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期刊信息/Journal information
冰川冻土
冰川冻土

程国栋

双月刊

1000-0240

edjgg@lzb.ac.cn；　shenyp@lzb.ac.cn

0931-4967248

730000

兰州市东岗西路320号 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所《冰川冻土》编辑部

冰川冻土/Journal Journal of Glaciology and GeocryologyCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊是我国冰、雪、冻土和冰冻圈研究领域唯一的学报级期刊，支持在冰、雪、冻土和冰冻圈及全球变化基础研究和应用研究中具创造性，高水平和面向国民经济建设的新思想，新观点,新方法和新学说，为寒区国民经济建设服务。内容有：冰、雪、冻土的性质、过程及其控制；冰冻圈的资源与环境；冰冻圈与其他圈层的相互作用；寒区水文水资源； 寒区生态与建设；全球变化；寒区工程与减灾、防灾；寒区生物学；先进技术的应用。
正式出版
收录年代

    基于Stefan改进公式计算标准场地冻结深度的探讨

    王硕盛煜曹伟
    1234-1245页
    查看更多>>摘要：本研究依托于分布在全国季节冻土区600个气象台站，1971—2020年近50年实测季节冻土年最大冻结深度数据及温度观测数据，分别对600个台站的气温年变化趋势，气温冻结指数的年变化趋势等进行了探讨。并且在Stefan改进公式的基础上，进一步探讨了基于气温冻结指数的影响因子Ea与经度、纬度及海拔等因素在标准场地上的统计学关系，建立影响因子Ea与经纬度、海拔三者之间的相关关系式，将通过相关关系式计算得出的影响因子Ea与通过基于气温冻结指数的Stefan改进公式反推计算得到的影响因子Ea进行对比分析，验证相关关系的准确性。研究表明，因子在大多数点位拟合程度良好，但是一些位于多年冻土区边界处的点位，拟合差异较大。为解决这一问题，将研究区域重新划分为一般季节冻土区域及季节冻土区与多年冻土区边界处的过渡区域，分别进行相关性分析，再次建立影响因子Ea与经度、纬度、海拔之间的相关关系式。经过验证，点位拟合程度具有显著的提升。将相关关系式引入基于气温冻结指数的Stefan改进公式做进一步拓展，最终得到的经验公式将用于计算我国季节冻土区标准场地冻结深度。通常意义上由于Stefan公式中基于地表冻结指数的影响因子E本身计算较为繁复，应用于工程设计及施工并不简便，对难于计算或者难于获取到冻结深度的工程建设所在地，利用拓展后的经验公式计算得到的冻结深度值与气象台站观测值拟合度较高，能够较好地为工程建设提供冻结深度值作为参考。

    季节冻土冻结深度Stefan公式影响因子Ea

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    冰充填裂隙对冻结岩体压缩破坏特征的影响研究

    赵涛冯云枫贾海梁唐丽云...
    1246-1258页
    查看更多>>摘要：冻结岩体的力学性质是决定冻结地层工程施工与运营安全的核心因素，而冻结岩体的力学性质由裂隙结构和冻结温度等条件决定。本文在常温和冻结条件下开展了含预制裂隙砂岩的力学实验，通过高速摄影技术对试样表面的裂纹起裂和扩展过程进行了监测，基于实验结果着重讨论了冰充填裂隙对冻结岩体压缩破坏特征的影响机制。结果表明:(1)冻结没有改变试样强度随裂隙倾角的变化趋势，随裂隙倾角的增大，试样的强度均呈先减后增的趋势。强度最小值出现在裂隙倾角α=60°时，最大值出现在α=90°时;(2)在冻结状态下，试样的起裂模式随裂隙倾角的增加整体呈现"拉伸起裂→剪切起裂→拉伸起裂"的变化趋势，此外，相同裂隙倾角的试样在冻结状态下起裂的应力水平均高于在常温状态下;(3)冻结裂隙砂岩的力学性质受冻结作用和裂隙倾角双重控制。并进一步分析了冰填充裂隙对冻结岩体压缩破坏特征的影响，认为冰均起到了支撑、填充和黏结作用。在裂隙倾角较小时(0°～30°)，裂隙冰的法向压力较高，强化效应主要来源于冰的支撑作用;当裂隙倾角较大(45°～75°)时，裂隙冰上的法向压力较低，强化效应主要来源于冰-岩界面黏结作用;裂隙倾角(近90°)与加载方向平行时，裂隙冰的法向应力变为拉应力，强化效应主要来源于冰-岩界面黏结作用。

