青藏高原风沙堆积对冻土环境影响的实验研究

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青藏高原是中低纬度高原冻土的主要分布区,也是全球气候变化的敏感区。冻土是地-气系统相互作用和平衡的产物,对外界环境较为敏感,除受纬度、海拔和地质构造影响外,还受积雪、积沙、水体、植被等局地因素的影响。由于青藏高原独特的自然地理环境以及气候变化和人类活动的影响,高原沙漠化问题加剧。作为影响冻土环境的一种局地因素,沙漠化引起的地表风沙堆积通过改变地表辐射和能量平衡以及地表传热特性对冻土环境造成影响。目前,风沙堆积对冻土环境的影响过程及机理仍不明确。而且随着青藏铁路的全线开通,沿线部分路段风沙灾害严重,风沙堆积填埋碎石路基和通风管道,对路基的降温效果造成影响。本论文通过野外定位监测和室内模型实验,探讨风沙堆积对冻土环境的影响以及碎石路基积沙对其“主动冷却”降温效果的影响。研究结果如下:  (1)由于观测场地位置邻近,积沙地表和天然地表(荒漠草地)的地表辐射各分量总体上具有一致的变化规律,但在数值上具有一些差异。观测期间积沙地表和天然地表土壤热通量的年总量值分别为103.87 MJ·m-2和104.10 MJ·m-2,表明二者都是向地下传递热量,差异不明显。  (2)青藏高原红梁河实验场6个积沙对比场(0、20、50、100、150、200 cm积沙)一年的钻孔地温监测数据表明,积沙地表与天然地表下伏的季节冻土地温变化存在明显差异,中上层地温在冷季(11~3月)和暖季(5~9月)以及过渡月份(10月和4月)表现出不同的变化规律,而下层地温变化小:(a)10月,各场地冻土均已融化,积沙地表的表层(1m以上深度)地温高于天然地表。(b)冷季,地温降低,季节冻土从上向下单向冻结,各实验场冻结深度最深均达4.5 m;在冻结深度内,积沙地表地温高于天然地表,沙层越厚温度越高;这5个月内,积沙地表近地面(0.05 m深度)地温比天然地表最大高7.68、10.67、9.28、5.53和0.80℃。(c)4月,积沙地表的中上层地温低于天然地表,天然地表的表层冻土开始融化。(d)暖季,地温升高,积沙地表的中上层(6 m以上深度)地温低于天然地表,沙层越厚温度越低;这5个月内,积沙地表的近地面(0.05 m深度)地温比天然地表最大低9.38、11.37、13.01、8.42和3.78℃;期间,积沙地表下冻结深度达6 m,天然地表下冻结深度达5 m;到9月,天然地表下冻土已完全融化,而积沙地表在2m~6m深度仍有冻土分布。一年的监测数据初步表明,积沙地表的中上层年均地温低子天然地表,且积沙越厚,年均地温越低。  (3)积沙对冻土温度影响模型实验得出相似结果:当试验箱气温为负温时期,积沙冻土的中上层温度比无积沙冻土高,且沙层越厚温度越高;当试验箱气温为正温时期,积沙冻土的中上层温度比无积沙冻土低,且沙层越厚温度越低。在沙层的双重作用下,底面冻土温度有一定的降低。  (4)碎石路基积沙模型实验表明,碎石层无积沙的冻土周期均温明显低于积沙填埋碎石层的冻土周期均温,碎石层上积沙越厚,冻土温度越高,这表明无积沙的碎石层具有较好的降温效果,而积沙填埋碎石层会导致碎石路基“主动冷却”降温效果减弱。
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