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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 (3477) PDF全文 (171) 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 (3351) PDF全文 (167) 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 (3301) PDF全文 (143) 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 (3208) PDF全文 (205) 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 (3173) PDF全文 (187) 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。

  • 冰冻圈技术
    陈刚, 陈兴杰, 张彦丽
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1155-1167. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0088
    摘要 (3172) PDF全文 (151) HTML (7)   可视化   收藏

    积雪消融是气候变化和水资源管理的重要影响因素。本文联合Sentinel-1与Sentinel-2时序数据,提出了一种联合SAR与光学遥感数据的积雪消融识别方法。以祁连山区八宝河流域为研究区,利用ESTARFM时空数据融合模型得到与Sentinel-1同时相的Sentinel-2模拟数据,提取流域积雪覆盖范围;基于SAR多时相多极化变化检测算法提取湿雪;结合光学遥感与DEM数据对SAR提取的湿雪进行校正,最终获得八宝河流域消融期内18个时相干湿雪分布。利用GF-2影像和消融期的Sentinel-2影像分别对积雪和湿雪面积进行精度验证,结果表明该方法能够快速识别积雪消融时空变化,总体分类精度OA高达99%,Kappa系数高达0.86。同时,利用同一天早晚过境相差约12小时的升、降轨SAR数据对比分析了积雪消融变化特征。根据实验数据集分析表明,八宝河流域内干湿雪分布随时间剧烈变化,消融初期湿雪主要集中在河谷低海拔区域且消融速度快,随着气温的升高积雪消融至高海拔区域,而干雪主要分布在四周高海拔山区。且由于过境时间的差异,在整个消融期,降轨数据提取的湿雪面积小于升轨数据提取的湿雪面积。

  • 冰冻圈技术
    谢佩瑶, 韩超, 欧阳志棋, 王晓艳
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1168-1179. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0364
    摘要 (3018) PDF全文 (1129) HTML (0)   可视化   收藏

    MODIS V006版本数据仅提供了归一化积雪指数(NDSI),而用户往往关心的是直观的积雪分类,包括积雪范围或积雪覆盖率。美国国家冰雪数据中心推荐全球积雪范围最佳的NDSI阈值为0.4,但是青藏高原地形复杂多样,积雪斑块化特征明显,单一阈值并不能精确地判识不同下垫面上的积雪。青藏高原被称为地球的第三极,是中国三大稳定积雪区之一,蕴藏了大量的淡水资源。随着全球气候变暖,青藏高原地区积雪融化时间提前,冰川融水增加,影响河流水量,造成洪涝灾害,进而影响人类正常生产生活,因此通过确定不同下垫面阈值,改善传统阈值的积雪高估低估现象,提高积雪识别精度,进而更准确地探究青藏高原积雪状况,显得尤为迫切。本文以青藏高原为研究对象,首先生成MODIS逐日无云NDSI序列并进行验证;其次对应站点雪深数据与NDSI序列,证实在下垫面为林地和非林地的区域,去云NDSI序列与站点雪深均有良好的对应关系,确定不同下垫面最优阈值范围;最后在最优阈值范围内通过混淆矩阵确定最优阈值。计算得出,林地NDSI=0.03时,总体精度最高为94.02%,在该NDSI之下,高估误差OE和低估误差UE分别为1.21%和4.60%;非林地NDSI=0.26时,总体精度OA最高为94.27%,在该NDSI之下,高估误差OE和低估误差UE分别为0.51%和5.03%。因此选取优化后林地阈值为NDSI=0.03,非林地阈值为NDSI=0.26。为避免地面常规观测资料尺度上的局限性,本文采用高精度的Landsat 8 OLI卫星数据识别结果,作为“真值”对优化后阈值的判别结果进行“像元—像元”级别的验证。在定量验证中,优化后 NDSI阈值对MOD10A1 V006积雪判别结果的总体精度OA为84.21%,高估误差OE为5.33%,低估误差UE为10.46%;传统阈值对MOD10A1 V006积雪判别结果的总体精度OA为82.86%,高估误差OE为1.48%,低估误差UE为15.66%。可以看出在定量验证中,优化后阈值的积雪判别精度更高。同时在定性验证中,积雪大面积集中的区域,新的阈值与传统阈值提取效果均相对较好;积雪相对分散破碎的区域,优化后阈值能提取出大量积雪,传统阈值则不能。这表明考虑不同土地覆盖类型下的NDSI阈值优化可以有效地提高青藏高原积雪判别精度,为NDSI在积雪识别中的应用提供有力的支撑,有助于更准确地了解该地区积雪分布状况。

  • 冰冻圈技术
    刘状壮, 季鹏宇, 张有为, 王振, 程伟, 郑文清
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1180-1194. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0089
    摘要 (2895) PDF全文 (139) HTML (2)   可视化   收藏

