在这个问题上
工程和气候变化春桥问题
2020年3月15日 体积 50 问题 1
在这个问题上的七篇文章不能涵盖气候变化的所有工程相关的方面,但都突出几个方面值得关注。

在无常霜冻土工程

星期一,2020年3月16日

作者: 威廉·ê。施纳贝尔,道格拉斯学家戈林,亚伦d。 dotson

北极通常被认为是从零开始的气候变化,因为北极的空气温度是在大约两倍的速度上升相比灯罩(梅勒迪斯等人2019)的其余部分。然而,北极的气候变化(例如,海冰损失,水文变化,冻土解冻)的不同方面的建筑环境影响的程度比人们可能会认为仅仅基于变暖的空气温度。影响包括北极海岸线的侵蚀,改变河流动力学(Jones等人2018)(toniolo等人2017年;郑等人2019),增加了野火风险,降低地面基础设施的基础完整性((胡等人2015年。) Nelson等人,2001;雷诺兹等人2014)。

气候变化在阿拉斯加的许多,因为它的全球做了同样的结果,如社区位移的北极承诺(圣马力诺2012;罗林斯2015年),生态扰动(磁带等2018; wolken等人2011),和深刻的经济混乱(梅尔文等人2016)。但独特的寒冷地区的一个关键因素是冻土气候变暖的影响。

北极的基础设施和永久冻土

基础设施构造有多年冻土作为多北极的轴承座,和解冻那些土壤可以降低其承载能力。因此,北极气候变化的一个显着的结果是,工程师必须对保护冻土层之下修建的建筑更多地考虑。的确,在气候变化专门委员会(IPCC)政府间小组最近估计,到2050年,北极的基础设施的70%将位于认为是在冻土解冻风险和潜在的地面沉降(梅勒迪斯等人。2019)的区域。这种增加的风险可能会在阿拉斯加,在那里大多数基础设施位于多年冻土区(图1)可以感觉到。

 图1

有效的设计,建设和基础设施-arctic维修往往需要从解冻和侵蚀永久冻土的保护。北极工程师已经吸取了教训艰辛的道路。建设二战时期的阿拉斯加高速公路的过程中,例如,工程师们没有很好地通过富含冰的多年冻土带来了挑战准备,很快就指出,永冻层土壤提供的表面上的固体结构路基可以迅速转化成泥潭响应建筑相关表面的扰动(图2)。

图2 

富含冰的多年冻土是常见的阿拉斯加。在北极海岸平原-主油的区域的某些部分生产多年冻土的上部部分可包含按体积计最多百分之冰90(kanevskiy等人2013)。如果底层冻土融化,从保护结构在这些领域才能生存下去。多年冻土温度也起着基础设施的稳定具有重要作用,因为冻土的承载能力大大降低冻土温度升高朝熔点。

因此,北极工程已演变成双方在冻结状态的愿望,保护土壤和需要预测的局部解冻的影响,并找到了保持稳定的基础工程解决方案的主要驱动的一个领域。在北极变暖,这些目标是由相互关联的过程挑战那寸基础的土壤更接近解冻的状态。

关于永冻土解冻的谈话往往集中在全球性或区域性的过程,但它正下方的永久冻土层或靠近基础设施足迹是最相关的设计师。而冻土很可能完全贯穿一些地区在未来几十年解冻,它可能会持续在寒冷地区,解冻主要局限于近地表的土壤。在这两种情况下,建立基础设施的下方区域或局部解冻可能带来显著的风险结构完整性。

永冻土特性

永久冻土(常年冻土)关于北半球地球陆地表面的25%underlies。它被定义为接地(土壤或岩石具有或不具有本冰),该保持低于0℃至少连续2年。作为气候变化的结果,冻土在全球各地逐渐回暖;最近的研究报道,全球平均温度多年冻土2007和2016(biskaborn等人。2019)之间增加了0.29±0.12℃。

Permafrost regions are characterized in zones according to the extent of permafrost: continuous (frozen soils underlying 90–100 percent of the surface), discontinuous (50–90 percent), sporadic (10–50 percent), and isolated (<10 percent). As illustrated in figure 1, Alaska’s permafrost is distributed across all four zones.

