建立了陶砂最佳掺量的计算方法。多层组合垫层具有良好的隔热性、粘结强度和防渗效果,该试验研究成果可为渠道垫层设计提供科学参考。

  • 寒区工程与灾害
    李永靖, 程耀辉, 赵涛锋, 陈博文, 马瑞, 宋洋
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1359-1366. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0104
    摘要 (1916) PDF全文 (240) HTML (2)   可视化   收藏

    为探索不同冻融循环次数和围压作用对季节冻土区路基土在不同含水率条件下的应力-应变关系及损伤机理,以辽宁阜新市某公路区间为试验路段,采用环刀法选取试验路段路基土样,通过冻融循环及三轴压缩试验,得到在不同冻融循环次数及围压作用下路基土的应力-应变曲线变化规律;根据损伤力学及统计学原理,将Weibull分布与Lemaitre有效应力原理相结合,建立了季节冻土区路基土损伤本构模型。结果表明:冻融循环作用可导致路基土试件强度降低,且随着试件含水率的增加,应力-应变曲线呈现由应变软化逐渐表现为应变硬化特征,试件最优含水率为应变软化与应变硬化的分界点;随着围压的增大试件强度增加,在冻融循环次数较少且围压较低时,试件的应力-应变曲线出现峰值应力,曲线表现出应变软化特征,在冻融循环次数较多且围压较大时容易出现应变硬化现象;经对比分析,所建立的损伤本构模型与试验应力-应变曲线吻合度较好,且模型所需参数均可通过三轴试验获得,说明该模型能够较好地描述季节冻土区路基土的应力-应变关系,具有实用性。另由试验结果可知,为降低东北地区冻融循环作用对季节冻土区路基强度的影响,提前做好路基的防排水工作对于路基冻融病害防治是非常重要的。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    梁倩, 王宁练
    冰川冻土. 2024, 46(2): 367-378. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0031
    摘要 (1805) PDF全文 (75) HTML (5)   可视化   收藏

    近年来,西昆仑山冰川物质平衡异常现象受到广泛关注,然而该地区冰川末端却同时存在前进(常态)、后退、稳定及跃动多种状态。冰川末端进退不仅与气候变化引起的物质平衡变化有关,还与冰川的运动速度变化密切相关。以往研究多集中在前者,而对后者研究较少。因此,本文基于ITS_LIVE v01速度产品,结合西昆仑山冰川表面高程变化及冰川厚度资料,分析西昆仑山地区具有不同变化状态的冰川在2000—2018年的表面运动速度变化特征。结果表明,西昆仑山冰川在研究时段内的多年平均运动速度为6.35 m·a-1,年均速度波动上升,这主要是由该区域冰川表面高程整体上呈增加趋势[(0.15±0.02) m·a-1]即冰川物质增加所造成;末端前进冰川的多年平均运动速度为4.07 m·a-1,年平均运动速度在研究时段内呈增加趋势,这主要与该类冰川在研究时段内物质略微增加有关;末端后退冰川多年平均速度约为4.86 m·a-1,年平均运动速度在研究时段内呈减小趋势,这主要与该类冰川物质亏损、减薄有关;末端稳定冰川多年平均速度约为3.04 m·a-1,年平均运动速度在研究时段内保持稳定,该类冰川在研究时段物质平衡也基本处于零平衡状态。研究区内末端前进冰川的多年平均运动速度较末端后退冰川的偏小,主要是因为末端前进冰川的平均厚度较末端后退冰川的偏小。2000—2018年西昆仑山有7条冰川发生跃动,多年平均运动速度为13.21 m·a-1,物质积累[(0.35±0.02) m·a-1]引起速度增加。长度规模较大的后退冰川在2000年之前发生过跃动,由于目前处于平静期,冰川上部积累的物质未能及时输送到下部导致冰舌厚度减薄并后退。

  • 冰冻圈生态学
    种碧莹, 金显玲, 徐海燕, 吴晓东, 周文婷, 梁冰妍, 甘子鹏, 张婷, 康国慧, 殊秋丽, 陈卓, 刘桂民
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1391-1400. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0106
    摘要 (1749) PDF全文 (181) HTML (3)   可视化   收藏

    在气候变暖背景下,围栏封育是常见的草地生态系统管理手段,明确变暖和围封对土壤有机碳的积累过程,对于认识草地生态系统碳源汇效应十分重要。本文以氨基糖为有机碳组分的标识物表征死亡的微生物量,选择连续15年增温和围栏封育处理下的样地,分析增温和围栏封育对高寒草原区微生物残体碳积累的影响。结果表明:相比对照,增温+围封和围封处理细菌、真菌来源碳无显著差异,但细菌残体碳比真菌残体碳对土壤有机碳相对贡献大;增温+围封和围封处理与对照相比,氨基糖总量影响不显著,但是显著降低了土壤中微生物碳长期周转,短期周转不显著;总氨基糖、真菌来源碳、细菌来源碳与电导率、含水率、土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)显著正相关。综上所述,细菌残体碳比真菌残体碳对土壤有机碳相对贡献大,增温和围栏封育对微生物残体碳影响不显著。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    张天诏, 杨威, 赵传熙, 王忠彦, 何震, 王永杰, 邬光剑, 李久乐, 安宝晟
    冰川冻土. 2024, 46(2): 379-391. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0032
    摘要 (1737) PDF全文 (79) HTML (7)   可视化   收藏

    小冰川对气候变化非常敏感,监测与定量评估此类冰川变化有助于理解冰川对气候变化的响应幅度与机制。本研究结合多源遥感数据(卫星遥感与无人机航测),分析了近50年来青藏高原念青唐古拉山廓琼岗日1号冰川面积变化趋势,定量评估了该冰川近期的冰面高程变化幅度与空间分布。结果表明,1968—2021年廓琼岗日小型冰斗冰川的面积从(1.444±0.013) km2缩减至(0.712±0.001) km2,萎缩幅度达到50.7%,冰川末端退缩平均速率约为(6.23±0.71) m⋅a-1。基于2020—2021年高精度无人机航测数据发现,廓琼岗日1号冰川冰面平均高程差达到(-2.41±0.69) m,冰川末端高程变化大于3 m,中部的冰面高程下降幅度在1.5~3 m之间。研究还发现冰川表面河道对冰面高程空间变化起着重要作用,该冰川表面共发育有13条表面河道,2020—2021年河道向西北方向偏移约2 m。冰面河道的向下侵蚀与侧向消融导致末端冰面高程变化呈现显著的空间差异。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    李世剑, 康满春, 刘流, 彭辉, 刘佳, 胡杰茗, 肖尚斌
    冰川冻土. 2024, 46(2): 443-456. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0037
    摘要 (1707) PDF全文 (33) HTML (2)   可视化   收藏

