第1章绪论
本章主要介绍冰冻圈工程学的研究对象、研究任务、研究意义、研究内容、与冰冻圈科学的关系，以及冰冻圈工程学的发展现状和发展趋势，可以使学生全面了解学习冰冻圈各要素与工程之间相互作用的一般性原理，更关注冰冻圈工程的应用基础理论和工程实践原理。
1.1冰冻圈工程学与冰冻圈科学1.1.1冰冻圈工程学与冰冻圈科学的关系
冰冻圈工程学是研究冰冻圈要素（冰川、冻土、积雪和河湖海冰）与工程构筑物之间相互作用关系的一门学科，主要涉及力学和热力学作用的影响。冰冻圈科学是冰冻圈工程学的理论基础，对冰冻圈工程学起到了重要的基础理论支撑作用。在冰冻圈诸要素中，冰川和积雪主要以灾害的形式对工程构筑物安全运营和工程服役性产生影响，冰川和积雪灾害的发生与规模决定了其对工程构筑物破坏的影响程度及工程服役功能的发挥。冻土作为承载上部工程构筑物的地基土，其物理力学和工程性质对工程构筑物的服役性和安全运营具有重要作用和影响，同时冻融灾害对工程构筑物产生重要的影响。河湖冰可作为冬季临时的物质运输通道，且河湖（水库）冰直接作用于工程构筑物，对工程构筑物，特别是水利工程构筑物将产生直接影响。因此，从保障工程安全视角研究冰冻圈诸要素影响、工程安全保障技术和工程服役性是冰冻圈工程学关注的重点。
冰冻圈科学是研究自然背景条件下，冰冻圈各要素形成、演化过程与内在机理，冰冻圈与气候系统其他圈层相互作用，以及冰冻圈变化的影响和适应的新兴交叉学科（秦大河等，2017）。冰冻圈科学的目的是认识自然规律，服务人类社会，促进可持续发展。作为冰冻圈科学服务于人类社会、促进可持续发展的重要学科，冰冻圈工程学与冰冻圈科学密不可分。在冰冻圈科学体系中，冰冻圈工程学处于与其他圈层之间相互作用及影响和适应，特别是工程活动对冰冻圈各要素的相互影响机理和适应途径这个层面上。从冰冻圈与可持续发展的关系视角来看，冰冻圈工程被定位在冰冻圈的服务功能及其价值评估方面（Qinetal.，2018）。但是，寒区工程需要同时面对寒区社会和经济的发展途径选择、冰冻圈变化所产生的灾害对工程建筑物的影响和冰冻圈变化，特别是多年冻土变化对工程构筑物安全运营所产生的重要影响。从冰冻圈科学学科分支结构来看（秦大河等，2017），冰冻圈工程学与冰冻圈适应和可持续发展相对应，即冰冻圈科学研究服务于人类社会经济发展。在研究冰冻圈工程学时，冰冻圈要素形成规律和变化过程是理解冰冻圈工程学的学科基础，同时关注冰冻圈变化及其影响，采取相应的工程安全保障技术可以适应这种变化和影响，从而维护工程服役功能。例如，陆地冰冻圈*广泛分布的冻土是承载工程的地质体，需要掌握冻土形成规律、变化过程和工程性质，研究多年冻土变化后所产生的冻融灾害和工程性质变化对工程稳定性的影响，同时关注工程服役功能对经济社会发展的影响。
对冰冻圈诸要素的认识和研究是伴随着冰冻圈区域工程建设开始的，冰冻圈工程学研究可能早于冰冻圈诸要素分支学科，社会经济发展可以使冰冻圈工程学得以迅速发展和壮大。北极蕴藏着丰富的石油、天然气和矿产资源，开发能源和矿产资源时，需要研究多年冻土和海冰对工程构筑物的影响，冰冻圈工程学早期逐渐形成了冻土工程学和海冰工程学。大量的寒区道路工程受到积雪的影响，可以关注并采取一些工程措施来防治风吹雪（又叫风雪流，简称吹雪）对道路工程服役功能的影响。随着冰冻圈研究的深入发展以及气候变化对冰冻圈逐渐显著的影响，冰冻圈灾害对各种工程构筑物的影响和破坏受到了广泛的关注，在冰冻圈影响区域，基础设施建设已经不能从传统单一的冰冻圈要素的过程和变化来理解其影响和破坏，而需要从冰冻圈科学整体的视角来研究工程稳定性问题。因此，从传统意义上讲，冻土工程学和海冰工程学成为冰冻圈工程学重要的分支学科。但随着气候变化影响，从冰冻圈灾害风险、气候变化适应性和社会可持续发展角度来看，冰冻圈工程学是一门全新的学科。因此，从某种意义上来说，冰冻圈工程学是一门既传统又新兴的多学科交叉的学科。
1.1.2冰冻圈工程学及其任务