    冻结岩体夹冰裂隙起裂与扩展冰-岩界面冻结强化

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    淤泥质盐渍土冻胀特性试验研究与数值模拟

    朱杰戚珊珊罗阳
    1259-1270页
    查看更多>>摘要：针对开放系统下淤泥质盐渍土在单向冻结过程中的水盐迁移和冻胀特性开展了试验和理论研究。为了研究淤泥质盐渍土在单向冻结条件下冻胀力随冷端温度、初始含水量、含盐量和上覆荷载变化的规律，通过配制含有硫酸盐的淤泥质盐渍土土样作为试样进行了单向冻结条件下的冻胀试验。基于非饱和土渗流和热传导理论和水动力学模型，遵循质量守恒和能量守恒定律，考虑水盐迁移、相变的影响，从盐胀和冻胀机理出发简化应力场方程，建立了适用于淤泥质盐渍土的三维水、热、盐、力多场耦合方程。通过COMSOL Multiphysics软件PDE模块对室内非饱和土体建立耦合模型并进行数值计算。通过比较不同深度处测点的温度、含水量、含盐量以及土体冻胀力的数值模拟计算值和试验结果，验证了模型的有效性。结果表明:降低冷端温度和增加初始含水量有助于促进土体的冻胀力产生，而上覆荷载和土体含盐率的增加对土体的冻胀力产生抑制作用。淤泥质软土的冻胀力稳定值(即最终冻胀力稳定数值)与冻结温度呈线性关系，与土体初始含水量、上覆荷载以及含盐率呈二次抛物线关系。

    淤泥质盐渍土人工单向冻结冻胀力耦合方程数值模拟

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    冻土强度准则在冻土边坡稳定性计算中的应用

    李林静赵彦虎白瑞强翁效林...
    1271-1278页
    查看更多>>摘要：冻土是由冰胶结体、土颗粒、气体、未冻水组成的四相胶结体，其强度受温度影响较大，以至于冻土的强度准则比普通土的强度准则更为复杂。冻土强度准则在实际工程中有很广泛的应用，比如，可用于冻土边坡稳定性计算。由于冻土的复杂性，将未冻土的强度准则直接用于冻土边坡工程稳定性计算分析是不合理的。为研究冻土强度准则在冻土边坡稳定性判断中的应用，本研究首先在已有的冻土强度准则中选取Liao和Lai提出的代表性冻土强度准则，利用瑞典条分法和该强度准则推导了冻土土坡安全系数的解。其次，基于此强度准则推导的冻土土坡安全系数的解进行冻土边坡稳定性计算分析，并将计算结果与已有的冻土边坡分析数据作对比，验证该强度准则的适用性。计算结果表明:选用的强度准则计算出的安全系数与原冻土边坡安全系数比较接近，误差较小，该强度准则在冻土边坡稳定性计算方面有较高的精确性和适用性。最后，鉴于实际工程中非稳定状态冻土边坡较多，基于工程实用性，进一步总结给出了冻土边坡失稳防治措施。本研究可为寒冷地区冻土土质边坡的设计、建设、维护提供理论指导与参考。

    边坡工程冻土强度准则边坡稳定性安全系数

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    多年冻土区路桥过渡段路基优化结构稳定性研究

    牛玉川吴亚平罗涛燕波...
    1279-1289页
    查看更多>>摘要：由于冻胀融沉等病害导致青藏铁路路基问题较一般的地区更加严重且复杂多变。路桥过渡段作为道路与桥梁的重要衔接，路基与桥台的沉降差异严重影响铁路运营的安全性及行车的舒适性。结合一般地区的过渡段差异性沉降治理办法，从刚度差异入手，同时考虑冻土的活动层特性，提出桩基路桥过渡段优化结构，达到路基与桥台刚度的平缓过渡，同时对优化结构进行长期效果分析。结果表明:在过渡段路基处埋设双排四根混凝土桩基后，在持续外荷载以及循环温度荷载作用下，混凝土桩基对冻土温度场影响较小，能保证冻土良好的稳定性;路基与桥台差异性沉降和轨面折角大幅度降低;在全球气候变暖的环境下，通过ANSYS模拟分析温度场、位移场发现，混凝土桩基对过渡段处路基的温度场影响较小，对于差异性沉降治理效果十分显著。

    铁路路基路桥过渡段试验研究青藏铁路

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    真三轴应力条件下冻结钙质黏土能量特征及影响因素分析