    国土面积2/3为寒区的中国拥有广泛的路网、机场和城镇等人工地面系统,除冰雪技术研究与发展对道路安全与保障起到重要作用。为全面了解国内道路除冰雪领域研究现状和趋势,通过中外常用数据库核心集获取2010年以来我国学者在道路除冰雪领域的研究文献,借助CiteSpace软件对获取的文献信息中的发文量、文献来源和关键词进行分析。结果显示,我国道路工程领域对除冰雪技术愈发重视,自2010年以来我国在该领域的发文量逐年增加。同时发现,我国道路除冰雪领域学者在中文期刊的发文量占比在近年来则有所降低,更倾向于将研究成果发表于英文期刊。结果表明,长安大学、哈尔滨工业大学等高校是该领域主要的研究机构,且国内科研院所在国际合作方面还有待提升。在研究内容方面,我国道路工程学者对融雪剂的研究在减少,更加关注流体加热路面、电热路面等新型除冰雪技术。通过对2010年以来的高共被引文献分析,电热除冰雪技术、微波加热除冰雪技术、融雪抑冰路面等技术优势突出,更易引起学者关注,但在工程应用方面存在不足。通过文献综述发现,我国道路工程除冰雪领域急需解决上述新型除冰雪技术的能耗、工艺、成本、融雪效果及路用性能平衡等几个关键方面的问题。

  • 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 (2177) PDF全文 (320) 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 (2160) PDF全文 (711) 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 (2023) PDF全文 (204) 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 (1970) PDF全文 (201) 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 (1969) PDF全文 (184) 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。

  • 冰冻圈技术
    刘晓明, 于正良, 邬光剑, 杨一博, 叶程程, 高少鹏, 黄菊
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1142-1154. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0087
    摘要 (1951) PDF全文 (152) HTML (0)   可视化   收藏

    积雪作为大气固态降水过程的主要形式,是反映大气化学成分的良好媒介。然而,积雪样品在采集后的不同储存和处理方式可能会影响其原始信息的获取。本研究采集青藏高原腹地纳木错地区的积雪样品,使用不同前处理方法探究其对主要阳离子浓度的影响。结果表明:积雪样品融化后第3天及更长时间,使用不过滤的前处理方式会使测试结果明显偏离实际值。过滤操作能规避碳酸盐矿物溶解对Ca2+、Mg2+和Sr2+的富集,减少对大陆粉尘来源贡献的高估;对K+和Na+的影响则主要通过黏土矿物与水体间的离子交换实现,使得前者浓度降低、后者升高,从而可能低估生物质燃烧源的贡献、高估海盐输入。就不同孔径的滤膜而言,0.20 μm滤膜过滤效果优于0.45 μm滤膜。过滤后溶液的大部分离子在冷藏或常温存储的前10天变化较小(<10%)。综上,本文建议积雪样品在融化后当天使用孔径为0.20 μm的滤膜过滤,滤后溶液存储方式可选择冷藏或常温保存,并在10天或更短时间内完成测试。

  • 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 (1912) PDF全文 (225) 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。

  • 冰冻圈水文与水资源
    孙雯璇, 杜文涛, 陈记祖, 蒋友严, 徐志龙, 刘鹏枭, 王金牛, 贺建桥, 罗立辉, 康世昌
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1128-1141. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0367
    摘要 (1813) PDF全文 (158) HTML (3)   可视化   收藏

    山地冰川因具有高反照率、冰川风、逆温层及高值降水等特征而形成了独有的局地微气候,尤其是作为高值降水中心,对径流变化具有重要影响。本文基于祁连山中段北坡摆浪河21号冰川末端(海拔4 350 m)2020年9月2日—2021年8月28日的气象观测资料,开展了微气象特征分析,与临近不同海拔、下垫面的同期降水以及祁连山典型冰川区降水进行了比较,并对最大降水事件过程开展环流成因分析。研究发现:摆浪河21号冰川区气温超过0 ℃的天数有84 d,集中在5—9月;冰川风盛行,不同于其他冰川区的山谷风循环;天气主要以多云为主;入射与反射短波辐射月最大值分别出现在5月和4月。摆浪河21号冰川降水主要集中在4—8月,降水频次和强度均随着云量的增加而增加。观测年最大降水事件(2021年7月25—27日)属于局地对流降水,中高纬西北-东南向水汽输送为降水区提供了大量水汽;低层辐合和高层辐散、层结不稳定造成了强烈的暖空气上升,加之降水区位于槽后脊前不断有冷空气输入,冷暖交汇促使降水发生。

  • 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 (1742) PDF全文 (171) 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
    秦彩霞, 刘时银, 吴坤鹏, 高永鹏, 潘兮然, 段仕美, 张晨扬, 张子凡
    冰川冻土. 2023, 45(3): 833-845. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0064
    摘要 (1708) PDF全文 (176) HTML (5)   可视化   收藏

    延时摄影因可靠、高效和低成本的优势,在冰川监测中应用广泛,特别是对于获取冰川表面连续变化信息而言。本文基于2020年3月—2021年9月物候相机拍摄的梅里雪山明永冰川末端照片及多期无人机影像,利用地面摄影测量技术和互相关算法,提取了日尺度冰川表面运动速度。结果表明:通过物候图像获取的冰川表面运动速度分辨率高,从海拔2 880~3 150 m a.s.l.,冰川总位移介于(129.38±7.76)~(669.95±247.88) m,年均表面运动速度达(79.14±4.74)~(412.86±152.75) m·a-1,呈从中间向两侧减缓的空间分布特征。冰川表面运动速度随季节变化,夏季流速[(0.13±0.06)~(1.99±0.37) m·d-1]快于冬季流速[(0.07±0.06)~(1.35±0.37) m·d-1]。与冬季流速相比,夏季流速受降水和气温升高的影响不稳定。根据流速分离结果,明永冰川末端底部全年处于融化或压融状态,底部滑动对冰川表面运动速度的贡献介于76%~93%。冬季底部滑动占表面流速高达82%,夏季底部滑动对冰川运动起绝对主导作用。本文采用的技术为进一步研究季风海洋型冰川的运动机制提供了参考方案。

