中俄输油管线地温预测模型研究

2020-10-14金明山柳艳杰刘新月

水利科学与寒区工程 2020年5期

金明山，柳艳杰，丁琳，黄帅，刘新月

(1. 黑龙江农垦现代农业工程设计有限公司, 黑龙江哈尔滨 150090；2.黑龙江大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨；3. 黑龙江大学黑龙江省村镇饮水安全工程技术研究中心，黑龙江哈尔滨 150080)

多年冻土面积约占我国国土面积的21.5%，多年冻土分布在青藏高原和东北地区，我国季节性冻土占国土面积53.5%。随着我国加速工业化发展，需要稳定可靠的能源和原材料供应，俄罗斯拥有丰富的石油自然资源，中俄输油管道运输应运而生。“一带一路”及“丝绸之路经济带”等建设，大小兴安岭多年冻土区的工程建设显著增多[1]。随着地球大气升温的影响，多年冻土区的冻土环境变得脆弱和敏感，多年冻土出现退化，从而导致冻土区工程产生冻胀及融沉破坏，研究区冻土冻融损伤严重威胁中俄输油管线运营安全[2]。因此，通过开展大兴安岭多年冻土地温变化规律的研究，分析中俄输油管线运营对周边多年冻土的影响，将为多年冻土区人类工程活动对冻土温度场影响提供研究基础[3]。

丁琳等[4]系统分析了多年冻土区输油管线的温度分布特征。刘加灿等[5]考虑热量产生，内部传导和对流以及水分传输的影响，以准确预测路基的冻结深度，将数值计算与青藏公路的现场测试结果进行了比较，并发现了良好的一致性。王平等[6]提出了耦合模型，耦合模型优于传统的单场模型。该模型可以预测多年冻土路基的冻结深度。多年冻土路基温度场的有限元模型，通过比较窄路基和宽路基的温度场分析，研究了宽路基融化深度的变化规律[7]。不同宽度的路基温度都随时间周期性变化。应用有限元方法，以边界条件为随机变量，随着宽度的增加，温度升高，速率逐渐降低，研究宽路基高速公路的随机温度场[8]。路基中央部分的蓄热效应明显，并且靠近路基上边界的位置具有较大的温度变化[9-10]。俞祁浩[11]描述了一种新的现场监测系统，以评估在延长的时间段内人造路面系统下方路基土层吸力和温度剖面的变化。他们发现测得的温度和预测的温度分布吻合得很好，但是增强的集成气候模型没有捕获到监测系统推断出的基质吸力波动。发现了不同气候条件下吸水和温度变化的变化性。基于温度调控的冻土变形分析，对于长达近1000 km具有热效输油管线工程冻土温度研究具有局限性。

本研究以中俄漠大输油管道线工程为实例，利用建立的多年冻土地温观测孔采集的地温数据，系统研究多年冻土的地温变化规律，预测中俄输油管线多年冻土地温变化，为中俄输油管线安全运营提供技术支持和理论依据。

1 中俄输油管线多年冻土区地形及气候分析

1.1 大兴安岭区域地形特征

大兴安岭位于内蒙古自治区东北部和黑龙江省西北部，115～130°E，45～53°N，东、北、西三面与俄罗斯和蒙古接壤。大兴安岭平均海拔500～800 m，与小兴安岭空间上呈人字形分布，多为低矮山丘和丘陵地；中部为伊勒呼里山，最高峰海拔1650 m，自北向东南呈“S”形延伸约230 km与小兴安岭相连接，亦为黑龙江干流和嫩江水系分水岭。南部从阿尔山向西南一直到克什克腾旗的黄岗梁，最高峰海拔2029 m。

1.2 漠大输油线区域的气候特征

全球的平均气温从19世纪末以来呈现快速上升的态势。100多年来，我国东北部升温过程可分3个阶段：1900—1940年，气温持续上升阶段；1940—1970年，气温平均水平波动阶段；1970年至21世纪初，平均气温急速上升。尤其是1990—2000年，升温更为突出。通过对我国东北地区北部33个气象台站的1961—2000年气温分析，20世纪最后10年较1961—1970年10年平均气温升高了0.9～2.2 ℃。大兴安岭气候寒冷，属于寒温带大陆性季风气候。该地区气候潮湿，夏季多雨。大兴安岭冬季寒冷而漫长，夏季短、炎热、潮湿。全年的平均温度通常低于0 ℃ 。多年冻土区南边界到北边界的年平均温度从0～1.0 ℃到-5～-6 ℃，温度分布具有明显的纬度性。多年冻土的厚度从几十厘米增加到数百米。多年冻土的水平分布从北向南逐渐减小。本文的研究区域位于大兴安岭地区，靠近加漠公路。研究区1994—2013年的年平均气温为-2.1 ℃，最高和最低温度分别为37 ℃和-43 ℃。研究区属于岛状多年冻土区。大兴安岭是大气增温最显著的地区之一。图1为输油管道沿线五个气象台站年平均气温，1950年以来均有明显上升趋势，1991—2000年平均气温值对比1961—1970年：漠河气温升高0.9 ℃，呼玛气温升高1.7 ℃，加格达奇气温升高1.5 ℃，嫩江气温升高1.3 ℃，平均气温升高约1.2 ℃；一年四季冬季升温最大，最高升温达1.6 ℃，其次为春季，最高升温达1.3 ℃。结果表明，研究区的气温变化与全球同期的气温变化趋势相似。