    为探究雅鲁藏布江(雅江)上游干、支流沉积物总有机碳(TOC)含量分布特征及其影响因素,研究了雅鲁藏布江上游干、支流沉积物TOC含量对粒度的响应,并基于随机森林分析(RFA)解释了流域内土地利用类型对沉积物TOC含量空间变化趋势的影响。结果表明,雅江上游沉积物TOC含量均值[(6.56±6.37) g·kg-1]低于其他地区大中型河流[范围为5.95~49.06 g·kg-1,均值为(19.77±14.05) g·kg-1]。其中,河源段沉积物TOC含量均值最低[(2.57±0.97) g·kg-1],所有采样点沉积物TOC含量与黏土含量占比呈极显著正相关(r=0.64,P<0.01)。根据统计结果,包括雅江上游在内,河流沉积物TOC含量与粒径小于63 μm颗粒含量具有极显著指数相关关系(r=0.77,P<0.01)。随机森林分析进一步表明,雅江上游沉积物TOC陆源贡献率中草地贡献率最大(48.12%),且受土地利用方式从以低覆盖度草地、裸土地为主导(上游头段)逐渐过渡到以中、高覆盖度草地和农、牧、一类工业用地(M1类)等为主(上游中、末段)的影响,沉积物TOC含量在空间上表现为随流向逐渐增加的趋势。总体上,人为干扰因素少及河流沉积物以砂质为主体是雅江上游沉积物TOC含量较低的重要原因。本研究深化了对雅鲁藏布江上游沉积物总有机碳含量分布特征及其影响因素的理解,可为进一步探究高原河流碳循环、生态环境保护以及区域可持续发展提供科学依据。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    刘晓颖, 何宝军, 李宗杰, 刘梦晴, 徐斌, 桂娟, 崔乔, 赵越, 薛健, 段然
    冰川冻土. 2024, 46(2): 431-442. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0036
    摘要 (1706) PDF全文 (19) HTML (2)   可视化   收藏

    本文通过采集长江源区土壤样品,对不同深度土壤水分稳定同位素变化特征及其空间分布特征进行分析,使用端元混合径流分割模型对土壤水的来源进行计算,结果表明:土壤温度在0~100 cm范围内呈下降趋势,土壤含水率在0~80 cm范围内呈下降趋势,80~100 cm范围内呈上升趋势;土壤水的δ2H和δ18O值在0~100 cm深度范围内波动变化,且变化趋势相似,土壤水的δ18O及δ2H值变化范围分别为-151.273‰~-63.605‰和-21.052‰~-8.676‰。土壤水的δ2H和δ18O在空间上总体呈西部富集,而东南部贫化的特点;蒸发线(EL)为δ2H=7.23δ18O-5.27 (R2=0.88);土壤水稳定同位素受到海拔梯度和土壤含水率的影响;降水对土壤水的贡献高于地下冰融水,且随着海拔梯度的增加,降水对土壤水分的贡献率呈现增加趋势,在4 150~4 777 m范围内降水对土壤水的贡献率为70%~94%;地下冰融水在海拔4 150~4 555 m范围内对土壤水的贡献率为8%~30%,在海拔4 613~4 777 m范围内贡献率下降,为6%~8%。本研究为深入了解长江源区土壤水分运动及稳定同位素研究提供了理论依据。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    李文娇, 林战举, 范星文, 姚苗苗
    冰川冻土. 2024, 46(2): 417-430. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0035
    摘要 (1698) PDF全文 (48) HTML (2)   可视化   收藏

    高海拔多年冻土区坡向差异可引起两坡面的温度场不对称,进而造成基础设施的不均匀沉陷和纵向裂缝。目前坡向效应的研究主要围绕青藏铁路东-西两个坡面而开展的监测与模拟研究,但高原线性工程走向可能涉及不同的方向,其他走向坡面的水热差异状态研究不足。本研究在青藏高原花石峡冻土观测基地建设了一个具有八个坡向的监测实体(称:八棱台),在八个坡面和顶面近地表安装土壤温度、含水量传感器,监测研究坡向差异对坡面近地表水热状态的影响。结果表明:东-西相对坡面近地表温度差异最小,月平均温差为0.1~2.3 ℃,最大温差出现在5月;而南-北相对坡面近地表温度差异最大,月平均温差为1.3~7.7 ℃,最大温差出现在2月。其余两个相对坡面近地表温差介于东-西相对坡面和南-北相对坡面之间,其中东北-西南相对坡面温差小于西北-东南相对坡面。仅从近地表坡面温度差异来看,高海拔多年冻土区线性工程南-北走向热稳定性较好,其次是西北-东南向,坡向效应不显著而温度场对称性较好。同样八个坡面近地表土壤体积含水量总体差异为东北-西南相对坡面差异最小,融化期月平均体积含水量差最大为0.06 m3·m-3;东-西相对坡面差最大,同期月平均体积含水量差最大为0.11 m3·m-3。含水量差异也引起了不同坡面冻融循环次数的显著差异,对坡面块碎石护坡材料冻融损伤破坏有重要影响。研究结果对指导未来高原线性工程规划及现役工程阴阳坡差异病害治理具有重要指导意义。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    李元灵, 余斌, 黄海, 陈龙, 杨东旭, 张佳佳, 高波, 田尤, 李洪梁, 罗伦
    冰川冻土. 2024, 46(2): 406-416. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0034
    摘要 (1666) PDF全文 (61) HTML (2)   可视化   收藏

