青藏鐵路沿線地表和路基表面熱力學(xué)模式_物理過程與實驗方案

1、第24卷?第6期2002年12月冰?川?凍?土JOURNALOFGLACIOLOGYGEOCRYOLOGYVol.24?No.6Dec.2002文章編號:1000?0240(2002)06?0759?06青藏鐵路沿線地表和路基表面熱力學(xué)模式(?):物理過程與實驗方案??收稿日期:2002?08?05修訂日期:2002?09?13??基金項目:中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目(KZCX1?SW?04)中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所知識創(chuàng)

2、新工程項目(ACCX210035)資助??作者簡介:王可麗(1957)女河北唐山人研究員1982年畢業(yè)于南京氣象學(xué)院主要從事陸?氣相互作用與氣候變化研究.E?mail:klwang@ns.lzb.ac.cn王可麗?程國棟(中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所甘肅蘭州?730000)摘?要:路基表面的熱狀況具有時空分布的非均勻性筑建在凍土區(qū)的路基其下伏凍土層對上邊界非均勻熱強迫的響應(yīng)會引起凍土層的凍脹、融沉非均勻變化進而造成路基的變形失穩(wěn).

3、因此了解路基表面熱狀況的時空變化規(guī)律對監(jiān)測和防治路基凍融病害、保證路基穩(wěn)定性具有重要意義.鑒于此從熱力學(xué)研究角度出發(fā)以氣候影響因子大氣輻射傳輸?shù)貧饨唤用孑椛涮匦缘貧忾g熱量交換為研究主線基于能量守恒原則建立針對青藏鐵路沿線地表、路基上表面和路基左右邊坡表面的普適性熱力學(xué)數(shù)值模式用于高海拔青藏鐵路全線的任意坡度和走向的路基表面熱狀況的定量化研究與應(yīng)用.關(guān)鍵詞:青藏鐵路路基表面熱力學(xué)模式坡面輻射收支中圖分類號:P422.4文獻標識碼:A1?擬

4、解決的關(guān)鍵問題??青藏鐵路是筑建在!高?、!寒?區(qū)的高原鐵路因此!高?和!寒?的效應(yīng)成為我們關(guān)注的問題.??由!高?而引起的!寒?使在青藏高原形成高海拔多年凍土層[1]青藏鐵路途經(jīng)約550km的多年凍土區(qū).凍土層的凍脹、融沉變化關(guān)系到其上路基的穩(wěn)定性而作為鐵路支撐體的路基的穩(wěn)定性是保障青藏鐵路安全運營的關(guān)鍵.??由于青藏高原的高海拔使得其地?氣交接面輻射加熱或溫度隨時間變化的幅度非常大[23]隨著全球變暖這一特征將愈顯突出作為鐵路支撐體

5、的路基因其走向、邊坡坡度和表面物理性質(zhì)的差異又會造成地?氣交接面輻射加熱或溫度的空間分布不均勻.由此構(gòu)成的時空非均勻的地?氣交接面輻射加熱場或溫度場是路基下伏凍土層變化的熱力外強迫源.??就凍土問題國內(nèi)外開展了廣泛而深入的物理過程研究和工程實踐活動取得了豐富的理論與應(yīng)用成果[4~6].凍土是地?氣之間熱交換的產(chǎn)物凍土層的變化與地?氣交接面的熱狀況變化有直接的聯(lián)系[7~11].路基下伏凍土層對上邊界非均勻熱強迫的響應(yīng)會引起凍土層力學(xué)性質(zhì)的

6、非均勻變化進而造成路基的變形失穩(wěn).因此路基表面熱狀況的時空非均勻變化問題無疑是影響青藏鐵路優(yōu)質(zhì)建設(shè)與安全運營的關(guān)鍵問題之一.本研究工作即是為解決這一關(guān)鍵問題而設(shè)定的其目的是為青藏鐵路全線路基因其下伏凍土層凍脹或融沉變化而引起的病害防治、保證路基穩(wěn)定性提供依據(jù).??地?氣交接面是兩種不同介質(zhì)的接合面由于上下介質(zhì)的不同而引起的差異明顯的兩種物理過程在此面的交匯造成在此面上物理過程的復(fù)雜性再加之在此面上物理特性的時空非均勻變化使得地?氣交接面

7、上物理過程及參數(shù)化問題成為地?氣相互作用研究與應(yīng)用領(lǐng)域的難點問題[12].為了解青藏鐵路沿線路基表面熱狀況的時空變化規(guī)律我們從熱力學(xué)研究角度出發(fā)以氣候影響因子大氣輻射傳輸?shù)貧饨唤用孑椛涮匦缘貧忾g熱量交換為研究主線基于能量守恒原則建立針對青藏鐵路沿線地表、路基上表面和左右邊坡表面的普適性熱力和長波輻射凈損失通量可分別表示為:SR#?=(S#?D#Rs)(1A#)(17)F#=U#(G#UsRl)(1!#)(18)式中:?=?n?%為坡面相

8、對于太陽的方位角即坡面法線n在水平面上投影的方位角?n與太陽方位角?%之差(從南向順時針方向計算)S#?為到達地表的垂直于光線表面的直接太陽輻射通量在坡面法線方向的投影D#為對可見天空球面積分的散射輻射通量Rs為來自周圍環(huán)境地表的反射輻射通量A#為坡面反射率U#為坡面長波輻射通量G#為大氣逆輻射通量Us為來自周圍環(huán)境地表的長波輻射通量Rl為來自周圍環(huán)境地表對大氣逆輻射的反射輻射通量!#為坡面比輻射率.??設(shè)%為地方緯度?為時角那么到達地

9、表的垂直于光線表面的直接太陽輻射通量在坡面法線方向的投影為:S#?=Ss[cosZcos#sinZsin#cos(?n?%)](19)利用天文學(xué)公式:cosZ=sin%sinl為斜坡長度.??事實上式(1)和式(13)中的各項均為時間t的函數(shù)若對其求時間積分就可以得到所需時段的表達式.從理論上講我們可以根據(jù)式(1)~(32)通過反演過程得到具有任意坡度和坡向的局地表面在任意時段的溫度T#這里坡度#=0??(2.在水平表面#=0式(13)

10、和式(14)~(18)蛻變后同形于式(1)和式(8)~(12)在鉛直表面#=(2.2.3對于路基表面??綜合應(yīng)用式(1)~(32)所描述的物理過程于青藏鐵路沿線的路基上表面(#=0)和邊坡表面.對于任意局地表面而言應(yīng)用的差別在于局地與太陽的相對位置、局地表面的坡度與坡向、局地表面物理特性和周圍環(huán)境地表物理特性及大氣狀態(tài)參量的不同.3?實驗方案3.1數(shù)值方法??式(1)~(32)包含了6個最基本的物理過程可用包含6個基本方程的方程組描述在