青藏高原湖泊引流疏导工程多年冻土立体监测方法

郎永彪，郑 郧，金 伟，穆彦虎，柴明堂

(1.青海省水利水电勘测规划设计研究院有限公司, 西宁 810001; 2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室， 武汉 430010；3.中国科学院西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，兰州 730000)

1 研究背景

冻土是指温度低于0 ℃且含有冰的岩土体，一般可按冻结时长分为短时冻土、季节冻土和多年冻土。在我国，多年冻土分布面积约占国土面积的22.4%，主要分布于东北大小兴安岭地区、西部的高山区以及青藏高原[1]。青藏高原多年冻土分布面积达1.5×106km2[2]，但与极地多年冻土相比厚度薄、地温高，因此对于气候变化和人类工程活动的敏感性更强[3-4]。青藏高原也是我国湖泊分布的集中区域之一[5]。近年来，受区域气候持续暖湿化趋势影响，青藏高原湖泊发育环境发生了显著的变化，湖泊数量和面积的增加趋势十分明显[6-7], 由此导致湖岸溃决、湖水外溢等水患事件频发[8-10]。当此类水患威胁到人民生命财产安全和重大工程设施时，需要通过引流疏导工程将外溢湖水有序、可控地引流至下游安全区域。

在多年冻土区进行工程建设，必须考虑多年冻土的环境要素敏感性和工程性质复杂性[11]。作为一种特殊地质体，多年冻土是在地质历史和气候变迁背景下受区域地理环境、地质构造、岩性、水文和植被特征等因素共同影响、通过地-气间物质与能量交换发育而成的[12]。因此，多年冻土的空间分布和水、热特征在受区域气候背景控制的同时，又受到地形、地貌、植被、水体(包括地表与地下)等局地要素的显著影响[13-15]。同时，作为一种特殊岩土体，冻土是由矿物颗粒、冰、未冻水和气体组成的四相体材料。由于冰、水两相间的动态转化和平衡过程，冻土的物理、力学、水力学等性质与温度状况密切相关，工程特性较常规岩土复杂[16]。然而，在多年冻土区进行工程建设，将不可避免地改变上述局地要素，打破原有的地-气能量平衡，引发局地多年冻土空间分布和水、热状况的显著改变[17]。工程活动对多年冻土不可避免产生扰动，可引发热融沉陷、热融滑塌、冰锥、冰幔、冻胀丘等冻融灾害，以及由冻胀、融沉等过程所引发的系列工程病害，进而威胁到工程构筑物的长期稳定和安全运营，尤其在气候变暖背景下上述冻融灾/病害问题更加显著[18-23]。因此，在与人类工程活动的相互作用过程中，冻土地质环境诸要素受到工程活动的影响更加显著，产生的环境效应更加复杂深远。反过来，工程活动也受到冻土地质环境更加严格甚至苛刻的制约。

对于多年冻土区工程而言，长期系统的现场监测工作十分必要，是研究工程活动与多年冻土相互作用的基础，是工程活动环境效应评估、工程结构合理设计、后期科学维护补强的依据[4,24]。目前，我国科研技术人员围绕多年冻土区重大工程建设开展了大量系统的现场监测工作，尤其在道路工程建设方面[25-28]。然而，由于缺乏相关工程实践，关于多年冻土区水利工程监测研究目前尚属空白。为此，本文以青藏高原可可西里盐湖为例，基于现有多年冻土监测技术手段，结合区域内多年冻土特征以及引流疏导工程特性，提出了多年冻土空间分布与水热状况时空演化过程、地表变形与构筑物长期稳定性以及次生冻融灾害发育的立体监测研究方法。通过该方法，可为科学评估高原湖泊引流疏导工程对区域多年冻土及冻土环境的影响提供关键数据支撑。同时，目前世界范围内的多年冻土区工程建设主要集中在交通、工业与民用建筑、能源管线等领域，而水利工程较少涉及。因此，结合此次盐湖引流工程的实施，进行系统科学的现场监测工作，可为未来我国多年冻土区水利工程的建设与维护提供重要参考。

