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1、高寒区地下水溢流积冰形成机理探讨以西伯利亚布鲁斯为例 - 给排水工程 给排水项目论文地下水溢流积冰模拟西伯利亚本文是一篇给排水项目论文，本文通过对典型研究区的水文、气象和地质等方面进行详细调查研究后，总结地下水溢流积冰的形成条件，并对西伯利亚布鲁斯溢流积冰区现场气温、降水量、地下水位以及冻深进行观测、并进行水样的收集与水化学成分的测定，积冰规模进行遥感监测，结合气象监测数据重点分析气象、地质和冻土层三个因素对溢流冰形成的影响，进而讨论溢流积冰点的形成机理。第 1 章 绪论1.1 研究目的及意义地下水溢流积冰也被称为冰湖、冰丘、涎流冰等，是指地下水从地表或河冰裂缝溢流出后，受低温影响冻结而成的积
2、冰体，是寒区特有的一种水文地质现象1。受温度、降水、部分地形和区域地质等因素影响，溢流积冰多呈周期性生消，但并非每年一次，每年的发育程度也不尽相同2。同样它也是一种典型的水文地质灾害，在局部地区，溢流积冰漫延开来，会侵害道路或建筑物，以及对根底设施的性能产生负面影响3-5。近年来，国内外越来越多的学者发展了地下水溢流积冰相关研究，着重在水源、温度、地质构造和冻土等影响因素的分析，相关机理问题研究较少。地下水溢流积冰问题主要波及到冻土科学、地下水水动力学和水文地质学等领域。其中，地下水动力学和水文地质学对包气带水的赋存、分布以及迁移的宏观与微观规律进行解释6-8，而对季节性冻融过程中相位间的水循
3、环冰 蒸汽 水过程提及不多。冻土科学领域对冻土层本身水、热、盐的赋存运移的规律以及项目、力学特性进行了研究9-12，而将冻土层作为特殊多孔介质的相关研究较少。通过对俄罗斯西伯利亚典型地下水溢流积冰点的水文、气象和地质等方面进行详细调查研究后，总结地下水溢流积冰的形成条件。并对西伯利亚布鲁斯溢流积冰区域现场温度、降水量、地下水位以及冻深进行观测、并进行水样的收集与水化学成分的测定，同时对地下水溢流积冰规模进行遥感监测，结合气象监测数据重点分析气象、地质和冻土层因素对溢流冰形成的影响，进而揭示溢流积冰点的形成机理，并通过边坡水热耦合模拟对溢流积冰形成机理进行验证。该研究可对中国大兴安岭地区地下水溢
4、流积冰相关研究提供理论依据，并为高寒区地下水溢流积冰监测、预警、防治提供新思路。.1.2 国内外研究进展地下水溢流积冰问题是寒区水文地质学的热点与难点，受季节性冻土层的冻融作用影响，地下水溢流积冰的形成过程受到冰、水、气和土体颗粒等因素影响，表现出更为复杂的现象与机理。而首先要明确研究对象是谁，同时明确溢流积冰的分布特征，然后确定影响地下水溢流积冰形成的主要影响因素有哪些，进而揭示地下水溢流积冰的形成机理。1.2.1 寒区地下水研究进展地下水溢流积冰的形成从本质上来说是地下水的相变，而这种相变多发生于高寒地区，因此明确研究对象为寒区地下水。为了更精准确实定研究对象，因此需要对寒区地下水做出更精
5、准的分类。但由于寒区地下水冻结后形成的地下冰充斥岩层裂缝与岩石孔隙，较大程度上改变了岩层的渗透性，导致寒区地下水的分类较非寒区地下水更为复杂。1932 年，. . 13,14对冻土区地下水做了第一次科学合理的分类。他以地质剖面中水的液相和固相间的空间相对关系原那么为根底，将冻土区地下水分在广义上分为了三类，分别是冻结层上水、冻结层间水和冻结层下水。紧接着，由于冻土学的进一步开展，以及水文地质学的深入研究，并积累大量实地勘测资料15,16。进而深化寒区地下水形成、分布、赋存及其与冻土层间的相互作用关系等的研究17-19。1966 年，. . 20在保存 . . 对重力地下水分类的根底上，增加了透
6、水融区水和冻结层内水两个分类。然而，俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所中国常称之为“西伯利亚冻土所. .21院士认为将透水融区水这打破了冻土区地下水分类的统一原那么，破坏了多年冻结层的连续性。.第 2 章 相关研究背景2.1 研究区概况基于已有研究根底与前期调查，选取世界典型地下水溢流积冰点西伯利亚布鲁斯作为典型研究区。布鲁斯6120N，12904E隶属于西伯利亚萨哈雅库特共和国汉加拉斯克区，如图 2-1 所示。该地属于温带大陆性气候，终年气温较低且日温差较大，多年平均气温为-9.3，永久冻土层厚度为 200-420m，多年平均降水量约为 300mm66。溢流积冰出现在汉加拉斯基区东
