高考地理冻土与热棒专题

高考地理冻土与热棒专题

青藏铁路：三大措施保持路基冻土 青藏铁路要穿越“千年冻土”区，必须攻克的难题之一是：只有设法保持该区域的冻土不受夏季高温影响，确保路基坚固、稳定．大家都知道：严寒的冬季，冻土是坚硬的，而外界气温升高时冻土会熔化，使路基硬度减弱，甚至变软，火车的重压会使路基及铁轨严重变形．因此，如何确保冻土的状态在夏季与冬季一样，就成了必须解决的难题．我国科技工作者创造性地解决了这一难题，并且，其中的三个关键措施都只运用了简单的物理知识．‎ 一是“热棒”：被称为不用电的“冰箱”．在冻土区，路基两旁插有一排碗口粗细、看上去像护栏的金属棒，这就是“热棒”．它们的间隔为2m，高出路面2m，插入路基下5m．棒体是封闭中空的，里面灌有液态的氨，外表顶端有散热片．我们知道，酒精比水更容易变成气体，而液态氨变成气体比酒精还要容易．正是液态氨在“热棒”中默默无闻地工作，使它成了在夏季保持路基冻土的“冰箱”．‎ 二是“抛石路基”，被称为天然的“空调”．在冻土区修筑路基时，其土层路基的中间，抛填了一定厚度的碎石块，碎石之间的空隙不填实，并且与外界空气相通．这样的结构具有“空调”的功能，使得冻土层的温度基本不随外界气温变化，能有效地保持冻土的稳定性．‎ 三是“遮阳板路基”，又称旱桥：被称为隔热“外衣”．遮阳板路基，是在路基的边坡上架设一层遮挡太阳的板材，能有效地减弱太阳热对路基温度的影响．‎ 热棒工作原理 在可可西里地区，在铁路和公路两旁可以看到很多竖立的“铁棒”，有关技术人员说，这其实是一种高效热导装置，叫做“热棒”。车站工作人员告诉记者，热棒是青藏铁路在运营过程中处理冻土病害、保护冻土的有效措施。‎ 据了解，热棒是一种由碳素无缝钢管制成的高效热导装置，5米埋入地下，地面露出2米。具有独特的单向传热性能：热量只能从地面下端向地面上端传输，反向不能传热。在冬季，热管内工作介质由液态变为气态，带走管内热量；在暖季，热棒则停止工作。独特的冷却地温的作用使热棒堪称“魔棒”。‎ 热棒的结构大致为一个密闭空心长棒,内装有一些液氨,液氨沸点较低,在冬季土中热量使该液体蒸发,到顶部，通过散热片将热量传导给空气，冷却后又液化回到下部，保持冻土冷冻状态不松软。在夏季，液体全部变成气体，气体对流很小，热量向底部传导很慢。‎ 中圣研制开发了中国人自己的冻土治理技术——低温热棒，成功解决了40多年来一直困扰中国科学家和青藏铁路建设者的重大技术难题——青藏铁路路基多年冻土层夏季融沉、冬季冻胀的不稳定问题。该产品获得了中国科学院和青藏铁路专家组的充分肯定，被指定为青藏铁路冻害处理的唯一技术储备。我公司是全国交通工程设施标准化技术委员会热棒工作组承担单位，组织起草热棒国家标准。公司制定的热棒标准获得“中国标准创新贡献奖”。‎ 热棒上部（放热段）装有散热片，热棒的下部（吸热段）直接埋入多年冻土中。针对青藏铁路多年冻土区的冻土层，在相当长的时间段，环境温度低于热棒吸热段周围冻土层温度，热棒中的液体物 质吸收冻土中的热量，蒸发成汽体；蒸汽沿热棒中心通道向上流动至热棒上部，遇到较冷的管壁后，放出汽化潜热，冷凝成液体，在重力作用下，沿管壁流回吸热段再蒸发。如此循环往复，把自然界大气中的冷量源源不断地传输到地基冻土中。由于热棒单向传热的特点，夏天大气中的热量就不会通过热棒传到冻土中。‎ 通过热棒的单向导冷作用，冬天在地下冻土层中储存大量冷量，在青藏高原凉爽而又短暂的夏季，使冻土不致融化，形成“永冻层”，提高了冻土的强度；可有效防止以冻土为路基的铁路、公路在运行时的融沉。该技术可广泛应用于冻土地带的铁路、公路、桥梁、涵洞、隧道、固变电铁塔等工程建设。若该地冻结期短，融化期长，热棒形成的冻结核，尚未在一个冬季来临之前就全部融化，那么就失去了热棒的应用价值，因此热棒的工程应用是有一定限制的。‎ ‎1.阅读图文材料，完成下列要求。‎ 多年冻土分为上下两层，上层为夏季融化，冬季冻结的活动层，下层为多年冻结层。