2 多年冻土勘查监测方法

通过科学细致的现场勘查和监测，准确获取和预报工程活动范围内多年冻土的空间分布、热状况、活动层季节冻融过程以及相关冷生现象与过程等冻土工程地质条件，是建筑物地基基础设计原则确定、基础结构选型和地基处理技术选取的重要前提和依据[29]。而在上述诸多勘察监测要素中，“温度”和“含冰量”是体现和把握多年冻土特殊性的关键，是地基承载力评估、强度确定以及沉降分析的根本，因此必须在现场勘察与后期监测工作中重点关注。

目前，多年冻土的勘探技术方法主要包括常规的地质勘探和地球物理勘探。地质勘探包括钻探、坑探、井探、槽探等。其中，钻探和坑探较为常用，是必要且直接的多年冻土勘查手段。钻探的主要目的在于确定多年冻土存在与否，多年冻土上、下限埋深、多年冻土的地温、含冰状况、岩性以及结构。所获得的岩芯可通过低温运输至相关实验室后，开展原状冻土试样物理力学性质的测定。同时，钻孔成孔后，可通过温度、水分、孔隙水压力等传感器的布设，开展多年冻土水、热状况的长期连续观测，获得高精度和长序列的现场监测数据，用于科学评估工程活动对多年冻土空间分布和水热状况的影响。坑探的主要目的在于获取活动层埋深及活动层范围内土壤基本性质等资料。

地球物理勘探具有速度快、成本低、剖面布设灵活可变、勘查手段多样、剖面资料连续等诸多优点[30]。多年冻土的物性参数会随着冻融状态、地温状况及地下冰含量等条件差异而发生显著的改变，这为地球物理勘探在多年冻土勘查中的应用提供了有利的物理条件。其中，冻土的电阻率和介电常数随着上述条件的改变变化显著，因此高密度电法和探地雷达在多年冻土勘查以及相关研究工作中具有明显的优势和良好的应用前景[31-32]。高密度电法通过考察地层土体电阻率的变化进而达到冻土勘查的目的，可以较好地获得多年冻土上限、地下冰分布情况以及冻土厚度等方面的信息。探地雷达通过发生高频电磁波，根据具有不同介电常数地层的反射，进而获得高分辨率的地层剖面图，在多年冻土区与融区界面划分、动态监测活动层季节冻融过程，以及多年冻土上限位置的识别和确定等方面具有较好的表现。

多年冻土空间分布与水热状况具有显著的空间异质性，同时不同的勘测手段又具有不同的优缺点，单一手段难以掌握工程活动区域范围内多年冻土的详尽状况或满足工程勘察需求。因此，基于工程结构类型和区域冻土特征，制定科学、合理的冻土勘察与现场监测方法，对于掌握和评估工程活动对区域多年冻土的影响至关重要。此外，近年来合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)、无人机遥感技术快速发展，并开始逐步应用到多年冻土区冻融相关灾害的监测当中且表现突出，可显著提高勘察与监测工作的效率和精度[32-34]。

3 引流疏导工程概况和区域冻土环境

3.1 引流疏导工程概况

在区域气候暖湿化背景下，2011年9月青藏高原可可西里腹地卓乃湖发生溃决，湖水外溢流经库赛湖、海丁诺尔湖后汇入盐湖，使原来相对封闭的4个湖泊建立了水力联系，形成四湖相通的格局[29]。现状情况下，卓乃湖、库赛湖及海丁诺尔湖已失去调蓄功能，盐湖成为流域内的尾闾湖，上游三湖来水量的增量全部由盐湖承担，导致盐湖水位持续上升，面积持续扩大，存在外溢、溃决风险[30]。

盐湖下游约11 km处，即为青藏工程走廊(图1)，密集分布着青藏公路、青藏铁路、青藏直流联网工程、格拉成品油管线和多条通信光缆。因此，一旦出现不可控湖水外溢，甚至湖岸溃决，将严重威胁到下游重大线性工程的安全运营。为应对盐湖漫溢、溃决风险，2019年4月青海省相关部门完成了针对盐湖的引流疏导工程实施方案。引流疏导工程利用天然湖岸，通过人工控泄措施，将盐湖湖水有序、可控引流至清水河河道，并最终汇入楚玛尔河进入长江水系，有效控制盐湖水位的同时，大幅降低下游重大线性工程的安全运营风险。

