上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的影响分析.pdf

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1、第３６卷第４期冰川冻土Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．４２０１４年８月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＧＬＡＣＩＯＬＯＧＹＡＮＤＧＥＯＣＲＹＯＬＯＧＹＡｕｇ．，２０１４ｄｏｉ：１０．７５２２／ｊ．ｉｓｓｎ．１００００２４０．２０１４．００９６ＣａｏＹｕａｎｂｉｎｇ，ＳｈｅｎｇＹｕ，ＷｕＪｉｃｈｕｎ，ｅｔａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｕｐｐｅｒｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎｓｉｍｕｌａｔｅｄｇｒｏｕｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｎｐｅｒｍａｆｒｏｓｔｒｅｇｉｏｎｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｌａｃｉｏｌｏｇｙａｎｄ

2、Ｇｅｏｃｒｙｏｌｏｇｙ，２０１４，３６（４）：８０２－８１０．［曹元兵，盛煜，吴吉春，等．上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的影响分析［Ｊ］．冰川冻土，２０１４，３６（４）：８０２－８１０．］上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的影响分析１，２１１１１曹元兵，盛煜，吴吉春，李静，宁作君，１，２１，２１，２胡晓莹，冯子亮，王生廷（１．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州７３００００；２．中国科学院大学资源与环境学院，北京１０００４９）摘要：以玛多地区多年冻土为背景，建立

3、多年冻土地温场的数值计算模型，以不同的方式考虑近６０ａ来的气温变化构成不同的上边界条件，通过模型计算分析不同上边界条件下的不同时期温度场、未来冻土退化特征．结果表明：在上边界条件中采用气象站实测近６０ａ波动温度值和采用近６０ａ平均恒定值时，浅层冻土地温差异明显，且越浅层地温与越近时间的上边界条件相关．预测未来１００ａ冻土地温变化趋势发现，相同升温速率和升温初始温度条件下，上边界采用实测６０ａ波动温度值对冻土退化过程影响较小；升温初始温度值提高到与趋势线衔接后，冻土退化起始时间从约第４５年提前到约第２０年；

4、６０ａ实测温度和升温初始温度值均提高到与其初始温度场上边界条件衔接后，冻土退化起始时间从约第２０年提前到约第１５年；冻土退化从开始到完全退化经历时间为２５ａ左右．关键词：多年冻土；地温；数值模拟；上边界条件；冻土退化中图分类号：Ｐ６４２．１４文献标识码：Ａ文章编号：１００００２４０（２０１４）０４０８０２０９交换条件的改变．这两方面的问题前人都做了大量０引言［２－６］的研究工作，在应用数值模拟手段对未来多年我国多年冻土分布广泛，总面积约２１５×冻土温度场的变化趋势的预测方面也已经在诸多相４２［７－８

5、］１０ｋｍ，占国土面积的２２．４％，其中，分布在青藏关冻土研究中得以开展．在开展数值模拟计算４２［１］高原约有１５０×１０ｋｍ，占约７０％．随着经济发研究中，多年冻土层的初始温度场以及上边界条件展，多年冻土区的人类活动日益活跃，以青藏高原（即地表热交换边界条件）直接决定着最终的计算多年冻土区为例，近半个世纪以来，特别是近３０ａ结果．现有数值模拟计算中，多年冻土层的初始温来，先后修建了青康公路、青藏公路、青藏铁路及度场多采用恒温上边界条件进行初始条件的计［９］沿线通信、输变电、输油管线等重大工程．这些已算，

6、直至数百年当土层温度场达到稳定后作为计经修建和正在规划中的重大工程构筑物的稳定性很算问题的初始条件，然后赋予相应的上边界条件开大程度上都依赖于其下伏多年冻土的热稳定性．下始正式计算，如考虑选取气候变化情景下的升温速伏多年冻土的热稳定性改变主要受两方面的影响：率、考虑工程界面（如路面等）的温度差异等．这种其一，人类工程构筑物对地表热交换条件的改变，计算实际上相当于假定现有多年冻土温度场是在之通常都导致热交换向着土层吸热的方向发展；其前数百年一直处于恒定的地气热交换条件下所决定二，全球气候变化对整个大区域多年

7、冻土区地气热的稳定状态，然后从现在起由于工程活动或气候变收稿日期：２０１４０３０３；修订日期：２０１４０６１１基金项目：中国科学院重点部署项目（ＫＺＺＤＥＷ１３）资助作者简介：曹元兵（１９８６－），男，河南信阳人，２０１０年毕业于中国矿业大学，现为博士研究生，主要从事岩土工程及冻土工程方面的研究．Ｅｍａｉｌ：ｃａｏｙｂ＠１２６．ｃｏｍ通讯作者：盛煜，Ｅｍａｉｌ：ｓｈｅｎｇ＠ｌｚｂ．ａｃ．ｃｎ４期曹元兵等：上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的影响分析８０３化改变了地表上边界条件，所计算

8、结果也就反映了ＴｆＴｕｄξλｆ－Ｃｕ＝Ｌγｄ（Ｗ－Ｗｕ）（３）这种上边界条件突然改变后所导致的冻土温度场的ｘｘ＝ξｔｘ＝ξｄｔ变化．实际情况是气候总是处于不断的变化中，也ＴｆＴｆ（ｘ，ｔ）＝Ｔｕ（ｘ，ｔ）＝Ｔｃ，λｕ＝ｑｘ＝ξｘ＝ξｔｄｄ就从未给地层表面提供过所谓的稳定的上边界条ｘ＝Ｈ件．若不考虑人为影响，现在的多年冻土温度场实（４）际上处于对不断变化的气候条件的某个响应状态，Ｔｆ－λＴｕ＝Ｌγ（Ｗ－Ｗ）ｄξ（５