我国的多年冻土主要分布于东北高纬度地区和青藏高原高海拔地区。东北高纬地区多年冻土南界的年平均气温在–1°～1℃，青藏高原多年冻土下界的年平均气温约为–3.5°～–2℃。‎ 由我国自行设计、建设的青藏铁路格（尔木）拉（萨）段成功穿越了约550千米的连续多年冻土区，是全球目前穿越高原、高寒及多年冻土地区的最长铁路。多年冻土的活动层反复冻融及冬季不完全冻结，会危及铁路路基。青藏铁路建设者创造性地提出了“主动降温、冷却路基、保护冻土”的新思路，采用了热棒新技术等措施。图8a示意青藏铁路格拉段及沿线年平均气温的分布，其中西大滩至安多为连续多年冻土分布区。图8b为青藏铁路路基两侧的热棒照片及其散热工作原理示意图。热棒地上部分为冷凝段，地下部分为蒸发段，当冷凝段温度低于蒸发段温度时，蒸发段液态物质汽化上升，在冷凝段冷却成液态，回到蒸发段，循环反复。‎ ‎（1）分析青藏高原形成多年冻土的年平均气温比东北高纬度地区低的原因。‎ ‎（2）图8a所示甲地比五道梁路基更不稳定，请说明原因。（8分）‎ ‎（3）根据热棒的工作原理，判断热棒散热的工作季节（冬季或夏季），简述判断依据；分析热棒倾斜设置（图8b）的原因。（8分）‎ ‎（1）青藏高原纬度低，海拔高，太阳辐射强；（3分）（东北高纬度地区年平均气温低于-1～1°C，可以形成多年冻土），青藏高原年温差小，当年平均气温同为-1～1°C时，冬季气温高，冰冻厚度薄，夏季全部融化，不易形成多年冻土。（5分）‎ ‎（2）甲地年平均气温更接近0°‎ C，受气温变化的影响，活动层更频繁的冻融，（冻结时体积膨胀，融化时体积收缩，）危害路基。（4分）甲地年平均气温高于五道梁，夏季活动层厚度较大，冬季有时不能完全冻结，影响路基的稳定性。（4分）‎ ‎（3）冬季。（2分）依据：冬季气温低于地温，热棒蒸发段吸收冻土的热量，（将液态物质汽化上升，与较冷的地上部分管壁接触，凝结，释放出潜热）将冻土层中的热量传送至地上（大气）。（3分）‎ 热棒倾斜的原因：使棒体能深入铁轨正下方，保护铁轨下的路基（多年冻土）。（3分）‎ ‎2.下图所示地区冻土广布，冻土主要有多年冻土和季节性冻土, 季节性冻土日数是指土层中的水被冻结的天数。读图回答下列各题。‎ ‎（1）.假设图中的天气系统以120千米/日的速度向东移动,符合甲地在未来30小时内天气变化特点的是（   ）‎ A.气压升高，气温下降      B.气压降低，风力减弱 C.风力增强，气温上升      D. 风力增强，天气转阴 ‎（2）影响图中季节性冻土等日数线走向的主要因素是（ ）‎ A.纬度因素、地形因素B.海陆因素、纬度因素 C.海陆因素、洋流因素D.洋流因素、地形因素 ‎（3）冻土对自然环境的形成和发展具有独特的影响,下列叙述正确的是（  ）‎ A．图示地区树木多扎根较深且高大挺拔    ‎ B. 图示地区气候主要具有冷干特点 C. 图示地区河流迂回曲折,易形成不对称河谷 D. 图示地区地表水易下渗,土壤中的矿物质元素淋失严重 解析：1.读图可以看到，甲位于高压脊附近，45°纬线上经度1°的距离约是77千米，天气系统以每日120千米/日的速度向东移动，30小时内移动约2°，此时高压脊已经过去，甲处位于高压系统西部边缘，等压线密集，所以风力强，气压下降，但气温上升。所以C对。A、B、D错。‎ ‎2.读图，根据经纬度判断，图示区域是我国东北地区，季节性冻土等 日数线的走向，西部呈东北-西南走向，主要是受大兴安岭的影响，是地形因素；东部呈东西走向，主要是受纬度因素影响，所以A对。根据纬度判断，这里距海较远，洋流影响不到或是影响很小，等值线走向与海岸线延伸方向并不一致，所以海陆位置、洋流不是主要因素。B、C、D错。‎ ‎3.读材料可知，冻土区有永久冻土和季节性冻土，季节性冻土融化植物可以生长，永久冻土植物根系扎不下去，所以不可能扎根较深，高大挺拔，A 错。图示区纬度较高，气温低，蒸发少，是我国的湿润、半湿润区，并不干旱，B错。