图1 可可西里盐湖与青藏工程走廊Fig.1 Yanhu Lake and the Qinghai-Tibetan Plateau Engineering Corridor in Hoh Xil region

3.2 区域冻土环境

盐湖地处青藏高原可可西里腹地清水河盆地，年平均气温为-4.0～-5.0 ℃，湖面海拔约4 450 m。区域内地貌以高平原宽谷湖盆为特征，植被稀疏，盖度为5%～30%，局部有半固定沙丘。地表土层主要为2～4 m厚的冲、洪积的粉砂、砂卵石、碎石，其下为第三纪晚期至第四纪早期的湖相沉积，岩性为泥岩、泥灰岩、砂岩等，且风化程度高。图2给出了青藏高原多年冻土分布，可以看出，盐湖所在区域属于大片连续多年冻土区。结合青藏铁路沿线工程地质勘查资料，从多年冻土工程地质分区上属于清水河盆地连续多年冻土区。

图2 青藏高原多年冻土分布Fig.2 Permafrost distribution on the Qinghai-Tibetan Plateau

由于地处高寒高海拔无人区，自然、地理条件十分恶劣，交通非常不便，因此区域内包括气象、水文、多年冻土等方面的观测资料十分有限[35-36]。根据青藏铁路沿线附近地温观测资料，区内多年冻土地温主体高于-1.0 ℃，少量地温孔监测到的年平均地温低于-1.0 ℃，但高于-1.5 ℃。活动层厚度或多年冻土上限埋深在1.0～3.3 m之间[37-38]。上限以下以高含冰量冻土为主，包括富冰、饱冰冻土和多冰冻土，常发育厚度不等的含土冰层，冻土构造以水平层状为主导。图3给出了清水河盆地某天然场地2015年4个特征时间点(1月15日、4月15日、7月15日以及10月15日)的地温曲线，可以看出该场地多年冻土年平均地温约-1.2 ℃，活动层厚度在1.0～1.5 m之间，10 m以下地温梯度在0.03～0.04 ℃/m之间。

图3 清水河盆地某天然场地地温曲线Fig.3 Ground temperature profile of a natural ground borehole at Qingshui river basin in 2015

4 湖泊引流疏导工程多年冻土立体监测方法

与公路、铁路路基、水利大坝等填方工程不同，引流疏导工程多为挖方工程，涉及大量植被铲除、地表开挖，以及由此导致的下伏多年冻土和地下冰的暴露，因此对多年冻土的热扰动更加剧烈，影响范围更加显著[39]。同时，工程运营期间下泄湖水长期直接作用在新近暴露的多年冻土上，流动水体的强大携热能力势必导致下伏多年冻土的快速升温和退化[39-42]。因此，在制定多年冻土监测方案时，必须考虑到工程对多年冻土的扰动强度和潜在影响范围，同时需要对引流水体温度、流速等关键要素进行观测。

图4从技术手段、数据获取、结果输出和最终目标4个层面，从空天、地面、地下3个角度提出了湖泊引流疏导工程多年冻土立体监测技术方法和路线。通过多种手段的综合使用及相互补充，实现局地尺度下多年冻土空间分布与控制因素、气候和工程双重影响下多年冻土动态变化过程、次生冻融灾害形成及发育过程，以及构筑物地基水热过程与基础形变及工程稳定性的监测及预报。限于篇幅，下面从地面气象要素、冻土空间分布及水热动态过程、地表变形及构筑物形变3个方面详细介绍实施方法。

图4 湖泊引流疏导工程多年冻土立体监测方案技术路线Fig.4 Technology roadmap of field observations for drainage project in permafrost region