    全球气候变暖背景下,青藏高原的石冰川活动性增强,产生灾变的趋势上升。采用遥感影像分析、现场调查及气象和径流监测等方法,获取了藏东南地区乌连沟石冰川的特征数据,分析其灾变形成泥石流的诱发因素及过程。结果显示,乌连沟石冰川2010—2017年平均运动速度为1~3 m·a-1,且前缘整体运动速度显著高于中后部。石冰川前缘向前运动进而失稳,可持续为沟道输送松散物源,2013年及2014年约有5 600~9 000 m3石冰川输送的松散物质被启动。形成泥石流除需要充沛的物源外,还需要足够的水源启动。区内降雨量有限,乌连沟最大径流出现在5—6月,主要由高温引发冰雪消融贡献。分析2013年及2014年两次泥石流事件发现,其主要诱发因素是高温,灾变机制为气温快速升高导致表层冰雪快速消融,融水在石冰川表面凹陷处积聚形成湖塘,湖水泄流启动了石冰川前缘积累的松散物质形成泥石流。未来随着气候变暖加剧,石冰川的活动性进一步增强,在急剧升温或强降雨影响下,形成泥石流的规模及频率可能会增加,需防范石冰川灾变形成泥石流的致灾风险。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    董浩, 申保收, 武小波, 郭忠明, 王宁练
    冰川冻土. 2024, 46(2): 392-405. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0033
    摘要 (1630) PDF全文 (22) HTML (2)   可视化   收藏

    痕量元素在山地冰川中的时空格局可以作为评价人类活动对大气环境影响的良好指标。为了研究祁连山雪冰中痕量元素的空间分布及其主要来源,2020年9月在祁连山的7条冰川,包括阿尔金山冰川、扎子沟冰川、老虎沟冰川、七一冰川、四号冰川、八一冰川和宁缠河3号冰川中采集表层雪样进行酸化处理,使用电感耦合等离子体质谱仪(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry,ICP-MS)测定了大量元素Al、Fe与痕量元素As、Ba、Co、Cr、Cu、Li、Mn、Mo、Pb、Sr、Tl、Zn、Cd的浓度,并选用Jonckheere-Terpstra非参数检验来对比痕量元素平均浓度,数据结果表明祁连山西部扎子沟冰川和老虎沟冰川的痕量元素浓度较高,祁连山东部宁缠河3号冰川痕量元素浓度较低,痕量元素浓度总体空间分布趋势为西段>中段>东段。痕量元素总浓度的富集因子(Enrichment Factors,EF)表明,Co、Cr、Cu、Tl、Fe、Li、Mn、Mo、Sr元素主要受自然粉尘输入影响(EF<10),Pb、Cd、Zn元素受人为源影响较大(EF>10)。然后对痕量元素浓度数据进行主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),发现7条冰川的第1主成分中总浓度上有较高正载荷的元素主要来源于自然粉尘源,特别是新疆地区的粉尘,第2主成分则代表不同程度的人为源影响。最后结合后向轨迹的聚类分析表明,研究区主要受西风环流控制,痕量元素自然输入源主要来自新疆中部和北部的沙漠和盆地等,而人为源则包括河西走廊部分城市人类活动、交通运输排放、矿物开采和金属冶炼等。本研究为祁连山脉各分段地区冰川人类活动对环境的影响作用提供了数据支持,为祁连山地区的生态文明建设和社会经济的可持续发展提供了重要的科技支撑。

  • 冰冻圈与全球变化
    车彦军, 陈丽花, 谷来磊, 张明军, 曹昀, 吴佳康, 赖彦怡
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1254-1265. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0096
    摘要 (1279) PDF全文 (195) HTML (18)   可视化   收藏

    冰湖接触型冰川的“湖-冰”相互作用显著,且共同作用于高山区水循环过程,在山区涵养水源、调节径流、维护生态多样性等方面发挥重要作用。本文基于Landsat遥感影像和ERA5-Land再分析资料,对东昆仑木孜塔格峰冰川区冰湖演变、冰川物质平衡进行了探讨。结果表明,木孜塔格峰冰川区冰湖主要分布于海拔5 275~5 400 m,多为冰川阻塞湖。1990—2020年分布有冰湖16个,其中,冰川5Y624E0022和5Y624F0020阻塞形成的两个冰湖分别发生3次和2次冰湖溃决事件。两湖均为周期性溃决冰湖,前者于1999年和2001年发生较大规模冰湖溃决,溃决前面积分别为(0.250±0.044) km2、(0.500±0.097) km2,溃决水量分别为(0.014±0.003) km3、(0.026±0.006) km3;后者为2000年形成的冰川阻塞湖,溃决前面积为(0.110±0.030) km2,同年溃决,水量为(0.006±0.002) km3。期间,冰湖数量有所增加,面积和储量均有减少趋势。然而,2000—2010年冰川累积物质平衡呈增加趋势,2010—2020年呈减少趋势,且有冰湖接触型冰川年均物质平衡呈显著的减小趋势(-0.024 m w.e.·a-1),略大于无冰湖接触型冰川的减小趋势(-0.022 m w.e.·a-1)。此外,冰川热融侵蚀和冰崩作用使得冰鳞川和木孜塔格冰湖与冰川相连位置分别加速退缩了0.65 km、0.28 km。总之,该地区冰湖正处于数量增加、冰湖空间扩张阶段,其加速了母冰川的物质亏损。

  • 冰冻圈与全球变化
    赵丹, 张志刚, 张起鹏
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1276-1287. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0098
    摘要 (1225) PDF全文 (487) HTML (17)   可视化   收藏

