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冻土攻坚40年


□ 程国栋


冻土攻坚40年图片1
为了开发东北大兴安岭的森林资源,从1952年开始,我国的铁路、森林、地质和建筑工程等部门对东北的多年冻土进行了调查研究。1954年青藏公路通车,在公路修建过程中证实了青藏高原存在多年冻土。铁道部也认识到多年冻土是青藏铁路修建的主要拦路虎,于是在1960年成立了青藏铁路技术研究所。也就是从这一年开始到1962年,中国科学院地理研究所的冰川冻土室对青藏公路沿线的多年冻土进行了系统的考察。由此直到2001年6月29日青藏铁路正式开工,40余年来,中科院冰川冻土研究所、铁一院和铁科院西北所团结协作,为解决高原冻土筑路的科学技术问题进行了不懈的努力。其间青藏铁路的科研工作几起几落,但其它工程,如格尔木—拉萨输油管、兰(州)西(宁)拉(萨)光缆、青藏公路改建沥青路面及以后的整治工程都相继在高原冻土区实施,冻土科研工作也从未中断。也正是这40多年来的不断探索和实践,才使得青藏铁路的建设成为可能。
40多年的工作使我们认识到,原来中国多年冻土分布面积仅次于俄罗斯和加拿大居世界第三位,而以青藏高原为主体的高海拔多年冻土分布面积则居世界之首。
40多年的探索和实践使我们认识到,在多年冻土区筑路很难。尽管早在1895年俄罗斯就开始修建穿越2200公里多年冻土的第一条西伯利亚大铁路,但目前全球多年冻土区现有铁路的“病害”率仍在30%左右,冻土区筑路还有不少科学技术问题亟待解决。
其实对工程建筑而言,温度很低的冻土并不可怕,可怕的是“乍暖还寒”的冻土,如平面分布上呈岛状的冻土和“时冻时融”的冻土,如垂直剖面上冬季冻结、夏季融化的活动层土。世界上多年冻土区的大量工程实践也证明:发生病害或破坏的工程建筑多数在高温冻土区。而青藏铁路要穿越的多年冻土多数属高温冻土。因此在青藏高原多年冻土区筑路比其它地区要更难。
青藏铁路是全球气候变暖的“先兆区”,其变暖要早于周围地区。青藏高原,作为地球上最高的一极,和南、北两极一样是全球气候变化的“放大区”,其升温值要高于全球平均值。青藏铁路工程必须考虑50年—100年的气候变化,在全球转暖的背景下修这条路真是难上加难。
集40多年探索和实践的经验,特别是近几年倾注全力的攻关,我们终于找到了解决青藏铁路建设中冻土难题的新思路:改“保”温为“降”温。根据这一新思路,我们也找到了冷却路基的新方法:即通过改变路堤的填料和结构,以调控对流、调控辐射、调控传导,达到降低多年冻土温度,保证路堤稳定的目的。当然,这些措施必须是成本低廉且施工便利的。通过大量试验,我们所提出的冷却路基措施的有效性得到了定性验证,进一步的工作是量化、优化和强化这些措施,以确保把青藏铁路建成世界一流的高原铁路。
全球变化引起的冻土变化不仅影响到冻土区工程建筑物的稳定和安全,冻土的变化还将造成整个环境的重大改变。
多年冻土是隔水的,这就极大地改变了冻土区地表水和地下水的运动规律。冻土区的地下水按其与多年冻层的关系,分为冻结层上水、冻结层间水和冻结层下水。地表径流也不同于其它地区。即使在降水不多的情况下,多年冻土区也能形成沼泽和星罗棋布的湖泊。据初步估计,青藏高原地表下10米内蕴藏的地下冰量,相当于中国冰川冰储量的2—3倍。高原多年冻土的退化,必将造成作为“亚洲水塔”的青藏高原的水文的重大变化。
由于多年冻土顶板的隔水作用,使得活动层能蓄积水分,而为植物的生长提供水分和养分。随着气候变暖,作为隔水底板的多年冻土上限下降,甚至消失,从而使活动层中的水分向深处流失,这可能导致大面积的草场退化和沙漠化。
多年冻土的变化还将反过来影响气候的变化。地面的冻结和融化影响到地气之间的能量和物质交换,从而对气候产生反馈作用。冻土区因地温低,所以生物死亡之后不易分解而储存了大量的碳。随着气候变暖,生物残骸的分解将加速,因而冻土区可能由储存碳的“汇”,变成排放碳的“源”,而对气候变化产生重大影响。
科学家已经在高纬度多年冻土中发现了300万年前的现在还活着的微生物,青藏高原的多年冻土中能否找到这样的微生物?西伯利亚的冻土区已经在试采被称为21世纪新能源的甲烷水合物,高原冻土中是否也蕴藏着这种新能源?
青藏高原多年冻土中还有大量未开垦的处女地,冻土工作者任重而道远。

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