陳艷江,丁　琳,郭子川

(1.黑龍江大學 a.水利電力學院;b.建筑工程學院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱工程大學 核科學與技術(shù)學院，哈爾濱 150001)

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漠大輸油管沿線多年凍土對氣候變化的響應

陳艷江1a,丁琳1b,*,郭子川2

(1.黑龍江大學 a.水利電力學院;b.建筑工程學院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱工程大學 核科學與技術(shù)學院，哈爾濱 150001)

為了研究漠河到大慶輸油管沿線凍土的變化情況，根據(jù)東北地區(qū)及周邊117個氣象站50 a(1965—2014年)的觀測資料，從中選取47個具有地溫觀測項的站分析氣溫與地溫間的關(guān)系。建立氣溫模型、地—氣關(guān)系模型，結(jié)合有限元數(shù)值計算方法，得出了目前、10 a后和30 a后漠大輸油管沿線凍土的分布情況。研究結(jié)果表明，目前年平均地表溫度在1.5 ℃的地區(qū)可能存在有多年凍土(1.5 m)；當氣溫以0.048 ℃/a的速率遞增，10 a后，現(xiàn)在年平均地表溫度在0.5 ℃的地區(qū)可能存在有多年凍土(11.5 m)；30 a后，現(xiàn)在年平均地表溫度低于0.5 ℃的地區(qū)將殘留大量的多年凍土。

輸油管道；多年凍土；氣候變化；年平均氣溫；地表溫度

地球上廣泛分布著凍土，其面積約占陸地面積的1/2，其中多年凍土面積約占陸地面積的1/4[1]。我國的凍土區(qū)主要分為高緯度多年凍土區(qū)和高海拔多年凍土區(qū)。為解決我國能源供給和資源的可持續(xù)發(fā)展問題，我國從俄羅斯進口的原油數(shù)量正在逐年增多。為方便原油的運輸和管理，在2011年建成了起自俄羅斯遠東管道斯科沃羅季諾分輸站終點到大慶林源的輸油管道。這條漠河到大慶的原油管道穿過了我國高緯度凍土區(qū)，由于凍土的特殊性，使得管道在運行過程中面臨很多難題，研究凍土和氣溫的相關(guān)性，可以更好地了解和掌握管道沿線凍土的變化情況，既可避免災害的發(fā)生又可為以后的凍土區(qū)施工提供參考。

1　研究區(qū)概況

漠大輸油管道位于我國的東北部，沿線途徑黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)。漠大線約在123°～126°E，45°～54°N范圍內(nèi)。

1.1地貌

研究區(qū)的特征是三面環(huán)山，中間是廣闊的平原，見圖1。東北部是小興安嶺，系黑龍江與松花江的分水嶺，東西走向長360 km，在黑河—孫吳—德都一線與大興安嶺相接，南北方向?qū)捈s210 km。大興安嶺起于漠河止于西拉木倫河上游谷地，總長約1 400 km，寬約260 km。

圖1　研究區(qū)范圍及高程分布圖Fig.1　Distribution map of study area and elevation

1.2氣候

研究區(qū)年平均氣溫為-4～10 ℃。由于太陽輻射的作用，區(qū)內(nèi)氣溫隨緯度增加而顯著降低，但氣溫年較差卻逐漸增加[2-3]。隨海拔高度的增加研究區(qū)內(nèi)年平均氣溫降低，由于背風坡的焚風作用，大興安嶺東坡的氣溫明顯高于西坡，對凍土的發(fā)育不利。焚風效應向東波及松嫩平原，使得其西緣的氣溫高于東緣[4-5]。研究區(qū)內(nèi)年降水量為400～1 000 mm。受東南季風的控制，降水從東南向西北方向遞減，平原地區(qū)明顯偏少。這種降水不均造成的土壤水分差異影響土壤中的熱通量，進而對多年凍土的分布產(chǎn)生影響。

