中俄原油管道冻胀融沉灾害遥感影像特征及分布规律

任 延 光

(中国石油天然气股份有限公司管道分公司，河北 廊坊 065000)



中俄原油管道冻胀融沉灾害遥感影像特征及分布规律

任 延 光

(中国石油天然气股份有限公司管道分公司，河北 廊坊 065000)

以中俄原油管道工程为例，利用1∶2 000无人机遥感影像解译和重点区域的地质调查，探讨了冻胀融沉灾害的解译标志及遥感影像特征，并结合区域地理、地质环境特征，将区内冻胀融沉划分为秀峰林场—塔源镇南、塔源镇南—新天林场、新天林场—额尔格奇镇北3个集中分布区，旨在为工程安全运行提供地质安全保障。

冻土，无人机，冻胀融沉灾害，遥感影像

0 引言

中俄原油管道工程是我国与俄罗斯合作的国际重点合作项目，管道全长953 km，其中漠河—乌尔其段为多年冻土区，长440.7 km，乌尔其以南为季节冻土区。管道沿途地形起伏，水系和沼泽湿地发育，冻胀和融沉灾害对管道的修筑和运营产生很多不利影响。

为了保障冻土区敷设管道的运行安全，国际上部分国家针对冻土区管道冻胀和融沉灾害开展了调查、监测、预警等预防措施。典型的如加拿大不连续多年冻土区的罗曼井(Norman Wells)输油管道[1]多年冻土和地形研究与监测，监测成果对于沿线管道运行的改进和工程减灾、抢修发挥了重要作用。国内方面金会军等对多年冻土区输油管道工程中的融沉和冻胀问题做过研究和探讨[2]，陈友昌等研究了冻土区埋地油气管道应变监测及预报系统[3]。

本研究中选择无人机航拍技术，以中俄管道沿线多年冻土区为研究区进行了航拍调查，遥感数据源为经过处理的1∶2 000数字正射影像图,以室内解译与现场调查的方式,以期了解研究区冻胀融沉灾害的分布特征。以下对解译标志、影像特征、分布规律等进行阐述分析。

1 研究区多年冻土分布规律及特征

管道沿线多年冻土主要分布于大兴安岭，它是欧亚大陆多年冻土区的南缘地带，从北至南随着纬度的降低，多年冻土分布类型依次由连续多年冻土向岛状融区多年冻土、岛状多年冻土过渡[4]；对相同纬度地区而言，高山地区多年冻土更加发育；坡向、地表条件是影响冻土发育最主要的局地因素，阴坡湿润、多年冻土发育，阳坡干燥，多年冻土不发育。研究区冻土总体厚度较薄，易受外界因素干扰，稳定性较差。在水源充足地区，产生大量水凝冰，容易形成强烈的差异性冻胀，在融化过程中,土体强度变化剧烈。高含冰量冻土完全融化时，土体强度锐减，并形成显著融沉变形。

2 冻胀融沉灾害无人机遥感调查

2.1 数据选取

本次研究无人机的外业航拍飞行共计10个架次，95条航线，调查面积650 km2，获取航摄相片2 444张。外业航拍完成以后开展了航片的后期制作，最终形成研究区1∶2 000数字正摄影像图，在影像图上开展了中俄原油管道冻胀融沉灾害的解译。

2.2 冻胀融沉灾害遥感影像特征

经过解译，研究区的冻胀融沉点共计102处，在影像上冻胀融沉区域多表现为古河道、地下水富集区、地表汇水区等，多显示为深黑色。植物多为塔头草、水葫芦及树干呈白色的白桦树，白桦树呈倾斜状态，有时可见呈簇状倾斜。土壤多为黑壤土，并伴有冻胀裂缝。多数有河流或冲沟与管道相交或从管道两侧流过，河流对管道形成侵蚀的同时，又为土壤的冻胀融沉发生提供了水源(见图1)。大面积冻胀融沉区多在凹陷处，地表植被稀少并有很多细小裂缝，纹理较为粗糙(见图2)。

1)松岭区典型冻胀融沉灾害段。该段位于黑龙江省大兴安岭地区松岭区，区域多年平均气温-2.4 ℃，极端低温-48 ℃，地貌单元属于河谷平原，地势平坦。属岛状多年冻土，多年冻土上限为2.5 m以下，冻胀率为Ⅴ级；融沉等级为强融沉；冻土含水率为15%～28%，含水率高。地表出露地层为第四系沉积物，上部地层主要为泥炭土，下部为碎石土。地下水属于第四系冻结层上松散岩类孔隙潜水，水质一般。夏季主要植被为塔头草、丛桦等，覆盖率80%以上。

在遥感影像上，研究区两侧可见多处面积不等的热融湖塘，有积水。且在地面上方出现明显的地面沉陷坑，地面有裂缝，土体含水量大，植被主要为塔头草、桦树等。研究区发育有多处小冲沟，河流自东北向西流，近垂直管道的沟道清晰可见，宽度约1 m。水流在管道西侧的热融湖塘中聚集(见图3)。

2)新林区典型冻胀融沉灾害段。该段属于黑龙江省大兴安岭地区新林区翠岗镇，多年平均气温-2.2 ℃，极端最低气温-46.9 ℃，地貌单元属于山间洼地沼泽地段。属岛状多年冻土，多年冻土上限为1.0 m～1.5 m以下，冻胀率为Ⅴ级；融沉等级为融沉；冻土含水率大于20%，含水率高。地表出露地层为第四系沉积物，上部地层主要为含砾粉质粘土，下部为碎石土。地下水属于第四系冻结层上松散岩类孔隙潜水。夏季主要植被为塔头草、丛桦等，覆盖率40%以上。

