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青藏高原强烈的冻融作用不仅影响土壤的物理力学性质和抗风蚀能力,而且影响地表的风蚀强度和风沙活动,进而影响到青藏铁路沙害的物质来源、运移、堆积过程以及防治。同时,防沙工程积沙又对下伏多年冻土的热变化过程产生影响,但积沙影响冻土热状况的作用机理如何?目前尚不明确。为此,自2009年以来,作者采用野外调查与考察、野外定位观测、室内分析与测试、冻融-风蚀模拟实验等方法,通过研究冻融作用改变土壤的物理力学性质,探索冻融作用对地表风蚀强度和风沙活动的影响,揭示冻融风蚀形成机理以及与青藏铁路沙害及其物质来源的关系;通过研究青藏铁路防沙工程积沙后下伏冻土地温的变化,探索地表积沙对下伏冻土热状况的影响并分析其成因。从而揭示青藏铁路多年冻土区沙害路段冻融-风力复合侵蚀过程及其与冻土的相互作用机制。获得了如下认识:
①青藏高原冻融作用强烈,在冻融过程中,由于水冻结膨胀,引起地表土壤体积与孔隙度增大,造成土颗粒之间的结构破坏,导致土壤粘聚力降低、单轴抗压强度减小等物理力学性质改变,抗风蚀能力减弱。由于冻融对土体的这种破坏作用,为青藏铁路沿线风沙活动提供了丰富的物质来源。
②土经历冻融作用后,风蚀强度增大。风蚀强度受风速、风沙流中沙粒浓度、冻融循环次数、冻融温差以及冻融过程中含水量等因素的综合影响。土壤风蚀强度的变化趋势与冻融过程中强度、粘聚力、孔隙度、冻胀量等物理力学性质的变化趋势具有较好的一致性,说明冻融对青藏铁路风沙活动的影响主要是通过改变土壤的物理力学性质而起作用。水分参与条件下,反复、剧烈的冻融作用引起地表风蚀强度和风沙活动加剧是青藏铁路沙害产生的主要原因,而挟沙风又是其主要动力。
③由于独特的高寒风沙环境,青藏铁路沙害严重。主要分布在锡铁山、伏沙梁、红梁河、秀水河-北麓河、沱沱河、通天河、扎加藏布、错那湖等8个路段。目前,青藏铁路的沙害防治仍以机械措施为主,“远阻近固”,输导结合。其中,作为外缘阻沙措施的阻沙栅栏和作为内缘固沙措施的格状沙障使用最多,初期防沙效果明显,但随着积沙不断增多,防沙效果会逐渐减弱。因此,从长远看,青藏铁路防沙应以生物措施(恢复植被)为主,机械措施为辅。
④青藏铁路防沙工程积沙对下伏多年冻土总体上起保护作用。与无积沙的天然地表相比,阻沙栅栏厚层积沙对下伏冻土地温的影响,以多年冻土上限附近为界,以下的多年冻土层全年都表现为使地温降低约0.2℃,以上的活动层则随着季节变化而不同,夏半年(5~9月)表现为降温,冬半年(11~3月)表现为在负值上增温,地温年较差明显缩小,4月和10月为过渡,4月由冻结向融化状态转化时,活动层地温阻沙栅栏厚层积沙低于无积沙天然地表,10月由融化向冻结状态转化时,活动层地温阻沙栅栏厚层积沙高于无积沙天然地表。此外,阻沙栅栏出现厚层积沙后,下伏多年冻土季节融化深度减小、活动层变薄、冻结层增厚、上限上升、年平均地温下降;格状沙障薄层积沙对下伏冻土地温的影响主要表现在多年冻土上限附近,不论季节,都使其地温降低,而以上的活动层和以下的多年冻土层地温差别逐步缩小。此外,格状沙障出现薄层积沙后,下伏多年冻土季节融化深度减小、活动层变薄、冻结层增厚、上限上升、年平均地温变化不大。总之,在青藏铁路多年冻土区沙害路段,地表积沙后下伏冻土处于增厚的发展状态,而不是处于减薄的退化状态。
⑤青藏铁路防沙工程积沙后下伏冻土热状况改变的主要原因是沙层的反射率以及热传导性能与天然地表存在差异。沙层反射率高,热传导性能差,所以,积沙越厚,对热传导的阻挡作用越强。
⑥青藏铁路多年冻土区沙害路段的冻融-风力复合侵蚀过程及其与冻土的相互作用机制为:高原气温正负变化频繁,冻融作用强烈,改变土壤物理力学性质,破坏土壤结构,导致地表产生松散破碎物质、抗风蚀能力减弱、可蚀性增强、沙物质释放增加,沙源丰富,在植被稀少和干旱多风的气候条件下引起强烈的风沙活动并危害铁路,为防治沙害,设置防沙工程继而地表出现积沙,埋压植被,下垫面性质随之改变,由于沙层反射率高、热传导性能差,阻挡地-气系统的热交换,使下伏冻土地温降低,总体上保护了多年冻土。
上述研究不仅拓宽了冻土和沙漠学科之间的研究领域,促进了冻土学和沙漠学的相互渗透和交融,丰富了两大学科理论体系,而且为青藏铁路的沙害防治和冻土保护提供了理论基础。