中俄原油管道凍脹融沉災害遙感影像特征及分布規(guī)律

任 延 光

(中國石油天然氣股份有限公司管道分公司，河北 廊坊 065000)

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中俄原油管道凍脹融沉災害遙感影像特征及分布規(guī)律

任 延 光

(中國石油天然氣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為例，利用1∶2 000無人機遙感影像解譯和重點區(qū)域的地質(zhì)調(diào)查，探討了凍脹融沉災害的解譯標志及遙感影像特征，并結(jié)合區(qū)域地理、地質(zhì)環(huán)境特征，將區(qū)內(nèi)凍脹融沉劃分為秀峰林場—塔源鎮(zhèn)南、塔源鎮(zhèn)南—新天林場、新天林場—額爾格奇鎮(zhèn)北3個集中分布區(qū)，旨在為工程安全運行提供地質(zhì)安全保障。

凍土，無人機，凍脹融沉災害，遙感影像

0 引言

中俄原油管道工程是我國與俄羅斯合作的國際重點合作項目，管道全長953 km，其中漠河—烏爾其段為多年凍土區(qū)，長440.7 km，烏爾其以南為季節(jié)凍土區(qū)。管道沿途地形起伏，水系和沼澤濕地發(fā)育，凍脹和融沉災害對管道的修筑和運營產(chǎn)生很多不利影響。

為了保障凍土區(qū)敷設管道的運行安全，國際上部分國家針對凍土區(qū)管道凍脹和融沉災害開展了調(diào)查、監(jiān)測、預警等預防措施。典型的如加拿大不連續(xù)多年凍土區(qū)的羅曼井(Norman Wells)輸油管道[1]多年凍土和地形研究與監(jiān)測，監(jiān)測成果對于沿線管道運行的改進和工程減災、搶修發(fā)揮了重要作用。國內(nèi)方面金會軍等對多年凍土區(qū)輸油管道工程中的融沉和凍脹問題做過研究和探討[2]，陳友昌等研究了凍土區(qū)埋地油氣管道應變監(jiān)測及預報系統(tǒng)[3]。

本研究中選擇無人機航拍技術(shù)，以中俄管道沿線多年凍土區(qū)為研究區(qū)進行了航拍調(diào)查，遙感數(shù)據(jù)源為經(jīng)過處理的1∶2 000數(shù)字正射影像圖,以室內(nèi)解譯與現(xiàn)場調(diào)查的方式,以期了解研究區(qū)凍脹融沉災害的分布特征。以下對解譯標志、影像特征、分布規(guī)律等進行闡述分析。

1 研究區(qū)多年凍土分布規(guī)律及特征

管道沿線多年凍土主要分布于大興安嶺，它是歐亞大陸多年凍土區(qū)的南緣地帶，從北至南隨著緯度的降低，多年凍土分布類型依次由連續(xù)多年凍土向島狀融區(qū)多年凍土、島狀多年凍土過渡[4]；對相同緯度地區(qū)而言，高山地區(qū)多年凍土更加發(fā)育；坡向、地表條件是影響凍土發(fā)育最主要的局地因素，陰坡濕潤、多年凍土發(fā)育，陽坡干燥，多年凍土不發(fā)育。研究區(qū)凍土總體厚度較薄，易受外界因素干擾，穩(wěn)定性較差。在水源充足地區(qū)，產(chǎn)生大量水凝冰，容易形成強烈的差異性凍脹，在融化過程中,土體強度變化劇烈。高含冰量凍土完全融化時，土體強度銳減，并形成顯著融沉變形。

2 凍脹融沉災害無人機遙感調(diào)查

2.1 數(shù)據(jù)選取

本次研究無人機的外業(yè)航拍飛行共計10個架次，95條航線，調(diào)查面積650 km2，獲取航攝相片2 444張。外業(yè)航拍完成以后開展了航片的后期制作，最終形成研究區(qū)1∶2 000數(shù)字正攝影像圖，在影像圖上開展了中俄原油管道凍脹融沉災害的解譯。