    位于青藏高原东南边缘的海螺沟冰川是典型的季风海洋性冰川,对气候变化响应极为敏感,研究海螺沟冰川现状及变化趋势具有重要的现实意义。本文以Landsat系列遥感影像为数据源,基于遥感和地理信息技术,采用波段比值阈值法和目视解译相结合的方法提取1974年、1991年、2000年、2009年、2020年5期冰川边界,并结合数字高程数据分析了在全球变暖大背景下近46年来海螺沟冰川长度、总面积、表碛覆盖范围和不同朝向冰川覆盖单元变化特征。结果表明:(1)1974—2020年冰川长度缩短1 087 m,年平均退缩速率为0.15%,其中,2000年后冰川末端退缩速度不断加快。(2)1974—2020年冰川面积减少0.55 km2,面积变化率为-2.19%,年平均退缩率为0.05%,其中2000—2009年减少最多,约为0.23 km2,面积变化率为-0.93%,年平均退缩率为0.10%。(3)不同朝向冰川也呈不同程度的退缩状态,其中偏东向冰川面积萎缩速率最快。冰川分布呈东多西少、南多北少的特点,且各朝向冰川面积分布与1974—2020年对应朝向面积总萎缩量存在正相关关系。(4)自2000年后海螺沟冰川西北部、东北部和西南部表碛覆盖面积不断增大,预测未来海螺沟冰川表碛将处于持续扩张的状态。

  • 冰冻圈与全球变化
    雷东钰, 王欣, 魏俊锋, 张勇, 殷永胜
    冰川冻土. 2023, 45(4): 1266-1275. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0097
    摘要 (1205) PDF全文 (265) HTML (10)   可视化   收藏

    湖-冰接触型冰湖水温影响入湖冰川融水量和冰碛坝温度,对研究冰川消融和冰碛坝稳定性具有重要意义。本文基于2012—2021年对龙巴萨巴湖现场水温观测等数据,探讨冰前湖水温变化特征及影响因素。研究发现,在观测的10~200 cm深度,冰前湖水温与气温密切相关,但冰川融水的汇入影响显著。夏季受大量冰川融水汇入的影响,夏季水温均值在4 ℃左右,湖水无明显分层现象;在日水温>4 ℃时,冰湖水温主要受太阳辐射强度和日间天气条件影响,形成日间热分层现象。冬季则具有明显温度分层。龙巴萨巴湖年结冰期主要受夏季水温和冰川补给量影响,大约从10月下旬至次年5月下旬,年结冰期约200天;湖冰厚度变化显著,2月份湖冰最厚,一般在100~200 cm之间。冰湖水温的变化,通过湖水-坝体热交换对坝体内部温度场产生影响,进而影响坝体冻融状态及稳定性。

  • 冰冻圈技术
    罗重鑫, 季青, 庞小平, 杨元德, 艾松涛, 茶明星, 王世金, 车彦军
    冰川冻土. 2024, 46(1): 335-346. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0028
    摘要 (999) PDF全文 (153) HTML (1)   可视化   收藏

    冰川是冰冻圈的重要部分,对局地乃至全球气候变化响应敏感。冰裂隙作为冰川表面上显著的特征,对于认识冰川的状态、稳定性以及内部应力有着重要的作用。针对冰川冰裂隙高精度快速识别提取问题,本文以玉龙雪山白水河1号冰川为研究对象,使用无人机航拍获取的0.12 m分辨率的正射影像,应用U-Net深度学习网络开展白水河1号冰川的冰裂隙的智能提取研究。使用U-Net网络提取冰裂隙的精度高于传统的Canny算子以及SVM算法,总体精度可高达93%,且U-Net网络泛化能力强。提取结果表明,白水河1号冰川冰裂隙主要为横向裂隙,伸展裂隙以及雁行裂隙,呈现随海拔降低,冰裂隙逐渐由横向裂隙变化为伸展裂隙的趋势,通过不同时期提取结果对比,发现冰裂隙数量和平均长度均有增加。基于无人机影像和深度学习方法的冰裂隙智能提取研究,可为监测冰川变化及其与气候变化的关系提供技术支撑。

  • 寒区工程与灾害
    张慧梅, 高培雄, 贾海梁, 王婷, 唐丽云
    冰川冻土. 2024, 46(2): 565-577. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0046
    摘要 (898) PDF全文 (31) HTML (1)   可视化   收藏

    损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。在-20 ℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发射(AE)系统采集试验过程中的表面变形和声发射信号,分析了试样表面应变局部化模式与内部微裂纹扩展类型。结果表明:(1)初始饱和度令试样的单轴抗压强度产生阶段性变化,并改变了试样各加载阶段占比和破裂过程中的声发射振铃计数分布特征;(2)以40%初始饱和度为转折点,试样的表面应变局部化模式由拉应变为主变为剪应变为主,初始饱和度超过90%时出现了拉、剪应变同时发展的混合模式,并能与试样的最终破坏形态对应;(3)损伤局部化过程中,试样内部的微裂纹扩展类型与表面应变局部化模式基本吻合。最后,结合不同初始饱和度下冻结岩石孔隙中的相组成分变化,分析了其对冻结岩石损伤局部化模式的影响。本研究有助于加深研究人员对冻结岩石力学性质的认识,为寒区岩石工程破坏与失稳预测提供重要参考。

  • 冰冻圈生态学
    朱培世, 刘阳, 徐业腾, 汪金秀, 张昺林, 陈拓, 刘光琇, 张威, 张松林, 章高森
    冰川冻土. 2024, 46(2): 697-709. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0057
    摘要 (867) PDF全文 (14) HTML (6)   可视化   收藏

    全球变化导致气温上升加速冰川退缩,冰川前缘进化出大量抗辐射-抗氧化微生物资源。细菌作为影响冰川前缘演替过程的重要类群之一,对其冰舌区新融化的冰碛物生境中抗辐射-抗氧化细菌的研究却较为少见。基于16S rRNA基因序列系统发育学的研究,不仅对老虎沟12号冰川前缘冰舌区冰碛物生境可培养细菌多样性进行研究,同时对菌株的抗辐射和抗氧化能力进行筛选和评估。研究表明,研究区域分离出的259株细菌分别归属于放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和异常球菌-栖热菌门(Deinococcus-Thermus),其中放线菌门的菌株数量最多,其次是变形菌门>拟杆菌门>厚壁菌门>异常球菌-栖热菌门;在物种多样性方面,放线菌门和变形菌门是物种丰富度最高的门。TN、TOC、WC和pH是影响可培养细菌群落结构的主要因素。UVC辐照强度的D10(致死率为10%)剂量高于100 J·m-2的菌株占可培养细菌总数的94.9%,过氧化氢耐受浓度的D10剂量高于10 mmol·L-1的菌株占100%;其中有20株抗辐射菌株氧化胁迫后的存活率在90%以上。此外,氧化胁迫后存活率高于Deinococcus-radiodurans R1的菌株均是100 J·m-2 UVC辐照后抗辐射存活率高于50%的抗辐射菌株。该研究不仅可以为冰川前缘环境中细菌的多样性和生态适应性提供理论基础,也可以为后续辐照、氧化损伤保护机制的研究提供丰富的抗辐射-抗氧化冰川细菌资源。

