关键词:
多年冻土
遥感监测
气候变化
生态水文
工程地质灾害
摘要:
冻土是冰冻圈的主要组成部分,也是地表和大气物质能量交换的产物。多年冻土的分布是由全球到区域的水文气候和地质构造系统以及多年冻土的形成和演化过程决定的。气候变化引起的多年冻土退化正在改变寒区的生态和水文过程,广泛而快速的冻土退化引发了大量泥石流、滑坡、地面不均匀沉降及热融湖等地质灾害。中国东北多年冻土区地处欧亚多年冻土带南缘,对气候变化更为敏感。近60年来,该地区多年冻土经历了大规模快速退化并导致寒区生态环境的恶化和工程地质灾害频发。在气候变化的背景下,科学分析中国东北地区的多年冻土变化及其对生态系统和水文过程的影响,研究冻土退化下的工程和地质灾害机理以及对灾害风险评估,可以为寒区环境保护与可持续发展提供重要科学依据,也为制定有效的防灾减灾措施提供基础理论保证。
目前,对东北地区长时间序列的多年冻土退化过程及其对区域生态水文的影响还缺乏全面的评价和研究,尚未建立考虑冻土因素的多灾种风险综合评价体系。本论文基于卫星遥感资料、站点观测资料和再分析资料等,利用改进的地表冻结数(the Surface Frost Number,SFN)模型分析中国东北地区多年冻土区的时空变化特征和冻土退化过程对区域生态水文的影响,并通过构建冻土区灾害易发性评价模型,探讨多年冻土对工程和地质灾害的影响。主要研究内容为:(1)利用归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)和郁闭度指数修正SFN模型中植被覆盖对计算结果的影响,采用气象台站0cm地面温度数据来延长MODIS地表温度数据的时间序列,利用修正后得到的SFN(the Surface frost number based on vegetation correction,SFnv)分析东北多年冻土区的时空变化特征。(2)结合卫星遥感资料,分析多年冻土变化过程对植被生长的影响,并量化分析不同时期植被变化的主要驱动因子。(3)基于高分辨率NDVI数据和降尺度后的多年冻土温度(Permafrost temperature,PT)数据,探讨道路工程建设对路域植被和冻土的影响及影响范围。(4)基于全球地表水资料,分析冻土变化过程中流域地表水的时空变化特征,并结合气象因子、冻土分布和植被覆盖探讨区域地表水变化的主要驱动力。(5)通过道路病害调查和时序In SAR地表形变监测,分析多年冻土区道路病害和地表形变的分布特征。建立考虑环境因素、冻土因素和灾害因素的东北多年冻土区灾害易发性等级评价体系,并分析多年冻土变化对病害类型与分布的影响。主要的结论如下:
(1)1971-2020年SFnv>0.49的面积在44.353×10~4km2~19.909×10~4km2之间,在1988年发生了突变。稳定型和亚稳定型多年冻土区面积分别以0.211×10~4km2/yr和0.095×10~4km2/yr的速率显著减小,不稳定型多年冻土区面积则呈轻微的增加趋势。多年冻土温度PT<0℃计算的多年冻土面积略小于SFnv>0.49的面积,-1~0℃的高温多年冻土面积显著增加。多年冻土的退化形式以不稳定型多年冻土向季节冻土转化为主,多年冻土稳定性持续减弱,约有10.926×10~4km2的稳定型多年冻土转化为亚稳定型、不稳定型多年冻土。
(2)季节冻土区NDVI呈显著减小趋势,多年冻土区NDVI则呈增大趋势。2000年之后,不稳定型和亚稳定型多年冻土区NDVI呈不显著减小趋势。78.634%的多年冻土区SFnv与NDVI呈负相关,不稳定型多年冻土区二者则以正相关为主。在多年冻土稳定性减弱的过程中植被呈改善趋势,而多年冻土退化、面积减小的过程中植被则呈退化趋势。在植被覆盖改善面积较大的区域,存在冻土稳定性增强的现象。在1982-2020年,气温是多年冻土区NDVI变化的主导因子,2000年以后降水对植被的影响范围在多年冻土区进一步扩大。
(3)2000-2020年北黑、瓦西、根拉、根满和室拉公路5km路域范围内植被覆盖均以增加趋势为主,植被极显著改善和极显著退化面积最大的路域分别为瓦西公路和室拉公路。距离道路中线400m缓冲区内多年冻土升温面积最大,NDVI变化率随多年冻土升温幅度的增大而减小。道路工程对路域植被影响较为显著的范围在距离道路中线800m缓冲区内。
(4)1984-2020年东北季节性和永久性地表水面积分别以96.039km2/yr和121.386km2/yr的速率增加。西部额尔古纳河及内蒙部分流域的季节性水体面积显著增加,永久性水体面积显著减小。气温控制的冰雪融水和蒸散发等对额尔古纳、海拉尔以及根河流域地表水面积至关重要。降水减少的情况下地表水增加主要是受土地利用类型转化以及水利工程建设等人类活动的影响。1998年之后,季节性水体对稳定型多年冻土变化的