多年冻土从大气通过贝吉塔-灰和土壤的该解冻每年在冬季和夏季的refreezes有源表面层绝缘。在连续多年冻土区,有源层可以是薄至30-50厘米,而在较热的区域中的有源层可以是数米厚。大积冰不会在有源层堆积,但永久冻土层的上层紧接在有源层下方经常含有大量的地面冰。

在某些情况下只有相对较薄的冰晶体在整个土壤结构精细分布;在别人的米以上(如冰楔)大相干大量冰体可能会出现。[1] 块状冰体融化为结构特别急性危险的,因为它可以创建在地下导致的表面特性(热喀斯特)沉降空隙。近几十年来,冰楔的广泛解冻已经在许多地区观测到穿越北极,包括阿拉斯加北部(Jorgenson等人2006; liljedahl等人2016年)。

作为一般规则,冻土含冰量高被认为是融解不稳定的,因为它解冻后的强度损失。它是土壤结构完整性这种损失,导致了地面的物理不稳定性和地面基础设施的潜在故障。

工程挑战和缓解技术

基础设施在多年冻土区相关的显著工程挑战是,提供结构坚实,牢固的基础的。即使富含冰的永久冻土层可以提供最基础的适当的基础,如果能够避免融化。

加热结构

温暖的结构,如加热建筑物或暖管线必须从富含冰的永久冻土层,使它们的热量不会导致解冻分开。往往这些类型的结构是从由通风空间地表面分离,并位于与桩(图3)为基础被冻成冻土。在较温暖的不连续多年冻土带,热桩常常使用(图4A)。它们包含热虹吸管(重力辅助热管)冷却系统,所述打桩的提高冬季时冷却和周围多年冻土,从而有助于确保冻土保持冻结并增强冻土-打桩表面(adfreeze)粘结强度,可提供垂直用于打桩及其负载的支持。

图3 

一堆支持的建筑物中的另一种方法是构造上同类与绝缘建筑物和安装下面的建筑物占据区域,以避免永久冻土解冻(图4B,C)的冷却系统。在这些情况下,冷却可以通过机械制冷,通风管道,或热虹吸冷却系统设计成使用低冬季气温来拦截和热消散离开建筑物的底部来提供。

图4

不加热结构

线性结构如公路,机场,铁路,或其他不加热的结构,有时可以位于永久冻土地区只有很少考虑从解冻永冻土的保护。这是在连续多年冻土带,其中不加热的结构不太可能引起足够变暖以诱导解冻尤其如此。在这些领域有可能设计出的线性结构与路堤高度保证了每年的夏季融化不会穿透冻土层。

在不连续多年冻土带,条件是通常较热并且可能需要更高级的缓解技术(图4D)。公路或铁路路堤的单纯放置可以简单地通过表面扰动的是去除原生植被和温暖表面温度,特别是在黑色沥青路面的情况下会引起永久冻土解冻。

沿着河堤积雪还导致地面的温度由于雪本身的绝缘性能显著上升。因此,道路维护成本在较温暖的地区不连续多年冻土普遍较高相比,在寒冷CON-tinuous冻土区的成本。

供水和污水处理服务

的管道社区供水和污水服务的提供历来多年冻土易发地区是一个挑战,而挑战是在北极变暖加剧。

在埋地排水管的社区,周围冻土层必须热保护,通过管网保温流动液体的温暖。这一挑战可以通过使用地面表面上方的绝缘北极管或重绝缘utilidors来减轻。

鉴于多年冻土有关的设计考虑,在许多-arctic社区数量相对较少的住宅,掩埋和/或地面上经常管道系统继承权的资本成本,使这些系统unattain-能(usarc 2015年)。在阿拉斯加的农村家庭中大约20%没有自来水和污水处理服务(Thomas等2016),并为做有管道系统的社区,气候变化趋于激化维持公用事业下面博霜稳定性的挑战。通过博,抗冻影响北极社区可能会遇到对健康的负面结果的更大的速度,由于缺乏足够可用在回家的水(Thomas等2016)。