  • 寒区工程与灾害
    武立波, 曹金生, 牛富俊, 林战举, 商允虎, 胡川
    冰川冻土. 2023, 45(3): 966-979. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0073
    摘要 (1644) PDF全文 (198) HTML (1)   可视化   收藏

    大量工程实践表明,在寒冷山区公路建设过程中,路基阴阳坡效应对冻土区路基的稳定性具有重要影响。以甘肃省南部山区季节冻土路基为例,基于新建宕昌—迭部二级公路试验段的现场监测资料,分析了季节冻土山区公路路基阴阳面的地温和变形差异,提出针对性的两种新型防治措施——措施A(阴坡侧路基下半幅铺设10 cm厚XPS板,阳坡侧路基下半幅铺设6 cm厚XPS板)和措施B(路基下满幅+阴坡坡面铺设6 cm厚XPS板),并通过数值模拟分析了这两种措施控制路基阴阳坡效应的效果。结果表明,在甘肃南部季节冻土山区,山体遮挡作用使公路路基阴阳坡发生转换,对路基横向地温的影响不容忽视,试验段K18+180段阴坡路肩与阳坡路肩地温最大相差6 ℃左右,公路路基横向地温存在显著的阴阳坡效应。地温的横向差异导致公路路基土体冻深和冻胀变形的横向差异,两个试验段路基中心与阳坡路肩的最大季节冻深在第一个、第二个冻结期内均相差约0.8 m和0.9 m,K18+180段阴阳坡路肩冻胀量差值的最大值为2.8 mm,出现在春融初期。路堤高度为1.0 m、2.0 m时,措施A和措施B都能显著地减小公路路基阴阳坡温度差异,并且控制效果明显优于普通措施(满幅铺设8 cm厚XPS板、满幅铺设6 cm厚XPS板)。建议季节冻土山区公路设计时应充分考虑山体遮挡这一局地因素对路基土体冻融状态的影响,并采取阴阳坡两侧差异设计的结构型式,以减少因阴阳坡现象导致的路基病害。研究结果可为季节冻土山区路基阴阳坡效应及其防治研究以及冻害研究提供参考和借鉴。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    齐冬梅, 李跃清, 周长艳, 陈超, 赖欣
    冰川冻土. 2023, 45(3): 846-864. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0065
    摘要 (1631) PDF全文 (216) HTML (9)   可视化   收藏

    利用1979—2016年ERA-Interim的月平均再分析资料,通过统计分析、诊断研究等方法,分析了青藏高原水汽收支的气候变化特征及其成因。结果表明:青藏高原水汽四个季节均是从南、西、北边界流入高原,从东边界流出高原;青藏高原春、夏、秋季都表现为一个明显的水汽汇,夏季是高原水汽输送最活跃的季节,而冬季水汽从高原向外输出;高原东部(南部)水汽输送和收支量远大于高原西部(北部)。青藏高原年和夏季有逐渐变湿的趋势,主要是由于东边界水汽流出量的显著减少;高原东、西部的水汽净收入均呈增加趋势,高原西部的增幅明显大于高原东部;东边界水汽流出量的减少是高原东部水汽净收入增加的原因,而南边界水汽流入量的明显增加是高原西部水汽净收入增加的原因;高原北部水汽收支的年际变化比高原南部更明显,高原北部有明显增湿的趋势,而高原南部增湿趋势不明显。夏季青藏高原南边界水汽收支变化主要受青藏高原以南、以东的季风控制区偏南风水汽输送的影响,与西太副高的变化也有密切联系。西边界水汽收支的变化主要受中纬度西风带水汽输送的影响,北边界水汽收支的变化主要受到“丝绸之路”遥相关波列的影响,东边界的水汽输出偏少与高原地区东北侧至贝加尔湖附近上空的反气旋异常和华南地区上空的气旋异常有关。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    刘志云, 张亚星, 崔福庆, 袁堃, 黄川
    冰川冻土. 2023, 45(3): 865-875. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0066
    摘要 (1555) PDF全文 (209) HTML (3)   可视化   收藏

    近相变区冻土导热系数是影响寒区岩土工程热稳定性的关键物性参数,针对该温度区间冻土导热系数难以精确测量的问题,提出了一种稳态热流计法试验获得导热系数、量子粒子群寻优算法近似回归定性温度的近相变区冻土导热系数测试方法,采用核磁共振技术对细砂土近相变区未冻水含量进行测试并探究了其与导热系数的关系,分析了负温区细砂土导热系数的分布特征和参数影响规律,建立了不同温度区间的导热系数预测模型。结果表明:负温区细砂土未冻水含量变化曲线与其导热系数呈现出极为相似的变化规律,温度-导热系数曲线可划分为-3.2 ℃为界的近相变区和稳定相变区;冻结细砂土导热系数的增幅区间主要发生在近相变区,增长幅度约占整个负温区导热系数总增幅的50%,且随温度降低,导热系数的增幅逐渐减小;预测模型平均相对误差为4.14%,±10%误差内占比为94.7%,稳定相变区确定系数R2为0.892,近相变区确定系数R2为0.883,证明了该模型具有较好的准确性。研究成果可为寒区工程温度场的计算与分析提供基础参数,亦可为寒区重大基础设施精细化设计和冻土风险精细化防控提供数据支持。