1.3凍土

在大興安嶺北部有大片連續(xù)分布的多年凍土，而在小興安嶺地區(qū)存在有島狀或殘留零星狀凍土。多年凍土的南界大致和0 ℃氣溫等值線重合，變化在-1.0～1.0 ℃，而廣大低山及平原區(qū)則為季節(jié)凍土區(qū)。位于大興安嶺北部的多年凍土，在水平和垂直方向大體上是連續(xù)的，但是由于地貌部位的不同凍土分布及發(fā)育狀況也產(chǎn)生很大差別[6-8]。

2　氣溫、地溫模型

2.1漠大線的氣候特點

研究區(qū)范圍內(nèi)的大興安嶺地區(qū)的氣候是高、中緯度大陸性的季風氣候，受位于北部的西伯利亞寒流控制，蒙古高壓氣流影響著它的西部，位于東部的小興安嶺一定程度上幫助它阻礙著海洋氣候的對流作用，這些因素綜合起來造成了本區(qū)氣候嚴寒，冬季特長，夏季極短的特點[9]。中俄管道工程漠河-大慶段沿線氣象資料統(tǒng)計(1985—2014年)見表1。

表1　輸油管道沿線主要站氣象資料統(tǒng)計

2.2氣溫模型

大氣與土壤之間的能量交換是凍土形成的原因，能量主要來源于太陽輻射。不同地理位置決定了太陽輻射量各異，而氣溫高低正是太陽輻射能大小的直接表現(xiàn)。所以凍土與氣溫之間應該有一定的對應關(guān)系，氣溫模型應能反映凍土的主要分布狀況。根據(jù)東北地區(qū)及周邊117個氣象站50 a(1965—2014年)的觀測資料，分析氣溫與高程、經(jīng)度和緯度等的關(guān)系見圖2。

(a) 氣溫與高程關(guān)系

(b) 氣溫與經(jīng)度關(guān)系

(c) 氣溫與緯度關(guān)系

(d) 氣溫年較差與緯度關(guān)系

由圖2可見，氣溫和氣溫年較差都與緯度有很好的相關(guān)性，因此緯度地帶性蘊含著這兩種因素對凍土形成的影響。由于緯度的決定性作用，圖2中的經(jīng)度、高程和氣溫間沒有良好的相關(guān)關(guān)系。

2.3地—氣關(guān)系模型

在多年凍土區(qū)，地表土層的溫度，隨季節(jié)性發(fā)生很大變化，隨之會產(chǎn)生復雜的凍結(jié)-融化現(xiàn)象。從地表向下，地溫變幅變小，直到變幅幾乎等于零的深度(即地溫年變化層的底部)，凍土層基本上處于相態(tài)穩(wěn)定[10]。漠河至大楊樹公路沿線及鄰近地區(qū)的多年凍土溫度由北向南逐漸升高，厚度則沿此方向相應變薄。管道沿線氣象臺不同深度的年平均地溫見表2。

表2　管道沿線氣象站不同深度的年平均地溫

圖3　地表溫度與氣溫間相關(guān)性分析Fig.3　Correlation analysis between surface temperatures and air temperatures

近地面層是地-氣間進行能量交換的工作面。在這一薄層內(nèi)氣溫發(fā)生劇烈變化，氣溫經(jīng)過附面層對巖土的凍融發(fā)生作用[11]。為了和前述氣溫分析結(jié)果相對照，在地溫分析中，從上述117個氣溫觀測站中選取47個具有地溫觀測項的站進行分析(國家基本站和基準站)，地-氣溫間的關(guān)系見圖3。根據(jù)模型可見東北地區(qū)的地溫和氣溫有著很好的相關(guān)性，地溫普遍比氣溫高出約1.67 ℃。

3　凍土預報模型

3.1數(shù)學模型

多年凍土是寒冷空氣與地下一定深度范圍內(nèi)的土體進行熱量交換的產(chǎn)物[12]。在當今全球變暖的大背景下，多年凍土的退化趨勢是必然存在的，主要表現(xiàn)是年平均地溫的升高，季節(jié)融化深度的增大，進而導致多年凍土的工程性質(zhì)發(fā)生變化。