    曹祎荣传新王彬施鑫...
    1290-1300页
    查看更多>>摘要：为深入探讨在真三轴应力路径及多因素交互作用条件下冻结钙质黏土的能量特征及其影响程度，本研究借助ZSZ-2000型真三轴冻土试验平台，采用正交试验的设计方法，开展冻结钙质黏土真三轴压缩试验研究。研究结果揭示:在初始压密阶段及线弹性阶段，冻结钙质黏土的输入能相对较低，增长速率缓慢;随着加载过程的深入，输入能逐步增加，其增长速率亦随之提高;至破坏阶段，输入能-等效应力曲线呈现出明显的跃升特征，此时输入能的急剧上升，说明输入能曲线斜率的变化是冻结钙质黏土内部裂纹非稳定发展的微观表现。同时，输入能曲线的突然急升亦指示了失稳破坏的发生。进一步通过极差分析及AHP层次分析可得一致的输入能影响因素优劣次序:含水率w、中主应力系数b、温度T、含盐量φ、围压σ3。含水率对输入能的负向影响显著，温度和中主应力系数b对输入能有着显著的正向影响关系，随着中主应力系数b值的增加，其对冻结试样输入能的影响程度呈减弱的趋势且存在一个最优中主应力系数b=0。33使试样输入能增幅达到最大。

    盐渍冻土真三轴应力路径能量特征影响分析AHP层次分析

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    冻融循环作用下板岩力学及表观特性劣化研究

    金嘉健王大国路建国胥品潮...
    1301-1311页
    查看更多>>摘要：为确保川西高原大型露天采场高陡板岩质边坡的稳定性，有必要对不同介质中冻融循环作用下高寒地区板岩劣化损伤特性的发展规律展开研究。将板岩分别置于空气和水中进行冻融试验，在达到相应循环次数后测定试样质量、饱和含水率和纵波波速，进行单轴抗压强度测试，并观察岩样宏观形貌，综合分析其在冻融作用下相关力学特性的劣化规律。结果表明:冻融作用下板岩各力学参数表现出明显的劣化效应，随着暴露在冻融环境中时间的增长，试样质量损失速率、吸水速率波动上升，纵波波速、单轴抗压强度和弹性模量呈下降趋势，饱和含水率曲线呈负指数增大;岩样因温度变化自身产生的胀缩、内部黏土矿物吸水聚集膨胀是板岩破坏的主要原因;随着冻融循环次数的增加，试样劣化速率减缓，最后趋于稳定;水分是板岩劣化的重要因素，相同冻融循环次数下，水中进行冻融循环的岩样劣化程度更大，劣化速度更快。

    冻融循环板岩力学性能表观特性劣化

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    青藏高原寒区水文过程研究进展及模型述评

    王奕钧于德永周祉蕴
    1312-1328页
    查看更多>>摘要：全球气候变暖导致冰冻圈发生了剧烈变化，突出表现为冰川退缩、积雪消融、冻土退化等，加速了固态水资源向液态水资源的转化，打破了青藏高原寒区水资源分配的长期稳定机制。本文基于寒区冰冻圈变化水文效应角度，梳理了气候变化下青藏高原寒区水文过程研究进展，剖析了当前青藏高原寒区水文过程研究中存在的热点和难点。由于水文模型为研究水文循环过程的重要工具，模型的结构和功能决定了水文过程研究的准确度和发展方向。因此，本文总结了10个典型水文模型在模拟高原寒区冰川、融雪径流算法的优点和局限性及模型冰川、积雪、冻土模块特点，凝练总结了影响高原寒区水文过程模型模拟精度的主要问题。结果表明:青藏高原寒区气象观测站点资料的匮乏加大了数据输入、参数估计的不确定性;对冰冻圈水文内在物理过程认识不足导致了模型结构的不完备性，进而影响水文过程模拟精度。最后，本文从多元数据联合使用、机器学习应用等方面探讨了如何提高水文模型精度，为寒区水文模型的改进和完善提供参考。