  • 寒区工程与灾害
    张益舶, 张熙胤, 刘有乾, 于生生, 马华军, 王万平, 管嘉达
    冰川冻土. 2023, 45(3): 953-965. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0072
    摘要 (1538) PDF全文 (174) HTML (1)   可视化   收藏

    在青藏高原多年冻土退化趋势明显及地震活动频发的背景下,为研究多年冻土退化对青藏铁路桥梁桩基础地震易损性的影响,建立了桥梁桩基础-冻土相互作用有限元计算模型,并通过拟静力模型试验验证了模型的合理性。考虑多年冻土退化效应的影响,以桩基础曲率延性比为损伤指标,以地面峰值加速度PGA为地震动强度参数,并选取了符合场地特征的80条地震波,对不同多年冻土活动层厚度和轴压比下的原型桥梁桩基础进行了非线性地震损伤分析。拟静力试验和数值模拟结果表明:地震作用下桥梁桩基础顶部破坏严重,是整个桥墩-桩-土体系的薄弱部位;随着多年冻土活动层厚度的增加(退化程度加剧),周围土体对桩基础的约束减弱,桩身的最大曲率呈减小趋势,从而降低了地震作用下桥梁桩基础的破坏概率,但墩顶位移却有所增大,导致地震过程中落梁风险增加;而随着桥墩轴压比的增大,桩身最大曲率明显增加,多年冻土区桥梁桩基础的地震易损性显著增加。考虑到桥梁桩基础破坏后修复难度较高,因此多年冻土退化背景下青藏铁路桥梁抗震性能评估还需考虑高桥墩轴压比变化对桩基础地震易损性产生的不利影响。

  • 寒区工程与灾害
    郭俊钰, 祁元, 王宏伟, 张金龙, 杨瑞, 曹永攀
    冰川冻土. 2023, 45(3): 980-992. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0074
    摘要 (1504) PDF全文 (156) HTML (0)   可视化   收藏

    在中国煤炭是一种重要的能源,大规模的开采活动严重破坏了周边的生态环境,而高原高寒地区煤矿开采对地表温度的时空影响规律有待深入研究。地表温度作为一种重要的地表参数对地表能量和水分平衡研究均具有重要意义,也可以反映区域生态环境的变化。本文以Landsat 5/8影像为数据源,利用面向对象的方法和普适性单通道算法分别得到了7期土地利用/覆盖数据和地表温度数据,研究了1990—2021年木里煤田聚乎更矿区从开采到生态修复过程的地表温度变化特征和影响因素。结果表明:利用面向对象的方法得到7期土地利用/覆盖数据很好地反映了聚乎更矿区的几个阶段,分别为缓慢开采期(1990年、2002年),快速开采期(2005年、2009年),缓慢修复期(2015年、2019年)和快速修复期(2021年);矿坑、建成区、排土场、堆煤场等煤矿土地类型地表温度最高,高寒草甸次之,高寒沼泽草甸地表温度较低,水体温度最低,裸地则在特高温和低温均有分布;草甸区地表温度影响因素的解释力大小排序为NDVI>反照率>坡向>海拔>坡度,矿区地表温度影响因素的解释力大小排序为坡向>反照率>NDVI>海拔>坡度,修复区地表温度影响因素的解释力大小排序为NDVI>反照率>海拔>坡向>坡度。研究工作有助于揭示高原矿区地表温度的变化规律,对于评估木里煤田生态修复效果具有重要的参考价值。

  • 寒区工程与灾害
    唐丽云, 李屹恒, 于永堂, 金龙, 高志刚, 贾海梁, 孙强, 刘晨昕
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1047-1062. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0081
    摘要 (1484) PDF全文 (175) HTML (1)   可视化   收藏

    土石混合体-混凝土界面在寒区工程广泛分布,其界面处颗粒骨架受冻融影响塌陷、重组,极易诱发界面强度劣化,是影响寒区工程安全运营的难题。解析冻融影响下界面的强度行为,揭示界面强度与孔隙结构和颗粒骨架的互馈效应,是解决此难题的关键。开展土石混合体-混凝土界面室内直剪试验,借助NMR分层测试及PFC数值模拟,获取界面区抗剪强度参数及孔隙结构演化特性,明晰界面颗粒旋转运移特征;基于分形维数理论,定量评价界面孔隙结构变化,阐释冻融下界面强度劣化机理。即强度骤降阶段界面处土石颗粒受冻胀挤压,其有序排列被打乱,联结、互锁作用弱化,此时孔隙体积、分形维数均增大,界面整体性下降;反翘阶段界面处大块土颗粒分裂重组、骨架塌落,形成块石为核、黏土在外覆盖的包裹体结构,孔隙内部复杂程度降低导致抗剪强度小幅提升;随冻融次数增加,碎石外土颗粒剥落,界面区孔隙体积及颗粒旋转量缓慢增大,界面逐渐脱黏劣化。研究成果对工程构筑物孕灾机制具有指导价值。