  • 冰冻圈水文与水资源
    张文豹, 辛惠娟, 李宗省, 张瑜, 唐彪, 徐崇
    冰川冻土. 2024, 46(2): 688-696. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0056
    摘要 (864) PDF全文 (38) HTML (1)   可视化   收藏

    高寒草甸作为主要的高寒生态系统之一,其非生长季的碳水平衡地位对整个生态系统具有重要意义。但该季节碳水通量的环境驱动因素知之甚少。因此,本研究基于涡动观测与气象梯度塔,探讨祁连山高寒草甸非生长季(2022年11月—2023年4月)的碳水通量及其影响因素。研究结果表明,祁连山高寒草甸生态系统,整个非生长季净生态系统碳交换量(net ecosystem carbon exchange,NEE)、总初级生产力(gross primary productivity,GPP)和生态系统呼吸(ecosystem respiration,Reco)分别为-18.0574 mg CO2⋅m-2、27.3565 mg CO2⋅m-2和9.2991 mg CO2⋅m-2。总蒸散发(ET)为74.8762 mm,比总降水量低15.0762 mm,该生态系统水循环较为平衡。在非生长季归一化植被指数、光合有效辐射和土壤温度是影响净生态系统碳交换量的主要因素。而相对湿度、降水和净辐射是影响非生长季蒸散发的主要因素。本研究结果揭示了祁连山高寒草甸非生长季的二氧化碳通量和水通量特征及其影响因素,为了解该地区碳收支过程和水平衡及其对气候变化的响应提供了重要参考。

  • 寒区工程与灾害
    贾海梁, 王振阳, 赵涛, 孙强, 唐丽云
    冰川冻土. 2024, 46(2): 578-591. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0047
    摘要 (847) PDF全文 (29) HTML (2)   可视化   收藏

    冻结岩石热融过程中强度会出现软化,是最易发生破坏的阶段。研究冻结岩石的热融软化规律对冻结地层解冻过程中的稳定性和安全性评价至关重要。本文开展了不同融化温度下冻结岩石的单轴压缩试验,在还原岩石孔隙结构及对细观参数进行精确标定的基础上,利用颗粒流软件(PFC2D)模拟了冻结岩石的压缩破坏过程。基于微裂纹起裂规律和微裂纹扩展规律分析,探讨了孔隙冰对冻结砂岩热融软化规律的控制作用。研究结果表明:(1)冻结岩石的强度、弹性模量等参数均随着温度的升高呈两阶段变化趋势,在-4 ℃至-2 ℃之间存在某一温度,使得试样的强度及变形参数发生骤降。(2)当温度低于-15 ℃时,微裂纹的起裂扩展主要由矿物颗粒之间的接触强度控制;当温度在-2 ℃和-15 ℃之间时,主要由冰颗粒之间和冰-矿物之间的接触强度控制;而当温度大于-2 ℃时,则主要由冰颗粒之间的接触强度控制。(3)通过分析孔隙冰在冻结岩石受荷破坏过程中所起的“支撑作用”和“黏结作用”,发现在-6 ℃至-4 ℃之间,冰颗粒之间黏结强度和冰-矿物黏结强度均迅速衰减,导致冰的支撑和黏结作用弱化,是该温度区间力学性质快速弱化的本质原因。

  • 冰冻圈技术
    苏佳利, 杨耘, 王家禹, 刘艳, 魏永强, 王锐, 杨成生
    冰川冻土. 2024, 46(2): 710-721. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0058
    摘要 (844) PDF全文 (27) HTML (1)   可视化   收藏

    针对利用ICESat-2星载光子点云数据进行冰川高程变化监测时,不同地形条件下的ICESat-2激光光子数据质量差异较大导致冰川高程变化量估算误差较大的问题,本文以青藏高原上中国最大的海洋性冰川——恰青冰川为例,联合使用ICESat-2激光测高数据及30 m分辨率SRTM的DEM产品,提出了融合稳健估计准则的多函数拟合冰川高程变化量估算误差改正模型,降低了因地形坡度引起的冰川高程变化量估算误差;进而,估算了2000—2021年间恰青冰川的高程变化速度及质量变化量。结果表明,与对应的传统最小二乘估计结果相比,本文提出的融合稳健估计的函数模型改正效果更优。随后,将改正结果与多种数据进行交叉验证,能够证明该误差改正模型的有效性和可行性。因此,该模型可以有效改善冰川高程和质量变化信息提取的精度,研究结果表明,研究区21年间冰川高程变化速率约为(-0.52±0.56) m⋅a-1,冰川质量变化约为-12 773.81×105 t。此外,经过对21年间气象数据的年变化和月变化分析可知,气温和降水量等因素是引起冰川高程变化的主要动因。

  • 冰冻圈技术
    王英梅, 王茜, 王俊程, 马殷军, 徐安花, 刘永恒, 陈继
    冰川冻土. 2024, 46(2): 722-730. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0059
    摘要 (840) PDF全文 (9) HTML (3)   可视化   收藏

    为探讨热管最佳工况,搭建了适用于多年冻土区的氨-钢热管试验台。通过监测热管内部轴向、外壁的温度分布以及外壁面的热流密度变化,在负温条件下开展了不同充液率(20%、30%、40%)和倾角(10°、30°、50°、70°、90°)对热管传热性能影响的试验。试验结果表明:在三种充液率下,热管处于10°倾角时均温性最佳;充液率为30%和40%的热管倾角50°时总热阻最小、传热效率最高,充液率为20%条件下热管的总热阻和传热效率在倾角30°时分别达到极小值和最高值。总体而言,充液率为30%的热管具有最佳传热表现。