由于冻土分布影响，河流河道弯曲，河谷不对称，C对。下面有永久冻土层存在，地表水不易下渗，矿物元素淋失较少，D错。 1.C   2.A   3.C ‎3.冻土是指0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤。冻土是东北地区冷湿环境的综合反映，同时也影响其自然环境的形成和发展。‎ ‎（1）．根据图示信息，下列说法正确的是(　　) ‎ A．连续多年冻土带主要分布在小兴安岭北部 B．岛状多年冻土多分布在森林茂盛的阳坡 C．近些年来，由于全球气候变暖，连续多年冻土的南界南移 D．连续多年冻土界线明显向南凸出是受山地的影响 ‎（2）．冻土的存在，对东北地区景观的形成和发展有重大影响。下列说法正确的是(　　)‎ A．冻土的存在，减轻了气候的寒冷程度 B．冻土层利于地表水的下渗，不易引起沼泽化 C．冻土层抑制河流的向下侵蚀 D．冻土层使地基更加稳固，有利于交通建设 解析：连续多年冻土界线受纬度因素同时也受地形等因素影响，在大兴安岭山区向南弯曲，是山地地形，年均气温低造成的。答案：D 解析：冻土层的存在，结冰的岩层不利河流的向下侵蚀；是气候寒冷的表现；不利于地表水下渗，地表集水易造成沼泽化；冻土地基在建设时易发生软化，对交通建设不利。答案：C ‎4.青藏铁路格尔木至拉萨段通过多年冻土区约552 km，对多年冻土区路基的防护成为青藏铁路建设施工的重点，片石通风路基是冻土区常用的路基防护措施。图4示意青藏铁路片石通风路基横断面。据此完成两题。‎ ‎（1）．片石通风路基散热效果最显著的季节是 A．春季 B．夏季 C．秋季 D．冬季 ‎（2）专家建议青藏铁路东西走向路段路基两侧增加片石护坡层，且南坡厚度要大于北坡，其目的是 A．进一步降低路基的温度 ‎ B．保持路基两侧降温一致 C．降低南坡风力侵蚀强度 ‎ D．增加北坡路基散热效率 片石通风路基是一种控制热量传输过程的工程措施。观察片石通风路基横断面获知，片石层由较大的砾石组成，砾石之间有较大孔隙，孔隙充满空气，根据大气受热原理分析，夏季，外界气温高于路基内部温度，形成温度梯度，外界热空气不易进入片石通风路基内部，阻止了路基与外界的热交换，减少了路基的热量积累，使路基在夏季也能保持较低温度，冬季，外界气温低于路基温度，路基外比重较大的冷空气下沉，进入片石通风路基的孔隙中，置换比重较小的热空气，形成热对流，从而促使片石通风路基的热散失，使冻土保持较低温度，因此，选冬季。‎ ‎5.下图为美国阿拉斯加地区简图。图中南北方向连接油田的线是阿拉斯加输油管道，这是世界上第一条深入北极圈的输油管道。有近一半的输油管道架空修建并采用泡沫塑料保温，有比较完善的抗地震措施，在平坦地带也采用“之”字形铺设。读图回答下列问题。‎ ‎1.阿拉斯加输油管道在平坦地带采用“之”字形铺设的原因是 A．为了避开沼泽和沟谷等地形复杂之处 B．增加管道与地面的接触面积，减轻管线附近单位面积地面的承受压力 C．增加管线长度，减缓输油速度，防止管道爆裂 D．为管道可能发生的纵向移动和横向移动预留空间 阿拉斯加地域宽广，加之地势起伏很大，导致州内气候多样化。南部沿海、东南部、 阿拉斯加湾岛屿和阿留申群岛属于温带海洋气候，夏季平均气温4～16℃，冬季4～-7℃，。内陆盆地属亚温带，比沿海干燥，也稍冷，夏天平均气温7～24℃，冬天-7～-23℃。白令海沿岸和岛屿北极海洋性气候，夏温4～16℃，冬温－7～－23℃。中部高原属大陆性气候，夏温7～24℃，冬温-23～-34℃‎ ‎，冬季温度极低。从图中可以看出输油管道经过地区冬季气温极低，冬夏温差大，管道热胀冷缩大，管道产生较大移动，平坦地带采用“之”字形铺设主要是为了管道可能发生的纵向移动和横向移动预留空间，D对；平坦地带采用“之”字形铺设没有经过沼泽和沟谷等，A错；输油管道对地面压力不会太大，B错；油流速较快，运输量大，好事，C错。‎