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冻土层解冻,盖在上面的建筑咋办

发布时间:2020-06-18    浏览次数:60

来源:科技日报

据媒体报道,多年冻土融化导致俄罗斯诺里尔斯克市一家发电厂的柴油罐坍塌,21000吨柴油泄露到地面和水中,造成大面积污染,出现巨大生态灾难,该市已宣布进入紧急状态。

冻土融化和地面建筑有无关系?冻土层融化会对冻土层上建造的建筑造成什么威胁?有没有什么办法避免冻土层融化对建筑带来的影响?科技日报记者就此进行了采访。

多年冻土区是个大致范围

“冻土,顾名思义,就是温度在0℃或0℃以下含有冰的各种岩石或土。”中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室副主任吴通华说,冻土按其生存时间细分,可分为短时冻土、季节冻土和多年冻土3种主要类型。

短时冻土是指冻结时间在数小时至半个月的岩土层;季节冻土是指冻结时间在半个月至数月的岩土层;多年冻土是指冻结时间在数年至数万年的岩土层。

“实际上,人们常说的永久冻土表达不科学,科学的名词只能是多年冻土。”吴通华告诉记者,对多年冻土,国际上公认的科学定义是:温度在0℃或低于0℃,且至少连续冻结两年的岩土层。此外,在有些情况下,比如盐分含量很高的海底、海岸带、盐湖周边地区,土壤温度低于0℃,但没有结冰冻结,也属于多年冻土。

由于埋藏在地下,多年冻土区一般按照年平均气温来划分。连续多年冻土区是指区域内95%的地方都有多年冻土存在的区域,大致年平均气温为-6℃—-8℃;不连续多年冻土区是指多年冻土占区域总面积的50%—90%,大致年平均气温在-1℃—-4℃;此外还有多年冻土占区域总面积50%以下的岛状多年冻土区。

“多年冻土区是个大致的范围,并不是指实际多年冻土的存在范围。”吴通华以青藏高原为例介绍,一般认为青藏高原多年冻土区面积是148万平方公里,实际上目前最新的研究结果显示高原多年冻土面积约为106万平方公里,相差的42万平方公里是多年冻土区内部的融区。目前最新的研究认为,北半球陆地多年冻土区面积约为2100万平方公里。

多年冻土主要分布在北半球。但实际上,赤道附近乞力马扎罗山、南美的安第斯山和南极地区也有一些多年冻土分布,只是这些地区的多年冻土面积较小。除了这些陆地多年冻土之外,北冰洋的大陆架下面还有大量的海底多年冻土,估算面积约为230万平方公里,其最大的厚度可达100米。北极海底多年冻土是在末次盛冰期形成的,后来随着海水上升被淹没,从而变成海底多年冻土。

冻土融化会引发建筑工程病害

“由于多年冻土面积巨大,要对其开展大面积保护并不现实,因此只能针对具体建筑物和线性工程(如公路、铁路和输油管线等)采取不同的措施。”吴通华举例说,多年冻土区内的美国阿拉斯加、俄罗斯西伯利亚的很多地区有着重要的石油和天然气资源,相应地建设了大量工程设施。

多年冻土层一般很厚,建筑的地基很难穿透,大部分只能直接建立在多年冻土上。多年冻土融化会引起工程病害,导致房屋倒塌、路基和桥梁破坏。在北极圈内,由于气候变暖加速,多年冻土区的工程病害程度加重,增加了这些工程运行和维护成本。

比如,受冻土融化的影响,西伯利亚的一段铁路铁轨已经扭曲变形。火车如果行驶在这样的铁轨上,极有可能会发生严重的事故。

“目前还没看到俄罗斯诺里尔斯克市发电厂柴油罐坍塌的事故报告,不能简单将事故与多年冻土融化挂钩。”但吴通华说,可以肯定的是,人类活动加快了多年冻土融化过程。

有没有什么办法尽量减小冻土层融化给建筑带来的影响?

吴通华提到了世界海拔最高、线路最长的高原铁路——青藏铁路。青藏铁路修建时面临三大难题:跨越500多公里多年冻土区、高寒缺氧的环境和脆弱的生态,其中最难解决的是冻土问题。

上世纪50年代初期,我国专家就开始研究高原冻土问题,几代人经过努力,通过3种方法终于解决了这个世界性的难题。

第一种是采用片石通风路基。在路基的底部铺设1.5米左右的块石层,冬天冷风从石块间带走热量,夏天石块为路基遮挡太阳辐射,同时利用高原原有的低温和强风降低冻土温度。第二种方法是采用热棒。青藏铁路沿线,路基两旁有两排碗口粗细,高约2米的铁棒,整个棒体是中空的,内部灌有液氨,当土壤温度较高时,液态氨受热气化上升到顶部,遇冷后液化释放出热量,然后又流回到底部,如此循环往复,降低冻土温度。第三种方法是以桥代路。面对地质情况更加恶劣的冻土、河流、沼泽等,可以将桥梁桩基深入地下的多年冻土层,以保持线路稳定。

“从目前监测情况来看,青藏铁路运行十几年来,路基保持得不错,这也证明我们的方法是有效的。”吴通华说。

还是减少温室气体排放最靠谱

近年来的种种迹象表明,我们的星球正在变暖,这是一个不争的事实。

此前发表于《科学报告》的一项研究称,如果将马、野牛和驯鹿等大型哺乳动物放到北极,它们可能会减缓冻土融化的速度,并在2100年之前恢复其中的80%。

科学家进行了一个实验:将100只大型食草动物放牧到一块北极苔原上,让它们踩踏积雪,从而达到冷却土壤的目的。而这个方法似乎是有效的,在1平方公里的面积内,食草动物平均将积雪高度降低了一半,从而使土壤暴露于上层较冷的空气中,让多年冻土重新冻结。

不过阿拉斯加大学国际北极研究中心的气候专家里克·托曼对此想法表示怀疑:“用马、野牛和驯鹿覆盖数百万平方公里的土地,它们排放的温室气体先不说,那里有那么多资源去养活如此高密度的食草动物吗?更别说夏季,它们会破坏苔藓层了。”

“站在科学的角度,我非常认同克·托曼的说法。”吴通华说,尽管大多数人对多年冻土并不熟悉,但在气候加速变暖的情况下,多年冻土退化与人类活动关系密切。地球自形成以来,环境就一直在变化。同样,人类自出现以来,也在不断地影响环境。人类已经在地球上生存了数百万年,虽然多年冻土退化后,人类也可以继续生存,但如今的现实情况是,气候变暖和多年冻土的退化大大超过了正常情况下的速度,人类可能会因此面临重大挑战。目前最可行的办法就是努力减少温室气体排放,同时也需要加强相关的基础研究,加深对未来多年冻土变化及其环境效应的认识,从而为人类适应其变化争取更多时间,并提出更有效的应对方案和可持续发展路径。


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