高温冻土

无论基础设施类型,冻土地基土和覆盖基础设施之间的热平衡经常是一个微妙。在不连续多年冻土带,冻土温度1°冰熔点的内c往往。表面扰动由于施工活动往往摆向永冻土解冻的平衡。近年来,这种情况已被温暖的大气温度,这导致深化有源层和冻土的上限(通常含冰量)层的融化,造成地表的不稳定和thermokarsting加剧。

较高的温度也使冷却系统(热桩,热虹吸管,或空气管道)通过降低可用来冷却冻土空气冷冻指数不太有效,并且它们减少一个给定的堤以包含年度解冻和保护下部多年冻土的能力。用于桩基,温暖的多年冻土可以是因为敏感adfreeze粘结强度,这迅速减小作为土壤基础接口变暖有害的。

而可以通过更保守的设计来适应气候变暖的一些量,在某些情况下,可能难以或者不可能调整到批发多年冻土政权移(例如,广泛解冻)。

有益的技术

工程师们一直在设计多年冻土区基础设施超过100年。成功的设计预测和避免局部冻土层解冻,从施工过程中产生的,并减轻由建基础设施本身产生的热能失衡。在北极变暖,附加预测和观察能力需要容纳的环境条件下的变速特性。这些技术将是解决下列问题非常有用:

  • 什么景观规模变化中,并在基础设施组件的设计寿命附近的预期?
  • 是什么冻土特性和整个基础架构的足迹土壤解冻的稳定性?
  • 什么是可能会影响结构稳定性精细尺度热过程?

幸运的是,在网络基础设施,高性能计算,以及观察和预测技术的发展增强了工程师的评估土地近的特点,计划北极基础设施的能力。例如,美国国家科学基金会资助的努力,永久冻土带发现网关(//permafrost.arcticdata.io),将提供一个广泛使用的基于浏览器的平台,侧重于北极卫星图像可视化和探索大数据区域。网关将允许用户使用历史或地理空间预测的时间序列进行交互,以确定改变下到亚米级规模。这些变化包括冰楔退化,地表水覆盖,融滑塌,和海洋的侵蚀,河流和湖泊的海岸线。

北极环境与工程数据和设计支持系统(北极-EDS;正在建设中)旨在向工程设计在北极地区。由国防环境安全技术认证计划,美国能源部资助,北极-EDS将开发和部署网络技术呈现设计相关的环境数据的基于Web的地图,模块和笔记本电脑使用。跟上时代的州和联邦机构整理地理参考数据将被用于策划北极基础设施的设计使用和组合在一个网络中心。北极-EDS的Beta测试,预计开始在夏天2021,和最终产品发布在2023年初的预期。

近期物探技术的进步使人们有可能更充分体现计划的基础设施的足迹之下的土壤。而传统的技术,如钻井可能仍将岩土工程勘察的重要组成部分,地球物理和遥感方法可以让工程师更好地了解钻孔之间的地下条件。例如,电阻率被证明是有效用于识别大量地下冰机构以及表征的间隙水的物理状态(莫拉雷等人2019; trochim等人2016)。通过采用在整个足迹地质调查在岩土工程勘察的一开始,设计人员可以找出最佳位置为钻孔的位置,并就土壤不是物理采样的特性更明智的推论。

在计算能力和模拟技术的进步将使工程师们能更好地预测热过程,并与建在气候变暖冻土层土壤新的基础设施相关的结构产生影响。商业热建模软件可用于帮助了解北极土壤换热计划的基础设施下的细节。模型一般包括用于模拟地面的能量平衡的复杂的具体程序,具有被定制经常冻土中发现的土壤类型相变例程,并且可以将冷却系统,诸如在分析热虹吸管或热空气管道。它们能够模拟为要么气候变化或暖基础设施的放置的响应可能发生的永久冻土解冻的进展。因此,它们提供了正成为设计过程中的一个重要组成部分用于基础设施,北极变暖的工具。

