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青藏铁路、共玉高速建成背后的多年冻土调查
▲8月1日，世界首条高海拔高寒多年冻土区高速公路——青海省共和至玉树高速公路正式通车运营。共玉高速公路全线穿越冻土区，其中穿越多年冻土区里程长达227公里，占路线总长的36%。负责项目总体设计的中国交建一公院依托40年冻土研究成果，攻克了一系列技术难题，实现了隧道冻融防治有据、有效，为快速施工提供了科学依据。
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多年冻土是发育于地表下一定深度内至少两年及两年以上处于负温状态的土（岩）层，其主要分布于环北极的高纬度地区和中低纬度的高海拔地区，其中青藏高原是全球中低纬度多年冻土分布面积最广的地区。这里气候严寒、人迹罕至，备受关注的青藏铁路的修建才使多年冻土这一原本非常陌生的地理、地质现象更多地出现在相关媒体的报道中。事实上，多年冻土的存在不仅是这些地区工程建设面临的重大问题，更是通过影响浅地表土层的热量和水分循环过程，而影响着区域气候、水文、生态系统。在全球变暖背景下，多年冻土的变化可能带来一系列区域水文、生态乃至工程地质问题。只有深入了解多年冻土的现状和变化过程，才能更好地为区域经济可持续发展献计献策。
中国科学院院士
2015 年1 月23 日
地球表层现代多年冻土分布面积约占陆地总面积的24%，主要分布于环北极的高纬度地区和中低纬度的一些高海拔地区。我国的多年冻土面积居世界第三位，约占国土面积的22. 3%，主要分布于东北地区的大小兴安岭地区和西部的高山区以及青藏高原，其中青藏高原是世界上高海拔多年冻土分布最广的地区。
▲北半球多年冻土类型图
多年冻土调查泛指对特定区域多年冻土空间分布特征（分布边界、上下限）、物理特征（温度、含冰量、水分） 以及与多年冻土有关的地质现象（地层、构造、地貌、水文） 和环境因子（气候、植被、土壤） 开展的以冻土学及相关学科为科学指导，以观测研究为基础的调查工作。
多年冻土调查的主要任务是应用遥感、地球物理勘探、地质勘探等各种手段和综合分析的方法，查明包括多年冻土的边界、活动层及多年冻土厚度、地温与地下冰特征、冰缘地貌现象、土壤与植被等特性，研究这些现象的发生、发展规律，并在此基础上编制一系列基础图件和资料，为多年冻土区国民经济建设和科学研究提供服务。
▲多年冻土地温曲线示意图
总体技术方案
总体技术方案是开展冻土调查之前应完成的基础性工作，也是始终贯穿于调查工作并指导全 42 36092 42 15287 0 0 4095 0 0:00:08 0:00:03 0:00:05 4095冻土调查的一个纲领性工作。总体技术方案应包括以下主要内容:
▋工作任务、目标及预期成果的确定。
▋背景资料调研。进行与多年冻土有关的各种资料的收集和汇总，了解拟调查区域的气象气候、地形地貌、地质构造、植被土壤以及交通运输等背景状况，预估多年冻土可能的分布状况和特征。
▋科技执行计划编制。根据项目目标和预期成果设计工作内容、技术路线、工作手段及工作量，编制详细的执行计划，对工作点位和线路、工作时间进行周密安排。
▋队伍组织、后勤保障方案制定，服务组织计划。对野外工作中可能面临的工作和后勤问题制定尽可能详尽的方案。
由于野外调查需要大量的人力、物力，在进行多年冻土调查技术方案的设计时，在确保取得全面反映调查区域多年冻土调查成果的同时，应优先采用工作量较少的方案，尤其是现场工作量较少的方案。
冻土调查技术路线
在多年冻土调查中，为了更好地理解工作程序，有序地开展各项调查内容，确保调查任务的顺利完成，往往需要在开展野外工作之前，制定冻土调查工作的技术路线图。
▲冻土综合调查技术路线图
上图为冻土综合调查中常用的路线图之一，该路线图涵盖了冻土以及与其密切相关的植被和土壤共三个内容，以冻土自身的特征和分布规律为基础，通过建立冻土－植被关系、冻土－土壤关系，借助于植被、土壤的遥感分析，最终完成一个地区的冻土综合分布图。
多年冻土综合调查一般分为三个阶段，即前期准备、野外调查和内业整理，详细说明如下:
▋前期准备
1） 利用GIS 平台结合调查区DEM 数据分析调查区地形、地势以及计划调查区的道路状况。
2） 通过调查区及邻近区域气象、地质、水文以及冻土等有关资料分析，结合多年冻土分布的地带性规律估计多年冻土分布下界海拔，初步绘制调查区多年冻土分布图。
3） 利用遥感图像、植被图、土壤图等图件，初步绘制调查区植被分布图和土壤分布图。
4） 根据以上制作的图件初步确定拟调查区域的调查点和调查线路。对于植被、土壤调查点，要注意调查点的均匀性、代表性；对于多年冻土调查点，要注意在多年冻土分布边界附近、不同地形地貌单元的典型位置布设调查点，同时也要考虑用不同海拔的高程控制点作为冻土调查和监测点。
▋野外调查