4.1 局地环境气象要素

局地环境气象监测对于区域多年冻土监测和预报十分必要，主要内容包括影响多年冻土动态变化的气象因素和地表的能量水分平衡因子[42]。气象要素主要包括空气温湿度、风速、风向、降水等控制因素。地表能量水分平衡要素主要包括地面红外辐射温度、地面辐射平衡、积雪厚度、浅层土壤温度、土壤热通量等。如条件允许，可建立气象梯度观测，对风速、风向、气温、空气温湿度等要素进行2层或3层的观测。结合盐湖引流疏导工程，上述监测要素的精度和频率可按一般气象站点要求确定即可，如关注后期盐湖湖面后退条件下潜在沙化过程，则有必要开展气象梯度观测。此外，针对引流疏导工程，过流水体的关键要素同样对于区域多年冻土水热状况的影响十分关键，包括过流水体流速、流量、水深、水温、含盐量等参数。

4.2 多年冻土空间分布及水热动态过程

为获得多年冻土空间分布及水热状况，涉及的主要监测技术手段包括探地雷达、高密度电法、钻孔测温、坑探和槽探等。通过多通道探地雷达和高密度电法的联合使用，首先获得区域范围内多年冻土和地下冰空间分布特征，包括多年冻土上限和活动层厚度、多年冻土下限和厚度，地下冰空间分布和可能的融区范围。在物探剖面的选取上，需要结合冻土制图需求、地形地貌与地表局地因素、工程扰动类型和程度等因素综合确定。在此基础上，对已经确定的物探剖面进行年内不同季节和年际的同期连续勘测。

在掌握区域多年冻土空间分布特征和复杂程度的基础上，结合引流疏导工程单元类型、结构形式、地面扰动程度确定多年冻土监测剖面和孔位的布设位置。与物探剖面的确定类似，多年冻土钻孔监测剖面和具体孔位的布设需要综合多方面的因素，以期观测结果能够较好地量化工程活动对多年冻土的影响程度和影响范围。图5以引流渠道或疏导槽为例，给出了多年冻土地温观测孔位布设方案。渠道对周边多年冻土的影响可看作平面应变问题，监测剖面沿垂直于水流方向布设。剖面中的监测区域可分为区域I、II、III，各个区域的监测目的、布设原则和方法如下。

图5 引流渠道周边多年冻土监测剖面布设示意图Fig.5 Sketch showing borehole placement for permafrost observation at a drainage channel

(1)区域Ⅰ为结构物下部多年冻土监测区域，目的在于掌握多年冻土地基热状况及时间演化过程。从问题对策性和节约经费角度出发，半幅布设即可满足工程稳定性分析和冻土观测要求。孔位布设结合渠道结构型式，建议在渠底中部(ZK11)、渠道边坡坡脚(ZK13)、坡面中部(ZK14)各布设1个孔位。如渠底较宽时，建议在渠底中部和坡脚孔间适当增加监测孔位，如ZK12。在靠近坡脚位置布设系列水温测点，掌握不同季节过流水体温度及分层特征，为分析和预测工作提供关键边界条件。

(2)区域Ⅱ为渠道周边多年冻土监测区域，目的在于通过距渠道不同距离处孔位监测结果对比量化渠道对周边多年冻土的横向热影响。在孔位布设上，靠近渠道时孔位间距布设较小，然后采用间距渐变方式逐步加大孔位布设距离。孔位的具体个数和间距需要通过现场评估和模拟计算确定。

(3)区域Ⅲ为天然场地多年冻土监测区域，目的在于掌握天然状态下多年冻土热状况，并为区域Ⅰ、Ⅱ多年冻土的变化提供背景参考值。孔位布设在原始地表条件下未受到工程活动扰动的位置。

在确定孔位位置的基础上，需要确定各监测孔的孔深和地温测点的布设位置。青藏高原地温年变化深度(年较差为0 ℃)一般在10～15 m之间。为获得气候变化和工程活动对深部多年冻土的影响，必须确保钻孔深度大于地温年变化深度。在此基础上，如条件容许，可进一步增加钻孔深度。原则上，应在工程活动范围内布设一个深孔，深孔以打穿多年冻土层后再向下延伸5～10 m为准，由此可获得区域多年冻土层厚度准确值和整个多年冻土层热状况的时间变化过程。地温监测点的布设可从活动层、多年冻土层2个层位出发。活动层地温测点间距建议不超过0.5 m，多年冻土层地温测点间距建议为1 m。