在遥感影像上，研究可见多处热融池塘和裂隙，并有大量积水。研究区有多条水流，易形成侵蚀同时为冻融提供了水源，影像上可见一主河沟横向自西向东穿越，河道宽约10 m。垂直主河沟方向有另两条河沟向北流动，宽度2 m～5 m(见图4)。

该处从6月初到9月末研究区主要受融沉作用影响，根据8月份现场调查，随着温度升高，研究区冰椎逐渐消失，冻土融化致使地面融沉，局部地段发生热融滑塌，造成地面下沉，在研究区形成热融池塘，宽5 m～15 m，长200 m，深0.5 m～1 m(见图5)。

3 冻胀融沉灾害的分布规律

中俄管道沿线冻胀融沉灾害发育随季节变化十分明显，夏、秋季节气温较高，降雨集中，灾害以冻土的融沉为主，诱发冻土融沉灾害形成热融滑塌、热融湖塘、热融沉陷、冻土沼泽等现象；冬、春季气候寒冷，灾害以冻土的冻胀为主，形成冻胀丘、冰椎、地下冰等。

冻胀融沉集中分布区均属于寒温带季风气候区，大陆性气候，冬季酷寒期长，夏季炎热期短；同时属于高纬度多年冻土区，冻土类型主要有少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层等。出露的地层主要为第四系松散堆积物，主要岩性为粉质粘土、粉细砂、砂质粘土、圆砾、砂岩、淤泥质粉质粘土、粉土等；地表局部基岩出露，以砂岩、花岗岩为主。构造活动性一般，地震烈度小于6度。结合区域地理、地质环境特征，将研究区冻胀融沉灾害划分为3个集中分布区。

1)秀峰林场—塔源镇南冻胀融沉灾害集中分布区。该区长151.68 km，共计冻胀融沉灾害55处，该区地跨黑龙江省大兴安岭地区塔河县、新林区、大乌苏镇、塔源镇，海拔标高400 m～951 m左右，相对高差50 m～300 m。以大扬树为界北部为不连续多年冻土区，南部为岛状多年冻土区。

2)塔源镇南—新天林场冻胀融沉灾害集中分布区。该区长15.06 km，共计冻胀融沉灾害15处。该区地跨黑龙江省大兴安岭地区松岭区伊南工区、新天林场。地形起伏较大，属于中低山地貌，海拔标高573 m～902 m左右，相对高差200 m。其冻土呈岛状分布。

3)新天林场—额尔格奇镇北冻胀融沉灾害集中分布区。该区长131.78 km，共计冻胀融沉灾害32处，为黑龙江省大兴安岭地区松岭区、劲松镇、古源镇、加格达奇区、白桦农场，海拔标高319 m～866 m左右，相对高差100 m～350 m。其冻土呈岛状分布。

4 结语

中俄管道是我国能源战略四大通道之一，有着十分重要的经济和政治意义，管道沿线穿越多年冻土区，地质环境条件复杂，应加强多方式、多角度的地质灾害调查方法研究。作为新建管道工程，特别是穿越高纬度多年岛状融区多年冻土区、岛状冻土区段，由于人类工程活动、全球气候变暖等因素，多年冻土逐步退化，在调查研究区出现热融湖、热融池塘、热融沉陷、沉陷裂缝等现象，对工程的安全运行构成了潜在威胁，本次调查时间在2014年5月～8月期间，通过无人机遥感影像辅助地面调查，本次航拍解译出多年冻土区冻胀融沉共计102处，冻胀融沉现象正处于发生发展阶段，为了保证工程运行安全，对本次调查发现的重大冻胀融沉隐患点建议进行勘察并采取工程治理措施，对工程沿线的冻胀融沉现象加强定期巡查、调查、监测，建立重点地区冻土监测，科学掌握冻土地区冻融灾害风险状态，为工程安全运行提供地质安全保障。

[1] 李均峰，吕宏庆，李著信.国外多年冻土区管道建设的经验与启示[J].石油工程建设，2006(1):1-4．

[2] 李国玉，金会军，陈友昌,等.中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)冻土工程地质考察与研究进展[J].冰川冻土，2008，30(1):170-175．

[3] 陈友昌，籍 程，黄建忠,等.冻土区埋地油气管道应变监测及预报系统[J].中国地质灾害与防治学报，2011，22(4):122-126．

[4] 郭东信，王绍令，鲁国威,等.东北大小兴安岭多年冻土分区[J].冰川冻土，1980，3(3)：2-4．

On features of remote-sensing images for frost heaving and thaw collapsing disasters in Sino-Russia oil pipeline and their distribution law

Ren Yanguang

(Pipeline Branch, China Oil and Natural Gas Co., Ltd, Langfang 065000, China)

Taking China-Russia oil pipeline as the example, the paper adopts 1∶2 000 drone remote-sensing image and undertakes the geological survey of the key areas, explores the interpretation marks and remote-sensing image features of the frost heaving and thaw collapsing disasters, and classifies the frost heaving and thaw collapsing in the district into three concentration distribution areas including Xiufeng Forestry Center-South of Tayuan Town, South of Tayuan Town-Xintian Forestry Center, and Xintian Forestry Center-North of Ergochi, so as to provide the geological safety guarantee for the safe operation in projects.

frost, drone, frost heaving and thaw collapsing disaster, remote-sensing image

1009-6825(2017)16-0094-03

2017-03-22

任延光(1980- )，男，工程师

TP753

A