冰冻圈工程学是研究冰冻圈各要素（冰川、冻土、积雪和河湖海冰）与各类工程之间相互作用关系的科学，是冰冻圈科学的一个分支。冰冻圈工程学属于工程科学的研究范畴，但也有别于冰冻圈科学的纯基础研究，是冰冻圈工程与冰冻圈科学及其他学科高度融合的研究。冰冻圈工程学有两层含义：①研究与冰冻圈区域内工程建设有关的工程地质条件适宜性、工程设计原则和工程技术方法，保证工程建筑物安全施工和运行，这是冰冻圈工程学研究的主要内容；②研究工程建设对冰冻圈诸要素环境的相互影响，保证冰冻圈诸要素环境不会因工程建设带来较大的负面影响，确保工程建设在社会可持续发展中发挥重要的作用，这是冰冻圈工程学在气候变化和可持续发展中必须考虑的内容。
冰冻圈诸要素对气候、环境和社会经济活动响应具有敏感性，需要把工程、冰冻圈诸要素、气候、环境和社会经济活动作为一个整体加以系统研究。因此，冰冻圈工程学，除研究岩土类型及其工程性质、地质结构和构造、天然地应力、地下水条件、地貌条件、地质作用和现象、天然建筑材料等传统的工程地质条件的七大方面外，还需要特别研究冰冻圈诸要素的特征、分布规律、变化过程、地貌条件，以及冰冻圈环境与灾害等。这些基础工程地质条件，特别是冰冻圈诸要素与工程有关的工程适宜性条件，对于冰冻圈影响区域的工程建设来说是至关重要的，也是冰冻圈影响区域工程建设的核心和应用基础。只有搞清楚冰冻圈影响区域对工程影响的地质条件，才能够准确把握各类工程的设计原则、设计方法和工程技术措施，保证工程建筑物安全施工和运行。
气候变化、环境演变和人类社会经济活动强度等均对冰冻圈诸要素有较强的热影响，特别是对承载工程的多年冻土会产生强烈的热影响，从而引起多年冻土退化、地下冰融化，造成地表融化下沉等，进而造成工程构筑物失稳和破坏。同时，气候变化、环境演变和人类社会经济活动也极易引起冰冻圈灾害，如冰川消融洪水、冰（碛）湖溃决、融雪径流、风吹雪等，从而导致影响区域内工程构筑物的破坏和服役功能丧失，造成极大的生命财产安全损失。冬季河湖（水库）冰可作为临时物质的运输通道，随着气候变暖，运输通道的可利用时间大大缩短。冰冻圈诸要素与工程稳定性关系极为密切，冰冻圈诸要素变化及其所诱发的灾害直接或间接地影响和破坏工程服役功能。因此，我们需要对冰冻圈诸要素的变化和所诱发的灾害有较为准确的预判，充分估计冰冻圈诸要素的变化，为冰冻圈灾害防治技术提供科学依据。
综上所述，冰冻圈工程学研究的主要任务如下：①通过地质勘测、野外监测和数值模拟等方法，研究冰冻圈诸要素分布特征和变化过程与工程稳定性和工程服役性相互作用关系，并预测冰冻圈诸要素对工程稳定性的影响趋势；②研究人类活动对冰冻圈诸要素环境的影响及其诱发的冰冻圈灾害，提出保障工程安全运营的工程设计原则、设计参数、工程技术措施和灾害防治技术以及冰冻圈环境保护对策；③研究气候和环境变化影响下工程服役性及其对社会经济的影响，提出气候变化影响下冰冻圈影响区域的工程建设规模和强度、工程的适应性技术和措施，提升冰冻圈工程服役功能。
1.2冰冻圈工程学研究意义
广阔的冰冻圈区域蕴藏着丰富的石油、天然气和矿产资源，能源和资源开发利用需要基础设施建设先行。冰冻圈工程学研究作为其重要保障，将*大限度地保证冰冻圈区域工程服役功能提高与工程基础设施的建设和安全运营。随着冰冻圈区域社会经济发展，重大工程建设和寒区经济开发强度不断增强，与适应冰冻圈各要素变化过程的技术措施发展缓慢形成矛盾。冰冻圈快速变化引起的介质异常行为特征极易诱发灾害，冰冻圈已成为重大工程安全的致灾因子和重要的灾害策源地。特别是气候变暖造成的冰川洪水、冰川湖（简称冰湖）溃决洪水、冻土融化、融雪洪水、河冰冰顼与冰塞等，严重威胁冰冻圈区重大工程安全，对冰冻圈区域经济和可持续发展产生重要影响。因此，研究冰冻圈工程对冰冻圈区域内经济和社会可持续发展具有重要的理论意义与现实意义。