  • 寒区工程与灾害
    朱美全, 金晓颖, 车富强, 王宏伟, 王文辉, 周刚义, 李国玉, 李新宇, 何瑞霞, 杨如轩, 唐建军, 李善珍, 张泽, 金会军
    冰川冻土. 2024, 46(2): 625-636. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0051
    摘要 (839) PDF全文 (29) HTML (1)   可视化   收藏

    冻土区管道保温层效果与评价指标变化的随机性密切相关,以往冻土区管道保温层效果评价模型存在一定的局限性与不足。为了提升冻土区管道保温层效果模型的应用效果,本文基于驱动力-状态-响应(Driving force-State-Response,DSR)理论、综合云理论和迭代运算方法相结合的综合评价方法,构建适用于中俄冻土区管道保温层效果的评价模型。为了验证冻土区管道保温层效果评价模型的科学性,以中俄管道沿线(漠河—大庆段)四处典型监测区域MDX007、MDX113、MDX304和MDX364为实例,应用评价模型对管道保温层效果的失效类型和失效可能性概率进行了综合分析。结果表明:运用评价模型可以科学指导中俄原油管道保温层效果的评估,并依据相应的保温层效果失效类型结果给出对应的措施建议。综合云模型能够结合不同理论模型的优势,保证冻土工程环境评价的科学性,通过置信度值验证,具有良好的应用前景。研究成果可为中俄原油管线安全稳定运营提供战略性的科学支撑。

  • 冰冻圈水文与水资源
    刘义花, 高歌, 翟建青, 刘绿柳, 温婷婷, 孙永寿
    冰川冻土. 2024, 46(2): 675-687. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0055
    摘要 (835) PDF全文 (23) HTML (1)   可视化   收藏

    基于两个共享社会经济低碳路径(SSP1-2.6、SSP2-4.5)下的CMIP6中的8个GCMs气候模式进行黄河源区2021—2060年平均气温和降水量预估。在此基础上,利用CMIP6中的8个GCMs气候模式分别驱动HBV、SWAT水文模型综合集成预估了黄河源区2021—2060年流量的年代际变化。结果表明:SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下,2021—2060年黄河源区呈暖湿化趋势,平均气温较基准期(1995—2014年)分别上升1.3 ℃、1.6 ℃,年降水量分别增加11.6%、11.5%。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下2021—2060年黄河源区年平均流量分别增多8.6%、8.5%;两种情景下黄河源区21世纪各年代际流量均增加,其中21世纪20年代和30年代流量增幅小于40年代、50年代流量增幅。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区2021—2060年6—8月流量减幅在1%以下,而3—5月和9—12月流量增幅为0.1%~2.1%。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区蓄水期(9—11月)极端丰水流量增加2.5%~2.7%,SSP1-2.6情景下黄河源区2021—2060年汛期(6—8月)极端丰水流量总体增加0.1%,SSP2-4.5情景下黄河源区汛期极端丰水流量减少1.3%,SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区枯水期(12至次年5月)极端丰水流量减少0.7%~1.0%;黄河源区汛期(SSP1-2.6和SSP2-4.5情景)及枯水期(SSP1-2.6情景)极端枯水流量较基准期增加0.8%~1.9%,两种情景下黄河源区蓄水期极端枯水流量减少1.8%~2.3%。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    孔伟明, 韦孟丹, 胡垚坤, 梁巧霞, 张晓敏, 罗建华, 张伟
    冰川冻土. 2024, 46(1): 1-12. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0001
    摘要 (833) PDF全文 (183) HTML (11)   可视化   收藏

    “亚洲水塔”流域养育着亚洲十几亿人口,对全球经济发展起着至关重要的作用。在气候变暖背景下,“亚洲水塔”流域的水资源快速变化以及不断增长的人类活动用水需求,使水塔流域水资源压力风险越显突出。为了解“亚洲水塔”流域水资源压力的状况及未来变化,基于部门间影响模式比较计划(ISIMIP)中全球水文模型的径流和用水数据,利用水压力指数方法,系统评估了“亚洲水塔”21个流域的水压力状况和未来的可能变化。结果表明:1971—2010年间,“亚洲水塔”21个流域的水压力总体上呈现升高趋势,多年平均水压力等级达到高或以上的流域为印度河流域、塔里木河流域和黄河流域;针对“亚洲水塔”21个流域未来水压力的变化预估,各流域水压力表现为先增加,之后不同流域表现出持续增加(2个流域)、趋于稳定(5个流域)和下降(14个流域)三种趋势,人类取水活动在未来水压力的变化中起决定性作用。整体上,南亚和东南亚地区水压力将持续增加,例如,布拉马普特拉河流域和湄公河流域,未来水资源短缺和水安全风险很高。

  • 寒区工程与灾害
    李成艳, 张玉芝, 蒋薇, 王玺
    冰川冻土. 2024, 46(2): 592-601. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0048
    摘要 (825) PDF全文 (23) HTML (2)   可视化   收藏

    非饱和粗粒土冻胀是季节冻土区路基工程的主要灾害原因。为探究非饱和粗粒土的冻胀变形规律,针对其冻胀过程特点,基于达西定律和傅里叶定律,本文提出一种描述温度变化作用下适用于非饱和粗粒土水汽迁移的数值模型。该模型综合考虑了冰水相变和水汽迁移对土体冻胀变形的影响,对比数值模拟结果与室内试验结果,验证了模型的合理性与可行性。通过气态水通量和液态水通量分析冻结过程中蒸汽在水分迁移中的作用,并利用数值试验进一步探究在不同温度梯度作用下粗粒土水汽迁移和冻胀变形规律的变化特征。研究表明,在粗粒土冻结过程中,在土柱冻深范围内,气态水有明显的向上迁移趋势,对土体的冻胀有重要贡献。数值试验中发现,不同冷端温度作用对土样温度变化、含水率变化均产生影响,同时对水汽迁移变化和冻胀变形有显著影响。在不同冷端温度作用下,高度为20 cm的试样均在高度3 cm左右达到最大含水率,表面最大冻胀量可达约4 cm。

  • 寒区工程与灾害
    梁沈伟, 王彬, 荣传新, 于胜民
    冰川冻土. 2024, 46(2): 650-661. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0053
    摘要 (789) PDF全文 (21) HTML (1)   可视化   收藏