  • 寒区工程与灾害
    王中攀, 丁黔, 陈克政, 杨扬, 张晓东, 丁琳, 柳艳杰
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1026-1035. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0079
    摘要 (1478) PDF全文 (172) HTML (0)   可视化   收藏

    为研究寒区碳酸盐渍土强度特征,建立冻融循环作用下碳酸盐渍土的修正邓肯-张模型,指导碳酸盐渍土地区的工程建设,利用GDS三轴对取自黑龙江省某地的碳酸盐渍土进行不同围压、不同冻融循环次数下的UU试验。通过曲线拟合,获得了土样强度指标cφ、模型参数Κn、破坏比Rf与冻融循环次数N的数学模型,根据模型理论值与实测值对比分析修正了邓肯-张模型切线模量Ei,从而建立了考虑碳酸盐渍土冻融循环次数N的修正邓肯-张模型。结果表明:碳酸盐渍土经冻融后,其不排水应力-应变曲线呈应变硬化型,且碳酸盐渍土在经历三次冻融循环后,强度降低幅度最大,占整个强度劣化过程的71%以上;冻融后,碳酸盐渍土内摩擦角φ、黏聚力c和参数K逐渐降低,破坏比Rf呈现出先降低后增加,而参数n表现出先增加后减小的趋势。本文提出了冻融循环作用下的修正邓肯-张模型,且模型预测精度高。

  • 寒区工程与灾害
    梁铭轩, 葛建锐, 牛永红
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1006-1015. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0076
    摘要 (1476) PDF全文 (164) HTML (0)   可视化   收藏

    碎石层的传热机理研究对寒区路基改善技术的应用以及自然界中的“异常”冻土分布的解释有着重要的意义。很多研究者曾对碎石层进行了试验研究,但试验中的温度设置并无统一标准。相较于细颗粒土,粗颗粒材料中水分的影响较小,因此在试验中的温度设置对试验的结果起到了关键作用。为了对比不同的温度设置情况对碎石传热过程的影响,以不同的顶板温度、底板温度以及环境温度进行复合,并对不同组合情况应用COMSOL软件,在考虑碎石层多孔介质传热的情况下进行模拟。结果表明:即使在保温层包裹的情况下,环境温度依然能对温度剖面以及垂直方向上的热通量产生明显的影响。当环境温度与碎石层平均温度一致时,垂直方向上的热通量达到最小值,此时换热效率最低。因此,在此后的室内碎石层试验设计中,若需减少水平方向上的热量交换带来的影响,应尽量将环境温度设置在碎石层平均温度附近。工程中可通过降低碎石层侧边界温度来增强碎石层内外的热量交换,从而增强碎石层的换热效率。

  • 寒区工程与灾害
    孙斌洁, 张熙胤, 徐振江, 黄安琪, 王万平, 张益舶
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1036-1046. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0080
    摘要 (1469) PDF全文 (176) HTML (0)   可视化   收藏

    冻土动力学特性与冻土区基础设施工程的设计、运营、维护有着密切的联系。冻土的动力学特性是从冻土的滞回曲线中分析得到的,因此全面分析冻土滞回曲线形态特征及其影响因素对明确冻土动力学特性有着重要的意义。冻土滞回曲线的形态特征可用滞回曲线的轴向动应力幅值、不闭合程度、宽窄程度及面积4种参数来表征。冻土的轴向动应力幅值和动应变幅值所围成的骨干曲线反映了冻土等效变形的大小、非线性效应以及冻土的动弹性特性,冻土滞回曲线的不闭合程度反映了冻土的塑性变形性能,冻土滞回曲线的宽窄程度反映了冻土的黏滞特性,冻土滞回曲线的面积反映了冻土的耗能能力。为此,以我国西北季节冻土区粉质黏土为研究对象开展了负温动三轴试验,试验包括4种土温(-0.3 ℃、-1 ℃、-3 ℃、-5 ℃),3种土体含水率(14%、16%、18%),3种围压(0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa),以及3种加载频率(1 Hz、2 Hz、4 Hz)交叉组成的10种工况,探究了冻结粉质黏土滞回曲线形态特征及其影响因素。根据试验结果,主要分析了4种描述滞回曲线形态特征参数随着振次、围压、土温、含水率、加载频率以及动应变幅值等因素的变化规律。结果表明,振次对冻结粉质黏土滞回曲线形态特征的影响很小。随着动应变幅值增大,冻结粉质黏土的骨干曲线增长模式逐渐由近似线性模式转为明显的非线性模式;滞回曲线的不闭合程度和面积随动应变幅值的增大呈凹形曲线形态增长;宽窄程度呈凸形曲线形态增长。随着围压、含水率、加载频率的增大以及土温的降低,冻结粉质黏土的骨干曲线变得越陡峭,非线性效应表现得越弱;滞回曲线的不闭合程度、宽窄程度和面积都有不同程度的降低趋势。当围压在0.2 MPa以下、含水率在16%以下、土温在-3 ℃以下时,冻结粉质黏土滞回曲线形态特征随这3种因素的变化更明显。冻结粉质黏土滞回曲线的不闭合程度和宽窄程度受加载频率的影响较为均衡,并没有出现最优影响范围。与冻结粉质黏土滞回曲线的不闭合程度和宽窄程度随各影响因素变化程度相比,滞回曲线的面积受各因素的影响程度相对较小。在4种影响因素中,加载频率和土温对滞回曲线的面积影响较大,含水率的影响次之,围压对滞回曲线面积影响很小。当围压为0.1~0.3 MPa时,冻结粉质黏土的滞回曲线面积-动应变幅值关系曲线随围压变化非常小。