根據(jù)政府間氣候變化委員會(IPCC)第5次科學評估報告(AR5)，全球氣溫在21世紀末有加速升高的趨勢。全球平均氣溫到2016-2035年期間相較于1986-2005年，可能增溫在0.3～0.7 ℃。預計到21世紀末，北半球高緯度地區(qū)的近地面(上部3.5 m)多年凍土面積，將較20世紀末將再減少37%～81%[13]。

預測多年凍土退化趨勢的模型有很多，本文采用有限元計算的方法，應用輸油管道沿線主要站的凍土地溫分布，選擇其中的典型凍土含冰類型，依據(jù)大氣升溫模式，進行氣候變化影響條件下的多年凍土溫度場的一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬研究，計算模型[14]如下：

(1)

其中：

計算模型中的符號含義見表3。

根據(jù)多年凍土的多年實測資料，計算時選取60 m作為模型的深度。選取的深度內(nèi)土層分為3層：其中亞砂土位于0～2.5 m，粉質(zhì)黏土位于2.5～10 m，全風化砂巖位于10～60 m。同時，假定各土層為均質(zhì)、各向同性。

表3　計算模型中符號含義

3.2邊界條件及初始條件

根據(jù)東北地區(qū)多年的氣象觀測資料，模型計算區(qū)域內(nèi)的上邊界溫度條件表示如下：

(2)

式(2)中的符號含義見表4。

表4　模型符號含義

3.3計算結(jié)果及討論

根據(jù)預報模型，并且結(jié)合東北地區(qū)多年凍土地溫分布的特征，計算得出了不同年平均地表溫度條件下多年凍土在今后10 a和30 a的地溫曲線，見圖4。多年凍土特征參數(shù)預測結(jié)果見表5。

圖4　不同年平均地表溫度條件下多年凍土地溫變化預測結(jié)果Fig.4　Prediction results of temperature change of permafrost under different annual mean surface temperatures

由圖4和表5可見，當熱量交換處于平衡狀態(tài)時，在年平均地表溫度為1.5 ℃的地區(qū)有可能發(fā)育著多年凍土。但是當未來的氣溫按照文中假設的模式變化時，10 a后，現(xiàn)在年平均地表溫度為0.5 ℃以下的地區(qū)可能存在多年凍土；30 a后，在現(xiàn)在年平均地表溫度小于0.5 ℃的地區(qū)將會殘留大量的多年凍土。

表5　不同年平均地表溫度條件下多年凍土特征參數(shù)預測結(jié)果

注：地表溫度與年平均氣溫之差為1.67 ℃，/ 表示不存在凍土。

4　結(jié)　論

漠大輸油管道沿線地溫從南向北逐漸降低，根據(jù)地溫觀測站的實測資料，選取初始年平均地溫為1.50～-2.00 ℃進行分析，結(jié)合模型計算后可知：10 a后及30 a后地表溫度將上升0.48 ℃和1.44 ℃。初始地表溫度>1.00 ℃的地區(qū)10 a后將不存在多年凍土。初始地表溫度為0.50 ℃的地區(qū)，10 a后和30 a后凍土上限上升0.90 m及2.00 m，多年凍土厚度減少1.50 m、4.50 m。隨著初始地表溫度的降低，多年凍土厚度減少量逐漸減少。大氣溫度升高，東北地區(qū)的凍土面積將由現(xiàn)在的2.4×105km2減少5%(10 a)和15.8%(30 a)。

[1]Ding L, Liu Y J, Min Y M. Seasonal soil freezing characters in daxinganling[J]. Advanced Materials Research,2013, 652-654:1668-1672.

[2]金會軍,于少鵬,呂蘭芝,等. 大小興安嶺多年凍土退化及其趨勢初步評估[J]. 冰川凍土, 2006,28(4):467-476.