7、部一个长约 1.5km 的细长山谷内，山坡上植被覆盖密集。积冰体融化后的水通过居间不冻层穿过永久冻土排放到位于勒拿河一级阶地的河迹湖。布鲁斯的地下水排放在冬季导致巨大的结冰，到达超过 4m 的厚度。图 2-1 研究区区位及地下水溢流积冰点位置.2.2 区域相关背景为进一步了解研究区区域背景特征，因此对西伯利亚萨哈雅库特共和国区位特征、气候特征与冻土水文特征作进一步梳理。2.2.1 西伯利亚萨哈雅库特共和国区位特征西伯利亚地处欧亚大陆的东北部中高纬度地区，同时位于北寒带与北温带交界处，是世界典型寒区67。西伯利亚地处欧亚大陆的东北部中高纬度地区，同时位于北寒带与北温带交界处，是世界典型寒区。萨哈
8、雅库特共和国位于西伯利亚东部，拥有 310 万 km2的庞大面积，是世界上面积最大的省级行政区。萨哈雅库特共和国纬度高，气温低，是世界典型的高寒区。其区位特征如图 2-2 所示。图 2-2 西伯利亚萨哈雅库特共和国区位.第 3 章 地下水溢流积冰形成条件调查.173.1 研究区地下水溢流积冰形成条件调查 . 173.1.1 布鲁斯积冰规模遥感监测调查 . 173.1.2 布鲁斯水文气象调查. 21第 4 章 地下水溢流积冰影响因素分析.314.1 气象因素对溢流积冰形成的影响. 314.1.1 降水的影响. 314.1.2 气温的影响. 31第 5 章 地下水溢流积冰模拟分析.375.1 布鲁
9、斯边坡水热耦合模拟 . 375.1.1 数据来源. 375.1.2 数据预处理. 37第 6 章 拓展讨论6.1 关于地下水溢流积冰点分布与研究区选取的讨论地下水溢流积冰典型研究区的选定是机理研究的根底，为了正确有效的选择研究区，明确地下水溢流积冰的分布与恰当的选取研究区是前提。6.1.1 关于地下水溢流积冰分布研究的讨论以萨哈共和国中部为例，为了明确地下水溢流积冰点分布，首先对备选区域进行地表水区划和地下水区划，根据区划结果，将目光集中在地下水赋存类型齐全、水能资源丰盛萨哈共和国中部区域120E130E，60N66N。由于备选的研究区范围较大，需采用遥感技术筛选出疑似地下水溢流积冰点。遥感数
10、据主要采用美国航空航天管理局NASA网站数据，来自于 USGS(http:/www.usgs.gov)数据平台。为了打消积雪和云对积冰体提取的影像，遥感数据选用 4、5 月积雪消融后的无云或低云 Landsat 数据。采用的数字高程模型来源于 TanDEM-X (https:/geoservice.dlr.de/web/)数据平台，由德国航空航天中心DLR、空中客车防务与航天有限公司和 GFZ 德国地球科学研究中心联合测量。影像数据预处理为影像几何精纠正与增强处理。采用 Qgis 3.4 软件对 Landsat 影像和数字高程模型进行坐标归一化处理，均采用 UTM 投影和 WGS84 椭球体建
11、立坐标系统，得到的数字高程模型如图 6-1 所示。图 6-1 萨哈雅库特共和国中部数字高程模型.第 7 章 结论与倡议7.1 主要结论通过对典型研究区的水文、气象和地质等方面进行详细调查研究后，总结地下水溢流积冰的形成条件，并对西伯利亚布鲁斯溢流积冰区现场气温、降水量、地下水位以及冻深进行观测、并进行水样的收集与水化学成分的测定，积冰规模进行遥感监测，结合气象监测数据重点分析气象、地质和冻土层三个因素对溢流冰形成的影响，进而讨论溢流积冰点的形成机理。最后采用水热耦合模拟对研究区地下水溢流积冰形成规律进行验证，并得到下列主要结论。1气象因素是地下水溢流积冰形成的外因。其中水源是地下水溢流积冰形成
12、的根底，地下水的补给主要依靠大气降水。长期持续的负温条件是地下水溢流积冰形成的先决条件，主要决定了地下水溢流积冰的持续时间。2地质因素中的地形地貌和岩层构造特征。地形地貌所形成的地下水水头差为溢流积冰的形成提供了大局部的水源驱动力，而特殊的水文地质构造由上至下分别为季节性冻土层、含水层和弱透水层是地下水溢流积冰形成的内部条件，上部季节性冻土层与下部弱透水层间的12给排水项目论文地下水溢流积冰模拟西伯利亚含水层是地下水向积冰体进行水源补给的主要过水通道，其渗透性直接或间接地决定地下水溢流积冰的形成规模。3冻土环境是气象因素和地质因素的整体性表现。季节性冻土层的厚薄，是影响溢流积冰体形成速度快慢以及规模大小的重要因素。冻土层形成的密闭体中未冻结的水在 04反膨胀压力也为地下水的溢流提供局部驱动力。参考文献略12
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