  • 寒区工程与灾害
    全晓娟, 龚禹为, 汪波, 钟官峰, 周尚武
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1016-1025. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0077
    摘要 (1465) PDF全文 (202) HTML (1)   可视化   收藏

    冻融作用会对土体结构和性质造成影响,在冻融作用下,不同类型土壤的抗剪强度变化呈现出不同规律。本文选取青藏高原具有代表性的黏土,开展不同初始含水率和不同冻融循环次数下的重塑土抗剪强度变化研究,结合压电陶瓷监测试验,探究冻融循环下青藏黏土抗剪强度指标的变化模式和规律。结果表明:在反复冻融作用下,青藏黏土抗剪强度、黏聚力和内摩擦角随含水率增大呈阶梯下降;同一含水率的抗剪强度和黏聚力劣化曲线可以分为快速劣化和稳定两个阶段,内摩擦角呈先减小后增大的变化趋势;冻融循环过程中第1次循环对青藏黏土抗剪强度影响最为明显;采用压电陶瓷监测的应力波信号通过小波包分析可以得到真实信号振幅和应力波能量,二者均能反映青藏黏土抗剪强度的劣化趋势。本文提出的强度劣化指标能很好地反映青藏黏土抗剪强度的劣化程度,这在未来工程实际中有着一定的应用前景。

  • 寒区工程与灾害
    张建勋, 毛雪松, 刘飞飞, 吴谦
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1080-1091. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0083
    摘要 (1441) PDF全文 (155) HTML (1)   可视化   收藏

    为了揭示路基冻结过程中地下水和土性对水分迁移规律的影响,针对开放体系和封闭体系的粉质黏土和砂土进行了单向冻结条件下的水分迁移试验。通过土柱上层位置设置碎石层,阻断液态水迁移路径,监测冻结过程中土柱的水热变化,结合土柱冻结深度、冻结速率曲线、含水率分布曲线和补水时程曲线,分析仅水汽补给时对土柱顶部水分聚集和冻结特征的影响。试验结果发现,无论是封闭体系还是开放体系,粉质黏土和砂土土柱都会在冻结区中形成两处水分聚集区:第一水分聚集区为控温板底部,以霜的形式聚集,主要是由土柱顶部土体的水汽迁移并凝华相变形成;第二水分聚集区为冻结区中液态水和气态水共同迁移形成,随着冻结锋面的向下推移,形成不连通孔隙的界面,液态水向0 ℃冰锋线迁移聚集并相变成冰,水汽迁移路径受阻而凝华成冰,致使该处含水率显著增加。相较于封闭体系,开放体系使两处水分聚集区产生更大的水分增量。相比于粉质黏土,砂土介质孔隙较大,在试验时间内水汽补给对水分聚集区的影响更明显,但由于砂土持水能力减弱,水汽补给速率随时间逐渐减小。

  • 寒区工程与灾害
    宋勇军, 李晨婧, 毕冉, 张琨, 周月, 韩冬阳
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1116-1127. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0086
    摘要 (1435) PDF全文 (187) HTML (0)   可视化   收藏

    为探究岩石在冻融循环作用下的裂隙演化特征,利用CT扫描技术,获取不同冻融次数岩石的三维图像,并通过孔隙网络模型参数进行定量表征,研究岩石随冻融循环的裂隙形貌演化过程,以及孔隙结构随冻融次数的变化。结果表明:完整岩石冻融微裂隙主要集中在岩石外围,呈环形片状;而裂隙岩石冻融产生的微裂隙主要存在于预制裂隙周围和岩桥区域,且分布范围更广。冻融循环作用后,完整与裂隙岩石的PNM中各类孔隙变化特征不一。前者孔隙数量减少,小孔占比逐渐减小,中大孔占比增大,孔隙分布位置较为均匀;后者孔隙数量增加,但中孔占比减小,大孔占比迅速增大且主要集中在岩心上下端面。在冻融过程中,岩石各类孔喉结构主要参数均呈增长趋势,裂隙岩石孔喉网络发育更剧烈,冻融结束后其最大喉道半径增长幅度约为完整岩石的2倍。在冻融前期,冻融循环作用主要促进岩石孔隙相互连通,后期主要表现为孔喉加速扩张,且裂隙岩石孔隙率增长速率均大于完整岩石。研究结果可为寒区岩体破坏机理及灾害防治提供参考。

  • 寒区工程与灾害
    侯彦东, 王凯歌, 雷文远, 梁澍豪, 唐东昌
    冰川冻土. 2023, 45(3): 993-1005. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0075
    摘要 (1417) PDF全文 (131) HTML (0)   可视化   收藏