[3]Ding L, Liu Y J, Min Y M. The Daxinganling island taliks sheet permafrost feature[J]. Applied Mechanics & Materials,2013,368-370:1816-1820.

[4]魏智,金會軍,張建明,等. 氣候變化條件下東北地區(qū)多年凍土變化預測[J]. 中國科學:地球科學,2011,41(1):74-84.

[5]常曉麗,金會軍,何瑞霞,等. 中國東北大興安嶺多年凍土與寒區(qū)環(huán)境考察和研究進展[J]. 冰川凍土,2008,30(1):176-182.

[6]毛德華,王宗明,宋開山,等. 東北多年凍土區(qū)植被NDVI變化及其對氣候變化和土地覆被變化的響應[J]. 中國環(huán)境科學,2011,31(2):283-292.

[7]楊建平,楊歲橋,李曼,等. 中國凍土對氣候變化的脆弱性[J]. 冰川凍土,2013,35(6):1436-1445.

[8]Liu Y J, Ding L, Zhao Y J, et al. Analysis of temperature control mode of concrete construction in winter[J]. Applied Mechanics & Materials,2013,368-370:847-850.

[9]張艷平,胡海清. 大興安嶺氣候變化及其對林火發(fā)生的影響[J]. 東北林業(yè)大學學報, 2008,36(7):29-31.

[10] 李國玉,馬巍,王學力,等. 中俄原油管道漠大線運營后面臨一些凍害問題及防治措施建議[J]. 巖土力學,2015,36(10):2963-2973.

[11] 齊吉琳,馬巍. 凍土的力學性質(zhì)及研究現(xiàn)狀[J]. 巖土力學,2010,31(1):133-143.

[12] 王益良,王昊,韓霄禹,等.中俄原油管線多年凍土融沉特性[J]. 黑龍江大學工程學報,2015,6(3):35-38.

[13] 沈永平,王國亞. IPCC第一工作組第五次評估報告對全球氣候變化認知的最新科學要點[J]. 冰川凍土,2013,35(5):1068-1076.

[14] 賴遠明,吳紫汪,朱元林,等. 寒區(qū)隧道溫度場、滲流場和應力場耦合問題的非線性分析[J]. 巖土工程學報,1999,21(5):529-533.

Impact of climate change in the permafrost regions along the Mohe-Daqing oil pipeline

CHEN Yan-Jiang1a,DING Lin1b,*，GUO Zi-Chuan2

(1.HeilongjiangUniversitya.SchoolofHydraulicandElectricPower;b.CollegeofCivilEngineering,Harbin150080,China;2.CollegeofNuclearScienceandTechnology,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

In order to study the changes of permafrost along the pipeline between China and Russia(Mohe-Daqing), according to the northeast and 117 meteorological stations around 50 a (1965-2014) of the observation data from 47 observation stations from the ground has analyzed relations between air temperature and ground temperature. Establish the relationship model, air temperature model, combined with the method of finite element numerical calculation, and get the distribution of permafrost along the Sino Russian oil pipeline at present,after 10 a and 30 a.The results show that permafrost may exist at annual average surface temperature of 1.5 ℃(1.5 m);With the temperature of 0.048 ℃/a increasing,permafrost may still exist at annual average surface temperature of 0.5 ℃(11.5 m) after 10 a; A large number of residual permafrost will still exist at average surface temeprature lower than 0.5 ℃ after 30 a.

oil pipeline; permafrost; climate change; annual average temperature; surface temperature

10.13524/j.2095-008x.2016.02.019

2016-03-16

國家自然科學基金資助項目(41071049)

陳艷江(1989-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，研究方向：巖土工程，E-mail：15244614481@163.com；*通訊作者：丁琳(1962-)，男，黑龍江密山人，教授，博士，博士研究生導師，研究方向：凍土工程、寒區(qū)建筑材料與結(jié)構(gòu)，E-mail：13313696817@163.com。

P642.14

A

2095-008X(2016)02-0009-07