结论

工程师管理气候变化的影响,在工程师一样的挑战北极面临着许多世界各地的,包括海平面上升,侵蚀,洪水,野火,以及社会相关的位移挑战。然而,与多年冻土升温结构性损害的风险增加是独一无二的北极和类似的寒冷地区。

因为永久冻土解冻可以从干扰的宿主导致(例如,施工活动,基础设施相关的热输入,水文变化,森林火灾,或增加的环境温度下),常常是难以辨别的解冻的具体原因。可以肯定的是,环境温度永久冻土正在上升(biskaborn等人2019),因此增加了多年冻土的易感性解冻从任何类型的干扰造成。

北极的工程师已经开发了许多技术来防止或与之相关的永久冻土层解冻缓解基础设施的破坏,最常累及努力保持冻结的土壤。被动技术通常采用的机制,以限制从基础设施到底层地面的热通量;在某些情况下采用积极的措施,促进冷却。在所有情况下,温暖的环境温度下施加额外的挑战,以保持在冷冻状态下的土壤。

在北极变暖基础设施的设计可以通过改进来观察的能力得到提升,预计在永久冻土特性区域和地方的变化。在遥感,建模,设计支持系统和成像技术,并不断发展进步上,在现在和将来帮助工程师。

除了它的负面影响,气候变化正在推动可及性和生成北极开发新的兴趣。展望未来,北极工程师可以预期不仅可以管理现有的基础设施,而且设计和维护与预期发展相关的新的基础设施。因此,技术进步的追求应该继续下去,因为工程师们设法将越来越不稳定的景观设计稳定的基础设施。

确认

我们承认并赞赏尤里·舒尔,米哈伊尔kanevskiy,和约翰zarling阿拉斯加费尔班克斯(UAF)北方工程研究所凯文bjella工程师寒冷地区研究和工程实验室的彻底审查的美国军团和大学,并建议编辑本文。此外,本报告中使用多个图像尤里舒尔,以及本·琼斯的UAF水与环境研究中心进行了慷慨地提供。

引用

biskaborn BK,史密斯SL,noetzliĴ,马特斯小时,维埃拉克,streletskiy DA,schoeneich P,romanovsky VE,lewkowicz AG,阿布拉莫夫一个,和39等。 2019年冻土在全球范围内升温。性质通讯10(1):264。

胡FS,伊格拉PE,达菲P,奇普曼毫升,罗沙AV,年轻时许,凯利R,迪茨MC。 2015年,北极苔原火灾:自然变化和应对气候变化。边界在生态和环境13(7):369-77。

琼斯BM,farquharson LM,鲍曼CA,buzard RM,ARP CD,格罗斯克,公牛dl时,京特楼尼采我,城市f和16等。 2018年一个遥感观测的十年突出链接到沿海多年冻土钝侵蚀在北极复杂过程。环境研究快报13(2018):115001。

乔根森吨,舒尔基,铂尔曼呃。 2006年突然增加在北极阿拉斯加冻土退化。地球物理研究快报25(2):l02503。

乔根森MT,吉川K,kanevskiy米,舒尔Y,romanovsky V,马尔琴科S​​,格罗斯克,棕色Ĵ,琼斯湾阿拉斯加的永久冻土2008.特点。诉讼中,多年冻土九届国际的conf,6月29日至7月3日,费尔班克斯。

kanevskiy米,舒尔Y,乔根森公吨,平CL,迈克尔森GJ,佛提埃d,stephani E,狄龙米,在阿拉斯加的波弗特海海岸的上多年冻土tumskoy诉2013地面冰。寒冷地区的科学技术85:56-70。

liljedahl AK,boikeĴ,daanen RP,FEDOROV一个,霜GV,格罗斯克,hinzman LD,iijma Y,乔根森JC,matveyeva n和9等。 2016年泛北极冰楔退化多年冻土升温及其对苔原水文的影响。自然 - 地球科学9:312-18。