图1 输油管道沿线各站年平均气温变化

2 多年冻土区地温变化

兴安观测孔号CW01位于漠河，为寒冷地带，年平均气温为-4～-5.5 ℃，极端温度达-52.3 ℃。最高温度为33 ℃，该区域为大片多年冻土，连续程度为70～75%。多年冻土年平均地温是-1.2～-1.8 ℃，为低温稳定多年冻土区。观测深度范围内，CW01孔号最低温度是-1.8 ℃，选取的四个日期内最低温度在-1.6～-2.0 ℃。CW01孔号在1.1 m埋深处土体温度降到0 ℃，在-1.1 m深处出现含冰土样，因此CW01孔号处多年的冻土上限约为-1.1 m。本段管线位于洪积阶地上，水分补给条件较好。上部为粉质黏土，局部厚度为2～3 m。下部为砾砂及全风化砂岩。下部为多年冻土。冻土含冰量较低，冻胀敏感性土层的厚度较小，如图2所示。

图2 兴安观测孔号CW01地温随深度变化曲线

CW03测孔位于加漠公路275-276，为高温不稳定多年冻土区，年平均地温在-0.5～-0.7 ℃区间，多年冻土上限是2.5～3.0 m之间。管线位于冲积阶地，水分补给较好。上部土质为粉质黏土，厚度3～4 m，冻融敏感性大，最大厚度达8 m。下部为砾砂及全风化砂岩。多年冻土为富冰冻土，其厚度3～4 m。本区域冻土高含冰量，冻土厚度较大，如图3所示。

图3 加漠公路观测孔号CW03地温随深度变化曲线

观测孔号CW04，除部分基岩的阳坡及局部河流融区外，该地区冻土多年呈连续分布。土体高含冰量主要分布在含水量高的山间洼地及河谷湿地，瓦拉干周围饱冰冻土分布广泛、厚度大，融沉变形大，冻涨敏感性土层广泛分布，当水分补给条件较好时，可产生强烈冻涨，如图4所示。

图4 瓦拉干支线观测孔号CW04地温随深度变化曲线

3 地温理论预测模型

地温理论预测模型建立，依据热传导理论，边界条件如下:(1)研究区多年冻土可视为半无限大的均匀介质，热量传递为非稳态导热; (2)不考虑因非地表辐射热及地下水等热能干扰;(3)设研究区土体的温度梯度为定值。依据传热学理论，对于匀质的周期性变化条件下的温度场，导热微分方程可表达如式(1)：

(1)

其中：

式中：ρ为土的天然容重，kg/m3；C为考虑冻土相变的等效比热，J/kg·K；T为温度变量，℃；t为时间变量，h；λ为土的导热系数，J/(m·h·K)；x,y为沿某方向的空间变量，m；Cu和Cf为分别为融土及冻土的比热，J/(kg·K)；Tp和Tb为分别为冻土剧烈相变区的上和下界温度，℃；L为水的相变潜热，J/kg；W和Wt为分别为冻土的总含水量及含冰量，%；λu和λf为分别为融土及冻土的导热系数，J/(m·h·K)。

由于地表温度呈现日和年周期性变化规律，分析大地热流作用影响，则地下z处深度冻土地温可表示为式(2):

(2)

如果不考虑大地热流, 周期性的温度场可用式(3)表示：

(3)

由式(2)和式(3)可以得出，土体在深度z处的地温与地表的地温变化规律相近，冻土地温为周期性余弦函数且随着冻土深度增加，地温简谐波振幅逐渐减小，地温振幅的衰减波动也很小，近于0。地温振幅为0深度土体的温度常年保持不变，即为等温层。依据研究区地表年平均温度、年地表温度波幅等土体热物参数，分析计算某一时刻、不同深度z土体的地温。

3.1 地温拟合模型和参数求取

依据地温曲线分析，研究深度z∈[0,b)范围内，地温曲线为简谐波；在深度z∈[b,-∞)范围内，地温曲线近似平行于纵坐标，地温线与X轴的交点即为冻土的常温层。考虑到输油管线对周围土体的温度影响，式中需加入线形变量βz。对式(3)中，采用分段函数分解地温常数值，则得到如式(4)的地温波动方程：

Ti(z,t)=Ci,z∈[b,-∞)

(4)

式中：Ci为第i区稳定地温值，℃。

3.2 冻土地温预测模型分析

为验证本文提出的多年冻土预测模型的合理性和准确性，选取加漠公路CW03孔号2018年9月25日和瓦拉干CW04孔号2018年10月7日具有代表性的地温监测数据。本研究应用OriginPro 8非线性软件，采用表1的冻土物理学特征参数，进行冻土的地温拟合回归分析，给出了多年冻土地温预测公式(5)和公式(6)。对比分析地温实测数据与理论值，地温-深度拟合曲线图5、图6所示，拟合较好。