西部大开发、东北振兴战略实施地区和“一带一路”倡议沿线地区全部位于快速变化的冰冻圈诸要素的分布区域，这些区域也是我国冰川、冻土、积雪、河湖海冰等*广泛分布且集中的区域，其社会经济发展和基础设施建设均受到冰冻圈变化广泛而深刻的影响。同时，青藏高原和大小兴安岭地区也是我国重要的生态安全屏障。因此，冰冻圈区域是关系到我国交通通畅、能源保障、水利安全核心生态屏障建设的重要区域。与交通运输相关的基础设施工程和冰冻圈变化息息相关，正在运行的重大基础设施工程，如青藏高原、西北地区、东北地区等地铁路、公路、水利基础设施、输油管道、高速铁路等，无一不受到冰川、冻土、积雪、河湖海冰等冰冻圈诸要素快速变化所诱发的突发性冰冻圈灾害的巨大威胁，未来气候变暖使冰冻圈区域工程安全和服役功能面临较大的风险。拟建的青藏高速公路和格拉输油（气）管道工程等，面临冰冻圈变化和气候变化的巨大挑战。在能源保障方面，西北和东北地区的输油（气）管道都不可避免地穿越了冻土区地带，这对于管道的设计、施工、运营和维护提出了更高的要求。水利相关基础设施的安全运行也受到冰冻圈的深刻影响，已建的南水北调中线工程运营中，需要揭示人工渠道冰塞发展规律及防止冰塞发生的工程和非工程措施机理，结构物附着冰强度和清理技术是其中不可忽视的问题。南水北调西线要穿越青藏高原东部强烈退化的多年冻土区，修筑如渠道、水库、大顼以及抽水电站等大型配套水利设施，这样会对多年冻土产生巨大的影响。开展大型配套水利设施工程对多年冻土的热力稳定性的影响规律和机理、多年冻土与水库库岸稳定性、顼基稳定性和顼基渗漏相互作用关系、水库下部多年冻土对地表水体的响应等研究，是未来工程需要面临的复杂的技术难题。总之，冰冻圈区域内的重大基础设施建设面临着其要素变化的巨大影响，必须开展相应的重大工程安全保障技术和工程服役功能提高的研究，为冰冻圈区域经济建设及快速发展提供科学与技术支撑。
同时，冰冻圈作用区突发性灾害将严重影响到“一带一路”沿线基础设施建设。例如，中巴经济走廊，需要穿越冰冻圈作用的高海拔山区，这里冰川和积雪丰富。随着气候变暖，冰川和积雪融水增多，从而增加了水利工程设施在本来偏少的地区安全运行的压力。冰川湖冰决堤洪水、泥石流、雪崩均因气温升高趋向不稳定发展，突发事件的频率将会增加。它们直接威胁水利工程设施和道路设施的安全运行。同时，中巴经济走廊也因冻融作用导致大量的边坡崩塌和失稳的地质灾害。未来在冰冻圈区域建设高速公路和高速铁路是国家发展的必然趋势。然而，高速公路、高速铁路对路基稳定性的要求极高，如何在热力稳定性极差的，对气候、环境和工程响应极为敏感的多年冻土区修筑对变形具有极高要求的高速公路、高速铁路，是多年冻土区面临的全新问题。尤其是“一带一路”交通基础设施建设中，北京一莫斯科高速铁路和中俄加美高速铁路更是极具挑战性。“一带一路”倡议基础设施建设工程急需的研究和冰冻圈工程技术，需要重点分阶段实施技术突破，解决工程建设中寒区工程技术的瓶颈问题。
通过对冰冻圈诸要素分布规律和变化过程以及冰冻圈灾害与工程之间互馈关系的研究，提出解决重大工程安全保障技术，*大限度地保证减缓和适应冰冻圈变化对工程产生的重大影响，这对于保障交通运输通畅、能源运输安全、水利设施安全和生态屏障建设需求均具有重要的研究意义。
1.3冰冻圈工程学研究内容
冰冻圈工程学涉及与冰冻圈科学有关的所有学科和工程技术，是交叉性极强的新兴学科。冰冻圈诸要素，包括冰川、冻土、积雪、河湖海冰等，与工程的关系和特点存在较大的区别。
冻土作为承载工程构筑物的地质体，与工程构筑物具有复杂的相互作用关系。一方面，工程热扰动会直接导致其下部冻土快速升温和融化，引起工程构筑物发生冻胀和融化下沉变形；另一方面，冻土变化也会诱发冻融灾害，如热融滑塌、融冻泥流、冻土滑坡等的发生，影响工程的稳定性和安全运营。冻土对不同类型工程的热扰动影响具有不同的响应特征，输油管道是一种内热源，极易引起
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