4.3 地表变形及构筑物形变监测

工程活动范围内次生冻融灾害与工程构筑物长期稳定性需要通过地表变形及构筑物形变的监测来实现，现有的最新手段包括遥感观测、无人机航拍、三维地形激光扫描和传统的全站仪观测等。这些手段在观测周期、精度、实施便捷度、成本及其结果展示等方面略有不同。在实际操作过程中，由于局地因素的限制，建议同时采用几种手段分别进行定期观测，从而达到相互验证补充、提高观测精度的目的。

InSAR技术具有覆盖范围广、数据获取快捷、干涉精度高等优点，因此在整个盐湖及周边区域范围内，可采用其对大范围的地表季节冻胀、融沉变形和年际沉降变形(多年冻土退化背景下)速率进行反演计算。对于特定的研究区域，可用无人机航拍的方式获取精细化高程、地形数据，并制作高精度数字地形/高程模型(DOM/DEM)。以此为基础还可以进行水文分析，提取流域内分水岭和汇流区域。此外，通过选择或人为布设合适的控制点，以定期航拍的方式，获取研究区域或研究对象(溢流口、引流渠道)在观测期内的地表变形过程。对于引流工程构筑物(如溢流口、护坦以及渠道)或区域内典型变形点，可采用三维激光扫描与全站仪定期测量的方式，精确获取其三维变形时间序列。

根据不同观测手段和多年冻土变形规律，确定相应的观测周期。在整体获得区域变形的基础上，对典型变形部位进行定期重点观测，最终形成可视化图件，直观反映盐湖周边及其河道沿线的地表变形和结构物形变特征及其演化规律。通过年内不同季节和年际的同期数据对比，可获得较好的活动层冻胀、融沉变形以及相关次生冻融灾害的发育和演化过程。针对引流疏导工程结构而言，可获得运营期内包括溢流口结构物(差异)沉降，引流渠道岸坡倾斜、变形、滑塌，引流渠道形态等时间发展过程。

5 结 语

在多年冻土区进行工程建设，必须考虑多年冻土的脆弱性和敏感性。相较于道路、房屋建筑以及能源管线工程，水利工程由于涉及大量的挖方工程和地表局地因素的改变，尤其对地表径流的大幅改变，势必会给区域多年冻土和冻土环境带来不可忽视的改变。而这种改变反过来严重威胁水利工程结构自身的长期稳定性，并可能引发系列次生冻融灾害和环境问题。因此，针对多年冻土区水利工程建设，适时建立空天-地面-地下的多年冻土立体监测体系十分必要，具有重要的科学和工程实践意义。目前，这一工作已经在青海省可可西里盐湖引流工程区域内逐步开展。

本文从空天、地面、地下3个角度，以多年冻土水热状况的空间分布和时间变化为核心，重点针对区域气象环境要素、多年冻土水热过程及地表变形和构筑物形变，利用InSAR、无人机航拍、气象站点观测、地温观测孔、地球物理勘探等手段实现点、线、面的观测融合，形成了一套完整的立体监测体系。然而，由于涉及相关技术手段在水利工程中的具体应用，仍有很多问题需要通过现场实践和室内研究解决。结合此次盐湖引流疏导工程，进行监测方案的逐步实施和不断完善，可为未来多年冻土勘查监测手段在水利工程中的应用提供范例。

此外，目前我国在多年冻土区水利工程实践基本属于空白，导致此次针对盐湖外溢实施的引流疏导工程没有先例可循，给工程设计和现场实施带来了极大的挑战。因此，利用科学合理的现场监测手段，获取和积累第一手现场监测资料，可为未来我国冻土区水利工程建设以及相关科研工作提供关键数据支持。