    块石作为一种高孔隙率、大粒径的多孔介质,因其可通过调节内部冷暖季节对流方式实现多年冻土路基降温,而被广泛应用于青藏铁路工程以减弱气候变暖及工程扰动对多年冻土路基的影响。因此,精准描述块石路基结构换热机理并模拟其长期热防护效应十分重要。在一些领域内,已经证明使用局部非热平衡(LTNE)可以提升多孔介质的计算精度,但在块石结构孔隙尺度下的传热效能计算中仍较少使用。其中,多孔介质内部流固换热系数(hsf )是LTNE能量方程中重要的参数,该系数如何选取也决定着模型计算的准确性。本文以块石基底路基为例,通过数值模拟方法,将传统路基使用的局部热平衡(LTE)模型与LTNE模型的模拟结果与实测数据进行对比,并分析了不同经典hsf 对块石结构换热的影响。研究结果表明,块石基底路基局部非热平衡效应明显:模拟结果显示LTNE模型中,同一时间内块石与空气温度不相等,空气与块石在夏季和冬季的最大温差高达1.54 ℃和0.80 ℃;LTNE的模拟结果与实测数据更为接近,且LTE模型的降温幅度略高于预期,二者在2 m、5 m、10 m处的年平均误差百分数分别相差6%、1%和8%;不同研究者(Achenbach、Wakao、Dixon等、Pallares等)得出的hsf 在块石路基中变化趋势相近,峰值差异明显,但对块石路基下部土体温度的影响较小。

  • 寒区工程与灾害
    孔令明, 张海兵, 沈春廷, 齐吉琳
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1063-1079. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0082
    摘要 (1399) PDF全文 (201) HTML (0)   可视化   收藏

    冻土本构模型对于分析寒区岩土工程的安全和稳定性至关重要。低温吸力理论可以在物理层面解释温度对冻土力学特性产生影响的机理,且基于该理论所建立的冻土本构模型能实现融土和冻土本构关系的统一,所以近年来低温吸力理论受到越来越多的关注。本文首先通过分析饱和冻土中冰-水界面的表面张力作用,在低温吸力理论的基础上提出了低温粒间吸力的概念,并基于Clapeyron方程建立了低温粒间吸力与温度的关系式以及饱和冻土的有效应力公式。其次,针对多种类型的饱和冻土开展了温控侧限压缩试验和三轴剪切试验,发现低温粒间吸力对冻土力学特性的影响可以归结为其对冻土表观超固结性的影响,即冻土的表观超固结程度随低温粒间吸力的增大而增强。根据试验规律,建立了冻土表观前期固结压力和抗剪强度计算公式。最后,将以上所建立的冻土有效应力公式、前期固结压力公式和强度公式与超固结融土的统一硬化本构理论(即UH模型理论)结合,提出了一个新的冻土热力耦合弹塑性本构模型。使用该模型模拟冻土侧限压缩试验、单轴压缩试验和三轴剪切试验,发现其能合理描述冻土在不同温度和围压下的应力-应变关系,且计算结果与试验数据符合良好。

  • 寒区工程与灾害
    刘勤龙, 李旭, 姚兆明, 吴永康, 蔡德钩
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1092-1104. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0084
    摘要 (1393) PDF全文 (199) HTML (1)   可视化   收藏

    冻土强度是冻结法施工及冻土构筑物安全评估中的关键力学参数。然而,冻土强度特性十分复杂,受到环境温度、土体类型、含水量、应变速率等诸多因素的影响,目前还缺少统一的结论。鉴于此,文章对冻土强度的相关试验成果进行了全面回顾,并总结了各因素对冻土强度的影响规律及其作用机理。文献调研结果表明,冻土强度随温度的降低而增大,在工程常见温度范围内二者近似呈线性关系。温度降低所引起的冰强度增加和未冻水含量降低是冻土强度增大的主要原因;当温度低于一定阈值后(如-80 ℃),冻土强度达到最大值并不再变化。非饱和冻土的抗压强度随含水量的增加而增大,原因在于其饱冰度会随着含水量的增加而增加,使得土颗粒与冰晶体的黏结作用增强。对于饱和冻土,含水量的增加会导致冻土密实度降低,其强度随含水量的增加而降低。冻土抗拉强度与抗压强度具有较强的相关性,其压拉比随土体类型的不同存在较大差异,在3~12之间。整体来看,影响冻土强度的因素众多,目前的研究工作多基于单一影响因素,针对多种因素耦合作用、应变速率影响和抗拉强度的研究仍较少,相关工作有待进一步深入。

  • 第二次青藏高原综合科学考察研究
    周茜, 李忠勤, 牟翠翠, 王飞腾, 李开明, 尤晓妮, 张昕, 王芳龙
    冰川冻土. 2023, 45(3): 876-892. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0067
    摘要 (1387) PDF全文 (163) HTML (2)   可视化   收藏