1） 进入野外现场后，首先对所设计的调查线路、预设调查点开展现场踏勘，根据现场实际条件确认和调整调查路线和调查点，同时根据现场情况在局部调查点布设与调查线路方向垂直的横向短剖面，以了解坡向、坡度等局地因素的影响。
▲青藏公路(铁路) 沿线多年冻土监测剖面
2） 在各条调查线路、调查点有选择性地开展钻探、坑探、物探等作业，钻探点的布设一定要充分且必要，不确定之处可以采用坑探、物探先行调查，如果还不能够确定调查结果，再应用钻探方法来验证。
3） 按照各种调查方法的要求和程序获取多年冻土及相关土壤、植被、冰缘地貌等方面的调查资料。钻探调查主要获取多年冻土存在与否、多年冻土上下限埋深、多年冻土地温、多年冻土含冰状况、多年冻土岩性及结构、多年冻土中的碳及微生物等资料；坑探调查主要用来获取活动层埋深及土壤基本性质等资料，也可以用来辅助判断多年冻土的存在与否；物探调查主要获取多年冻土上下限埋深、多年冻土分布边界等资料。从技术路线图可以看出，冻土分布及特征的调查是野外调查工作的核心，土壤和植被调查是多年冻土综合调查的补充和辅助，后二者在野外调查期间可以为冻土调查提供指导，同时也是后期多年冻土分布制图的依据。由于土壤调查仅依赖于探坑，而植被调查和冰缘地貌调查则可以独立开展，因此在执行冻土调查工作的过程中，可以穿插完成这三项工作。
表 冻土构造与野外鉴别
4） 相关样品的采集、测试。钻探样品的测试内容包括容重、颗粒分析、含水量（含冰量）、岩心中的碳、微生物、孢粉等，植被样品、土壤样品的采集和分析。
5） 选取典型多年冻土钻孔，布置对多年冻土主要特征要素，如多年冻土温度、活动层水热及主要环境因子，如地表气象及能水过程等的长期监测。
▲多年冻土上限附近的地下冰
▋内业整理
1） 根据钻探、坑探、物探资料的综合分析，确定调查区不同地貌单元多年冻土分布边界，确定调查区多年冻土分布下界海拔及其与地形的关系；通过钻孔测温资料得到冻土地温与海拔之间的相关关系，分析多年冻土分布下界海拔；通过相互比较、验证确定多年冻土分布边界的变化规律，建立不同地形条件下的多年冻土分布模型，实现点到面的拓展。
2） 根据植被、土壤调查资料，绘制调查区植被类型分布图、土壤类型分布图。
▲面向对象方法得到的玉树地区植被类型图
3） 综合分析冻土特征、冻土分布边界与植被、土壤之间的关系，依据上述高程模型，结合调查区的植被、土壤遥感影像，对调查区域进行冻土综合制图。
4） 在冻土分布图中进行冰缘地貌填图。
5） 资料汇编录入数据库。
6） 编制调查报告，对各个图件进行详细说明和论证。调查报告根据调查任务的目的侧重点有所不同，一般包括: ①调查区自然地理条件；②野外调查方法及过程；③多年冻土的分布及特征；④主要冰缘现象及发育规律；⑤多年冻土发育历史及变化趋势分析；⑥植被分布及特征；⑦土壤分布及特征。
▲多年冻土数据库/ 信息系统总体结构
多年冻土调查的最后汇总工作，包括多年冻土制图和多年冻土数据库的构建
冰冻圈科学国家重点实验室赵林研究员和他的团队，在长期野外调查和研究的基础上，进行了系统总结，结合国内外多年冻土研究的理论和实践，编写了《多年冻土调查手册》 这部适用性很强的著作，对已经从事和即将从事多年冻土调查、监测和研究的科技工作者具有极大的参考价值。
中国科学院院士
2015 年1 月25 日
本文摘编自《多年冻土调查手册》（赵林，盛煜主编.北京: 科学出版社，2015. 9） 一书“第2章 调查区与主要调查内容”，图片来源于本书各相关章节。
ISBN 978-7-03-045611-3
责任编辑: 王 运
多年冻土是陆地冰冻圈的重要组分，占据着北半球约四分之一的陆地面积，在区域乃至全球气候、水文、生态系统中发挥着重要作用，并影响着寒区工程的稳定性。而获得多年冻土基础数据资料的最基本而又有效的方法即是实地开展多年冻土调查。《多年冻土调查手册》综合国内外多年冻土野外调查、观测和研究方法及作者过去20 年来的实际经验，系统描述了开展多年冻土野外调查的方法，内容包含多年冻土的基本概念、主要影响因子、调查的主要内容及方法、多年冻土制图和多年冻土数据库建设等。
关键词 | 气候变化白皮书（2015年） | 第三次气候变化国家评估报告 | 流域水循环 | 中国生态环境十年演变与评估 | 气候变化影响与风险 | 中国经济社会 | 水资源 | 冰川 | 极端天气气候事件 | 自然地理 | 历史自然地理 | 古地理 | 地貌 | 地貌图集 | 历史水文地理 | 页岩气开发工程 | 可燃冰（中国工程院报告） | 天然气水合物研究进展 | 天然气水合物试的环境效应 | 华北地貌新论 | 钻冰取火记 | 岩石结构强度理论 | 覆盖型岩溶地区岩溶岩土工程 | 沉积岩野外工作指南 | 地理优秀图书奖 | …
（本文编辑：刘四旦）
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