2.2 凍脹融沉災害遙感影像特征

經(jīng)過解譯，研究區(qū)的凍脹融沉點共計102處，在影像上凍脹融沉區(qū)域多表現(xiàn)為古河道、地下水富集區(qū)、地表匯水區(qū)等，多顯示為深黑色。植物多為塔頭草、水葫蘆及樹干呈白色的白樺樹，白樺樹呈傾斜狀態(tài)，有時可見呈簇狀傾斜。土壤多為黑壤土，并伴有凍脹裂縫。多數(shù)有河流或沖溝與管道相交或從管道兩側(cè)流過，河流對管道形成侵蝕的同時，又為土壤的凍脹融沉發(fā)生提供了水源(見圖1)。大面積凍脹融沉區(qū)多在凹陷處，地表植被稀少并有很多細小裂縫，紋理較為粗糙(見圖2)。

1)松嶺區(qū)典型凍脹融沉災害段。該段位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)松嶺區(qū)，區(qū)域多年平均氣溫-2.4 ℃，極端低溫-48 ℃，地貌單元屬于河谷平原，地勢平坦。屬島狀多年凍土，多年凍土上限為2.5 m以下，凍脹率為Ⅴ級；融沉等級為強融沉；凍土含水率為15%～28%，含水率高。地表出露地層為第四系沉積物，上部地層主要為泥炭土，下部為碎石土。地下水屬于第四系凍結(jié)層上松散巖類孔隙潛水，水質(zhì)一般。夏季主要植被為塔頭草、叢樺等，覆蓋率80%以上。

在遙感影像上，研究區(qū)兩側(cè)可見多處面積不等的熱融湖塘，有積水。且在地面上方出現(xiàn)明顯的地面沉陷坑，地面有裂縫，土體含水量大，植被主要為塔頭草、樺樹等。研究區(qū)發(fā)育有多處小沖溝，河流自東北向西流，近垂直管道的溝道清晰可見，寬度約1 m。水流在管道西側(cè)的熱融湖塘中聚集(見圖3)。

2)新林區(qū)典型凍脹融沉災害段。該段屬于黑龍江省大興安嶺地區(qū)新林區(qū)翠崗鎮(zhèn)，多年平均氣溫-2.2 ℃，極端最低氣溫-46.9 ℃，地貌單元屬于山間洼地沼澤地段。屬島狀多年凍土，多年凍土上限為1.0 m～1.5 m以下，凍脹率為Ⅴ級；融沉等級為融沉；凍土含水率大于20%，含水率高。地表出露地層為第四系沉積物，上部地層主要為含礫粉質(zhì)粘土，下部為碎石土。地下水屬于第四系凍結(jié)層上松散巖類孔隙潛水。夏季主要植被為塔頭草、叢樺等，覆蓋率40%以上。

在遙感影像上，研究可見多處熱融池塘和裂隙，并有大量積水。研究區(qū)有多條水流，易形成侵蝕同時為凍融提供了水源，影像上可見一主河溝橫向自西向東穿越，河道寬約10 m。垂直主河溝方向有另兩條河溝向北流動，寬度2 m～5 m(見圖4)。

該處從6月初到9月末研究區(qū)主要受融沉作用影響，根據(jù)8月份現(xiàn)場調(diào)查，隨著溫度升高，研究區(qū)冰椎逐漸消失，凍土融化致使地面融沉，局部地段發(fā)生熱融滑塌，造成地面下沉，在研究區(qū)形成熱融池塘，寬5 m～15 m，長200 m，深0.5 m～1 m(見圖5)。

3 凍脹融沉災害的分布規(guī)律

中俄管道沿線凍脹融沉災害發(fā)育隨季節(jié)變化十分明顯，夏、秋季節(jié)氣溫較高，降雨集中，災害以凍土的融沉為主，誘發(fā)凍土融沉災害形成熱融滑塌、熱融湖塘、熱融沉陷、凍土沼澤等現(xiàn)象；冬、春季氣候寒冷，災害以凍土的凍脹為主，形成凍脹丘、冰椎、地下冰等。