    以统一强度理论作为卸载状态下寒区隧道冻结围岩屈服准则,综合考虑围岩非均质特性和中间主应力效应对冻结围岩强度影响,建立寒区隧道应力位移弹塑性力学模型,联合各区域边界条件,计算获得冻结围岩均质与非均质状态下,弹性解、塑性统一解以及塑性区半径的隐式方程,分别对其应力位移场讨论分析。研究表明:考虑冻结围岩的非均质特性,塑性区环向应力峰值增大40%,塑性区范围相对减少40.4%,内壁位移减少9.3%,弹性极限承载力提高41%,塑性极限承载力提高14%,影响显著。中间主应力效应能充分发挥非均质冻结围岩承载潜能,计算得到的承载力明显增大,塑性半径明显减小。所得结果可为寒区隧道开挖支护设计以及数值模拟,提供理论指导。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    益西卓玛, 高佳佳, 拉巴, 索朗卓嘎, 罗骕翾, 边巴次仁, 格桑丹增
    冰川冻土. 2024, 46(1): 28-39. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0003
    摘要 (776) PDF全文 (126) HTML (3)   可视化   收藏

    湖泊是气候变化的敏感指示器,研究其动态变化对揭示全球气候变化及水资源利用与管理具有重要意义。本文以长江源区多尔索洞错-米提江占木错为研究对象,应用Landsat-5/7/8卫星和高分遥感影像,分析了1989—2021年湖泊面积变化的时空特征,并探讨了冰湖-冰川对气候变化的响应。结果表明,1989—2021年间,多尔索洞错-米提江占木错湖泊平均面积为1 011.37 km2,由1989年的872.07 km2扩张至2021年的1 119.5 km2,平均扩张率为8.62 km2⋅a-1。从年代际变化来看,21世纪初期湖泊面积扩张最明显,尤其是在湖泊北部、西北部及南部地区;20世纪90年代增长最为缓慢。1990—2020年各拉丹冬冰川面积从1990年的797.85 km2缩小至2020年的766.19 km2,减少了31.66 km2,缩减率为1.106 km2⋅a-1。2004年之前,气温升高引起的冰川融水是多尔索洞错-米提江占木错湖泊面积变化的主要因素,对湖泊面积变化的平均贡献率为66.8%;2004年之后,降水在多尔索洞错-米提江占木错湖泊面积变化因素中起主导作用,降水对湖泊面积变化的平均贡献率为57.8%。

  • 寒区工程与灾害
    范金珂, 岳祖润, 韩子豪, 孙铁成, 胡田飞, 张松
    冰川冻土. 2024, 46(2): 602-611. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0049
    摘要 (763) PDF全文 (16) HTML (1)   可视化   收藏

    为探究高频冻融循环对冰碛土力学性质的影响,并建立高频冻融循环作用下冰碛土强度劣化的预测模型,以高寒高海拔地区冰碛土为研究对象,通过室内高频冻融循环试验及不固结不排水三轴试验,探究高频冻融循环次数和初始含水率对冰碛土破坏强度的影响规律,并基于试验数据和BP神经网络建立相应的预测模型,同时引入群智能优化算法对模型进行改进。研究结果表明:(1)高频冻融循环作用对冰碛土强度有着很大影响,在不同试验条件下,冰碛土强度劣化范围为30%~40%,且经过15~20次高频冻融循环后冰碛土强度劣化趋于稳定。(2)利用SSA-BP神经网络模型可反映高频冻融循环次数、初始含水率、围压与冰碛土破坏强度之间复杂的非线性关系,且预测误差明显小于BP神经网络模型,预测结果更加准确。(3)将SSA-BP神经网络模型与线性拟合采用的Logistic模型对比验证发现两者吻合度较高,进一步说明了SSA-BP模型的准确性。研究成果可为高寒高海拔地区的工程稳定性评价提供重要参数。

  • 寒区工程与灾害
    穆柯, 金龙, 夏香香
    冰川冻土. 2024, 46(2): 662-674. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0054
    摘要 (754) PDF全文 (13) HTML (2)   可视化   收藏

    漂珠作为一种高热阻材料,运用于多年冻土区沥青路面最初目的是减少运营期路面吸热,减缓冻土融沉。但其对施工期沥青路面温度散失规律及有效碾压时间的影响,则鲜有研究涉及。漂珠的加入改变了混合料自身的热物理性质,进而对沥青路面压实以及进入冻土路基的热量造成影响。本文首先通过室内试验,测试沥青胶浆热物理参数随漂珠掺量的变化规律。由于沥青混合料碾压过程中材料本身逐渐从松散状态转化为密实状态,该过程中材料孔隙率不断降低强度随之提高,因此施工期间沥青混合料热物理参数也处于动态变化之中。试验过程中,将添加漂珠后的沥青混合料视为一种复合材料,其主要由粗集料、沥青胶浆、空气三部分,通过室内试验测定漂珠沥青混合料中三种成分的热物理参数,并基于Williamson公式计算摊铺碾压过程中漂珠改性沥青混合料在密实和松铺两种状态下的热物理参数。之后建立摊铺碾压过程沥青路面温度场计算有限元模型,获取不同漂珠掺量和摊铺厚度下路面温度场变化规律,明确添加漂珠对施工期进入路基热流影响。最后基于数值计算结果,对施工期沥青路面温度影响因素进行多元回归分析,获得了施工期间沥青混合料温度预估方程。研究结果表明:添加15%沥青体积漂珠后混合料导热系数降低78%,比热容变化不大(小于1%)。外界气温为0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃工况下,添加15%漂珠可使密实状态下混合料有效碾压时间提升21.1%、20.2%、17.5%、16.8%;松散状态提升21.6%、21.2%、20.3%、18.7%。相同工况下,松铺状态有效碾压时间为密实状态下的1.7~2.1倍,因此,在低温工况下,初步碾压作业一旦开始,后续复压及终压应快速、连续开展,确保有效时间内使混合料达到规定压实度。此外,添加5%、10%、15%漂珠还可使密实状态下进入基层热量分别降低1.9%、3.1%、6.4%;松散状态下降低3.5%、7.3%、12.8%,说明添加漂珠对降低施工期热量对路基的扰动也有积极作用。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    肖敏轩, 赵林, 张钰鑫, 高骏强, 邹德富, 胡国杰, 赵建婷, 李智斌, 赵拥华, 肖瑶, 刘广岳, 杜二计, 刘淼
    冰川冻土. 2024, 46(1): 13-27. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0002
    摘要 (751) PDF全文 (99) HTML (0)   可视化   收藏