    高原寒区水文模型积雪-冰川-冻土径流气候变化

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    甘肃洮河流域水文气象动态及径流和水质驱动机制

    袁腾港张英钱继坤宋斐...
    1329-1340页
    查看更多>>摘要：在气候变化和人类活动密集的大环境下，流域水环境问题仍是当前国内外流域管理面临的严峻挑战之一。洮河流域是我国典型的高寒生态脆弱流域，研究洮河流域水文气象变化及水环境驱动机制对洮河流域水环境管理具有重要意义。本文通过统计、线性拟合和M-K趋势与突变检验对洮河流域1990—2018年间的降水和气温变化趋势特点及突变特征进行分析，并利用土地利用转移矩阵分析洮河流域1990年和2018年两期土地利用变化特征，揭示洮河流域水文气象动态特征。在此基础上，利用DEM、土地利用、土壤、气象数据等构建SWAT水文模型数据库，进行洮河流域径流和水质的月尺度模拟。模型将洮河流域划分为24个子流域，气象数据同时输入气温、降水量、相对湿度、风速和太阳辐射，并通过SWAT-Weather构建天气发生器。径流模拟时段1988—2018年，设置1988—1989年为预热期;水质模拟由于实测数据有限，DO模拟时段2015—2018年，NH3-N模拟时段2018年全年。模拟率定与验证采用SWAT-CUP的SUFI-2校准方法，并选取R2、NSE和PBIAS指标评价模型的模拟精度，为提高模拟的准确性，选取径流有关参数22个，水质有关参数37个。基于SWAT模型的模拟结果，利用产水量指标和Slope趋势分析洮河流域径流的时空变化趋势。最后，通过分别设定不同的降水、气温和土地利用类型输入条件，针对气候变化、土地利用变化以及气候和土地利用综合变化，进行情景模拟，并基于情景模拟结果分析洮河流域径流和水质的驱动机制。结果表明:(1)洮河流域近30年间，降水量年际变化浮动较大，整体呈上升趋势，线性趋势20。16 mm·(10a)-1，多年平均值为522 mm;气温无显著突变，整体呈上升趋势，线性趋势0。55℃·(10a)-1，多年平均值为5。09℃;洮河流域土地利用类型以耕地、草地和林地为主，各土地利用类型均发生变化，但面积变化较小。(2)SWAT模型对洮河流域长时间尺度的月值径流模拟精度较高，R2和NSE基本维持在0。6以上，PBIAS绝对值保持在15％以内;对DO的月尺度短期模拟的精度较高，对NH3-N的月尺度短期模拟的精度略低，但中、下游结果符合模拟精度要求。洮河流域上游的产水量最高，且增加的趋势较大，中下游产水量与产水量增加趋势呈负相关。(3)洮河流域内，径流的变化主要受降水量的控制，与降水量呈正相关;NH3-N浓度的变化主要受气温的控制，与气温呈负相关;DO的浓度几乎不受降水和土地利用变化的影响，与气温呈负相关。

    SWAT模型洮河流域水环境驱动机制土地利用和气候变化

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    林火对大兴安岭多年冻土土壤碳氮储量的影响

    韩易伦李晓英蔡慧颖刘静...
    1341-1355页
    查看更多>>摘要：在北方多年冻土区，森林火灾不仅影响森林生态系统的土壤属性，还会对多年冻土环境、土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)含量及储量造成影响。中国东北多年冻土区位于欧亚多年冻土带的南缘，在气候变化和人类活动影响下，多年冻土正在发生广泛退化，进而影响多年冻土中碳排放与碳氮储量，对气候变暖形成正反馈效应。本研究选择大兴安岭北部阿龙山镇2009年火烧迹地，以未火烧样地作为对照，研究不同火烧强度(轻度和重度火烧)对多年冻土区SOC和TN含量及储量的影响。结果表明:(1)SOC和TN含量和储量在不同火烧强度下差异显著。随火烧强度的增加，SOC和TN含量和储量逐渐降低。与未火烧样地相比，SOC含量在轻度和重度火烧样地分别降低9。78％和65。11％;SOC储量在轻度和重度火烧样地分别降低9。29％和68。48％;TN含量在轻度和重度火烧样地分别降低1。99％和52。49％;TN储量在轻度和重度火烧样地分别降低3。23％和51。61％。随着土壤深度的增加，SOC和TN含量逐渐降低;SOC储量在未火烧样地呈波动式变化，轻度火烧样地先增加后降低，重度火烧逐渐降低;土壤TN储量在未火烧和轻度火烧样地呈波动式变化，在重度火烧样地呈逐渐降低的趋势。(2)随着火烧强度的增加，土壤温度逐渐增加。在0～100 cm深度，与未火烧样地相比，土壤温度在轻度和重度火烧样地分别增加了(0。87±0。18)℃和(9。09±0。37)℃;土壤含水量(SMC)在轻度火烧样地增加(17。79±3。36)％，在重度火烧样地降低(16。71±2。92)％。随着土壤深度的增加，土壤温度和SMC呈下降趋势。(3)冗余分析(RDA)表明，微生物生物量氮(MBN)是影响火后土壤碳氮含量及储量的关键因子，解释率为65。6％(P=0。002)。土壤SOC和TN含量与土壤温度、SMC、土壤铵态氮(NH4+-N)、微生物生物量碳(MBC)和MBN呈显著正相关，与火烧强度、土壤深度和pH呈显著负相关。SOC和TN储量与火烧强度、土壤深度、土壤温度、容重以及土壤硝态氮(NO3--N)呈显著负相关。综上所述，林火对SOC和TN储量产生了显著影响，导致SOC和TN储量损失，改变了碳氮库的分布格局，降低了土壤碳氮库的稳定性。森林火灾对多年冻土区SOC和TN含量及储量的研究对生态系统碳平衡及寒区生态环境的管护具有重要意义，并且可以为北方多年冻土区SOC和TN储量提供重要数据参考。

    多年冻土大兴安岭土壤有机碳储量土壤全氮储量火烧强度

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