凍脹融沉集中分布區(qū)均屬于寒溫帶季風氣候區(qū)，大陸性氣候，冬季酷寒期長，夏季炎熱期短；同時屬于高緯度多年凍土區(qū)，凍土類型主要有少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土、含土冰層等。出露的地層主要為第四系松散堆積物，主要巖性為粉質(zhì)粘土、粉細砂、砂質(zhì)粘土、圓礫、砂巖、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土等；地表局部基巖出露，以砂巖、花崗巖為主。構(gòu)造活動性一般，地震烈度小于6度。結(jié)合區(qū)域地理、地質(zhì)環(huán)境特征，將研究區(qū)凍脹融沉災害劃分為3個集中分布區(qū)。

1)秀峰林場—塔源鎮(zhèn)南凍脹融沉災害集中分布區(qū)。該區(qū)長151.68 km，共計凍脹融沉災害55處，該區(qū)地跨黑龍江省大興安嶺地區(qū)塔河縣、新林區(qū)、大烏蘇鎮(zhèn)、塔源鎮(zhèn)，海拔標高400 m～951 m左右，相對高差50 m～300 m。以大揚樹為界北部為不連續(xù)多年凍土區(qū)，南部為島狀多年凍土區(qū)。

2)塔源鎮(zhèn)南—新天林場凍脹融沉災害集中分布區(qū)。該區(qū)長15.06 km，共計凍脹融沉災害15處。該區(qū)地跨黑龍江省大興安嶺地區(qū)松嶺區(qū)伊南工區(qū)、新天林場。地形起伏較大，屬于中低山地貌，海拔標高573 m～902 m左右，相對高差200 m。其凍土呈島狀分布。

3)新天林場—額爾格奇鎮(zhèn)北凍脹融沉災害集中分布區(qū)。該區(qū)長131.78 km，共計凍脹融沉災害32處，為黑龍江省大興安嶺地區(qū)松嶺區(qū)、勁松鎮(zhèn)、古源鎮(zhèn)、加格達奇區(qū)、白樺農(nóng)場，海拔標高319 m～866 m左右，相對高差100 m～350 m。其凍土呈島狀分布。

4 結(jié)語

中俄管道是我國能源戰(zhàn)略四大通道之一，有著十分重要的經(jīng)濟和政治意義，管道沿線穿越多年凍土區(qū)，地質(zhì)環(huán)境條件復雜，應加強多方式、多角度的地質(zhì)災害調(diào)查方法研究。作為新建管道工程，特別是穿越高緯度多年島狀融區(qū)多年凍土區(qū)、島狀凍土區(qū)段，由于人類工程活動、全球氣候變暖等因素，多年凍土逐步退化，在調(diào)查研究區(qū)出現(xiàn)熱融湖、熱融池塘、熱融沉陷、沉陷裂縫等現(xiàn)象，對工程的安全運行構(gòu)成了潛在威脅，本次調(diào)查時間在2014年5月～8月期間，通過無人機遙感影像輔助地面調(diào)查，本次航拍解譯出多年凍土區(qū)凍脹融沉共計102處，凍脹融沉現(xiàn)象正處于發(fā)生發(fā)展階段，為了保證工程運行安全，對本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)的重大凍脹融沉隱患點建議進行勘察并采取工程治理措施，對工程沿線的凍脹融沉現(xiàn)象加強定期巡查、調(diào)查、監(jiān)測，建立重點地區(qū)凍土監(jiān)測，科學掌握凍土地區(qū)凍融災害風險狀態(tài)，為工程安全運行提供地質(zhì)安全保障。

[1] 李均峰，呂宏慶，李著信.國外多年凍土區(qū)管道建設的經(jīng)驗與啟示[J].石油工程建設，2006(1):1-4．

[2] 李國玉，金會軍，陳友昌,等.中國-俄羅斯原油管道工程(漠河-大慶段)凍土工程地質(zhì)考察與研究進展[J].冰川凍土，2008，30(1):170-175．

[3] 陳友昌，籍 程，黃建忠,等.凍土區(qū)埋地油氣管道應變監(jiān)測及預報系統(tǒng)[J].中國地質(zhì)災害與防治學報，2011，22(4):122-126．

[4] 郭東信，王紹令，魯國威,等.東北大小興安嶺多年凍土分區(qū)[J].冰川凍土，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，工程師

TP753

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