    基于质子转移反应质谱仪(PTR-MS)和颗粒物(PM)采集和分析技术,对我国西北甘肃省和新疆维吾尔自治区(甘新地区)十三个城市大气中的挥发性有机物(VOCs)、PM(PM10、PM2.5和PM1)及其组分(水溶性无机离子、碳质气溶胶和无机元素)进行了采样分析,阐明了甘新地区城市大气中VOCs和PM的污染特征和健康风险。研究表明:污染特征分析表明平均总VOCs(TVOCs)浓度为(41.84±7.56) ppbv(ppbv为十亿分之一的体积混合比),氧化性VOCs(OVOCs)是VOCs的重要组分,VOCs组分总浓度高于国内外其他城市,主要为甲醇的浓度较高,而芳香烃则低于其他城市。PM10、PM2.5和PM1的平均浓度分别为(139.39±32.63) μg·m-3、(77.66±25.39) μg·m-3和(44.76±17.59) μg·m-3,水溶性无机离子(WSIIs)是该地区PM的重要组分。健康风险评估表明该地区VOCs的非致癌风险显著,致癌风险处于可接受水平;PM中重金属的非致癌风险和致癌风险均显著。乙醛的非致癌风险和萘的致癌风险较高,Mn的非致癌风险和As的致癌风险较高,因此应加强乙醛、萘、Mn和As元素的管控,以减少大气污染对人体健康的危害。

  • 寒区工程与灾害
    王冬勇, 邵博, 马玲, 齐吉琳, 彭丽云
    冰川冻土. 2023, 45(3): 1105-1115. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0085
    摘要 (1360) PDF全文 (150) HTML (0)   可视化   收藏

    应变局部化问题是冻土材料破坏的前兆,目前相关研究还较为薄弱。在微极连续体理论框架下,通过考虑温度对相关模型参数的影响,建立了可以模拟冻土应变局部化问题的微极弹塑性数值框架。通过对冻结砂土平面应变试验进行数值分析,发现所建立的数值框架可实现对冻土剪切带产生、发展和形成的全过程模拟,且模拟获得的应力-应变曲线及剪切带破坏形态与试验结果吻合较好;进而探究了温度、端部约束及初始缺陷对剪切带发展规律的影响,发现温度对剪切带倾角和宽度影响较为显著,倾角随温度的降低而逐渐增大,宽度随温度的降低而逐渐加宽,具体剪切带的破坏形态和破坏位置需要综合考虑端部约束及初始缺陷的共同作用;通过对不同有限元网格条件下的冻土应变局部化进行分析,发现粗网格和细网格获得的模拟结果基本一致,说明所建立的数值框架可以基本克服网格依赖性问题。

  • 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 (1274) PDF全文 (183) 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 (1220) PDF全文 (440) 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 (1197) PDF全文 (243) 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。

  • 冰冻圈与全球变化
    王琨莹, 冯金良, 裴乐乐, 胡海平, 陈锋, 林永崇, 张继峰, 胡兆国
    冰川冻土. 2023, 45(3): 930-939. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0070
    摘要 (1157) PDF全文 (144) HTML (4)   可视化   收藏

    青藏高原的许多湖泊发育有湖岸线、侵蚀阶地和高湖面沉积物,这些地貌和沉积单元是反映地质历史时期湖面变化的直接地貌和岩性证据。它们不仅反映了湖泊水文变化历史,还可作为揭示区域乃至全球环境变化的重要载体。在青藏高原众多湖泊中,纳木错最具典型性和代表性。纳木错湖岸最高古湖相沉积物位于现代湖面之上约150 m,高出当今溢流垭口约123 m。至今,有关纳木错异常高湖面的发育时代、湖侵-湖退过程、异常高湖面的形成机制、与其他湖泊之间的水文联系等科学问题仍不清楚或存在很大争议。本文以纳木错异常高湖面的特征、时代、期次和成因问题为主题,综述了一个多世纪以来国内外学者对纳木错湖面变化重建的研究成果,尤其对目前纳木错古湖面重建研究中存在的问题进行了总结,并对未来的工作重点进行了展望。此外,基于初步的调查结果,认为纳木错高湖面沉积可能形成于全新世中晚期,并指示了一次湖侵-湖退过程。南支槽的异常振荡及其导致的冬半年降水增加可能是引起湖面变化的主要驱动因素。

  • 冰冻圈与全球变化
    闫旭春, 吴晓东, 吕雅琼, 吴通华, 李韧, 胡国杰, 邹德富, 刘亚东, 魏献花, 范晓英, 王栋
    冰川冻土. 2023, 45(3): 902-914. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0068
    摘要 (1130) PDF全文 (166) HTML (3)   可视化   收藏

    气候变暖对北极多年冻土和植被产生了重要的影响。CLM(Community Land Model)是应用最广泛的陆面过程模式之一,但其中复杂的边界条件和参数化过程导致模式模拟结果存在一定的不确定性。本研究评估了CLM5.0对阿拉斯加多年冻土区表层土壤温度和碳循环的模拟能力,结果表明,CLM5.0可以捕捉到表层土壤温度的季节变化。在苔原和针叶林站点,CLM5.0在日尺度和月尺度都可以很好地模拟出总初级生产力(GPP)随时间的变化,但对净生态系统碳交换(NEE)的模拟结果存在一定的不确定性。CLM5.0可以较为合理地模拟高纬度多年冻土区的土壤温度季节变化,在未来的研究中可能还需要从结构、参数化方案等过程进行改进,从而进一步提升高纬度多年冻土区碳循环的模拟精度。