马里诺即2012年环境迁移的悠久历史:评估脆弱性建筑和障碍在希什马廖夫,阿拉斯加顺利迁移。全球环境变化22:374-81。

梅尔文上午,拉森P,boehlert B,诺伊曼JE,chinowsky P,espinet X,martinichĴ,鲍曼毫秒,rennels升,bothner一个,和2个其他。 2016年气候变化损害到阿拉斯加的公共基础设施和主动适应的经济性。程序,科学114国家科学院(2):e122-31。

梅勒迪斯米,sommerkorn米,cassotta S,Derksen的C,ekaykin一个,挖空一个,kofinas克,橡皮布一个,墨尔本,托马斯·,muelbert MMC,和3个其他。 2019年极地地区。在:IPCC对气候变化的海洋和冰冻圈专题报告,EDSpörtnerH-O,罗伯茨直流,马森DELMOTTE V,翟P,tignor米,poloczanska E,mintenbeck K,阿莱格里亚一个,尼古拉米,okem一个,和3 -其他。在按[原文如此]。日内瓦:在-climate变化政府间小组。

莫拉雷C,hilbich C,粒料C,弗洛雷斯 - Orozco的R,豪克℃。 2019山冻土退化通过永久性电阻率成像网站的网络记录。冰冻圈13:2557-78。

尼尔森FE,安尼西莫夫OA,shiklomanov妮。从永冻土融化下沉2001年的风险。自然410:889-90。

罗林斯一个。 2015年糜烂引起的社会位移和修改FEMA的需要,国家环保局建立了搬迁框架全球变暖。环境法5(1)的西雅图杂志8:199-226。

雷诺兹MK,助行器DA,安宝KJ,棕色Ĵ,埃弗里特KR,kanevskiy米,kofinas GP,romanovsky VE,舒尔Y,韦伯PJ。 62岁的富冰博霜景观基础设施和气候变化,普拉德霍湾油田,阿拉斯加的2014年累计geoecological效果。全球变化生物学20:1211年至1224年。

胶带KD,琼斯BM,ARP CD,尼采I,格罗斯克。 2018年苔原被定罪:海狸北极的殖民化。全球变化生物学2(4):4478-88。

托马斯TK,里特吨,bruden d,布鲁斯d,伯德K,戈德伯格R,多布森Ĵ,hickel K,史密斯Ĵ,轩尼诗吨。对传染病的价格提供家用自来水的2016年的影响:从阿拉斯加西部的四个社区的结果。水与健康杂志14(1):132-41。

toniolo小时,stutzkeĴ,赖一个,右汊E,tschetter吨,输精管d,基奇Ĵ,欧文ķ。 2017年先行条件和损坏在-sagavanirktok河,阿拉斯加引起2015弹簧水浸。寒冷地区工程31(2)杂志:0517001。

trochim版,施纳贝尔我们,kanevskiy男,芒克Ĵ,舒尔年。 2016年地球物理和cryostratigraphic调查在阿拉斯加北部的道路设计。寒冷地区科技131:24-38。

usarc [美国北极研究委员会。 2015年阿拉斯加水和卫生追溯,1970-2005。锚固:阿拉斯加农村水和环境卫生组。

wolken JM,霍林斯沃思TN,鲁普TS,蔡平FS,特雷诺SF,巴雷特TM,沙利文PF,麦圭尔广告,奥伊斯基ES,hennon PE,以及13人。 2011年证据和阿拉斯加的森林生态系统最近和未来的气候变化的影响。生态圈2(11):124。

筝升,overeem I,旺K,克洛GD。 2019年改变北极河流动力学引起局部冻土层解冻。地球物理研究杂志:地球表面124:2324-44。

 

[1]  巨大的冰是指大型群众的地面 , 包含 楔子,埋 冰, 和大 镜头。冰楔是垂直三角形冰团(朝下放在上面,平坦的表面)形成为热接地的开裂和经常具有几米或多个维度的结果;冰透镜是水平形成冰,可以升沉覆岩石或土壤向上。

 

关于作者:比尔·施纳贝尔是院长工程和矿山在阿拉斯加费尔班克斯大学(UAF)学院。道格·戈林为工程和矿山的UAF学院名誉院长。艾伦·多森是在阿拉斯加安克雷奇的大学研究和土木工程教授临时副教务长。