    活动层内部的冻融锋面是冻融过程中冻结土层与融化土层的分界面,其上下土层的水热参数有着显著差异。在陆面过程模式中准确描述冻融锋面的移动过程将有助于提高其对多年冻土水热过程的模拟能力。本研究首先将Noah-MP陆面过程模式的模拟深度扩展到20 m,并将原模式的4层土层增加到19层土层,同时引入前人的有机质方案和植被根系方案,然后在此基础上,通过耦合Stefan方法以加强模式对冻融锋面的模拟能力,进而探究耦合Stefan方法的Noah-MP模式对西大滩多年冻土站点水热过程的模拟效果。研究中设置了不耦合Stefan方法的CTL控制试验和耦合Stefan方法的STE对照试验来分别模拟西大滩多年冻土站点2012年0~20 m的土壤温度与土壤液态含水量,模拟结果用站点0~3.2 m内10个深度的日均土壤温度、土壤液态水含量监测数据以及3 m、6 m和10 m的年均地温监测数据来做验证。研究结果表明,由土壤温度模拟值插值得到的冻融锋面(0 ℃等温线)有明显阶梯状特征,最大冻融深度与实测相比偏大。耦合Stefan方法增强了Noah-MP模式模拟冻融锋面的能力,使得模式能够基于Stefan方法较好地模拟出冻融锋面的变化趋势和最大深度。同时,改进后的模式整体改善了对土壤温度的模拟效果,使得0~3.2 m各土层土壤温度的平均RMSE降至0.89 ℃,减小44%;平均MBE降至-0.13 ℃,减小86%;模拟的3~20 m年均地温与实测数据更为接近。改进后的模式对土壤液态含水量的模拟水平也有一定改善,其中,模拟的0~3.2 m各土层的土壤液态含水量的平均RMSE降至0.06 m3·m-3,减小33%;平均MBE降至-0.01 m3·m-3,减小67%。模式还较好描述了活动层20 cm、40 cm、80 cm、120 cm土壤的融化时间。可以看出,在陆面过程模式中耦合能够较好模拟冻融锋面移动过程的Stefan方法可较大程度提高模式的模拟能力,是陆面过程模式改进的有效途径之一,本研究的结果可为多年冻土区陆面过程模式改进提供参考。

  • 寒区工程与灾害
    赵辉伟, 邴慧
    冰川冻土. 2024, 46(2): 612-624. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0050
    摘要 (740) PDF全文 (12) HTML (1)   可视化   收藏

    现有宏观控制因素作用下对冻土宏观强度的研究主要采用试验手段,在实践中已取得较好的成果。室内外试验普遍存在试验周期长、成本高的特点,随着新技术手段的涌现,探索更为简便的方法和构建预测模型,成为了科研工作者长期努力的方向。同时宏观控制因素对冻土宏观强度的影响借助土体内部特征这一媒介发挥作用。由于超声波是岩土介质物理力学性质等相关信息的良好载体,利用超声波检测具有的无损、快速、简便等特点,可反映土体内部特征。因此,本文从两种思路出发,设计出包含不同类型参数的强度预测模型:思路1,宏观控制性因素到宏观强度特性;思路2,宏观控制性因素到超声波速反映的土体内部特征再到宏观强度特性。基于此,首先通过试验获取不同含盐量土体经历不同冻融循环次数的超声波速和单轴抗压强度作为基本数据,再将思路1参数设置为试验控制变量,将思路2参数设置为纵、横波速构造的超声特征参数群,即联合两思路参数作为模型输入,建立单轴抗压强度的BP神经网络预测模型,并采用缺省因子检验法评估该模型。结果表明,随冻融次数、含盐量增加,单轴抗压强度总体减小;冻融初期波速波动明显,中期趋缓,后期恢复至初始值附近,且控制性因素作用下强度随波速增加呈阶梯式下降状态。而将经灰色关联度及粗糙集优化的思路2参数作响应土体内部特性的最优子序列建立的BP模型,平均绝对误差小于0.05 kPa,决定系数大于0.96,各参数敏感性指数平均为1.4251。同时敏感性分析成功验证了控制性因素、最优子序列在模型构建过程的假设地位,单个控制性参数对单轴抗压强度的影响大于单个超声特征参数。此外,模型精度较高、实用性较强,可为冻土模型的强度预测及参数选取提供参考。

  • 寒区工程与灾害
    来兴文, 李亚洲, 李冰, 汪月, 张在兴, 李小冰, 王超
    冰川冻土. 2024, 46(2): 637-649. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2024.0052
    摘要 (737) PDF全文 (7) HTML (1)   可视化   收藏

    深层热水钻是开展极地冰下湖洁净钻探取样的重要工具。井下回水系统是深层热水钻的关键组成部分,主要包括回水软管、注热软管、潜水泵和回水腔等。回水软管用于抽取回水腔中的融水至地表以实现循环利用,而注热软管则用于将地表热水注入回水腔以防止其冻结。回水软管和注热软管的热流特性对井下回水系统设计十分重要,但目前还未开展系统研究,其压力损失和温度损失的变化规律尚不清楚。本文首先基于达西-魏斯巴赫公式和苏霍夫温降公式提出了回水软管和注热软管热流特性的理论计算方法;然后,在COMSOL Multiphysics 5.6软件建立了两种软管热流特性的数值模拟方法,并与理论计算结果进行了对比;最后,系统分析了流量、内径、长度、进口水温、导热系数、内壁粗糙度、冰层温度、壁厚等因素对回水软管与注热软管压力损失和温度损失的影响规律。研究结果指出了影响回水软管与注热软管热流特性的主导因素,得到压力损失和温度损失的大小,从而为设计安全高效的井下回水系统提供了理论支撑。