基于聚類分析的內蒙古地區(qū)瀝青路面氣候影響分區(qū)

孫廣利 凌建明

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

瀝青路面建成后長期暴露于自然環(huán)境中，受到氣溫、水分、輻射等多種氣候條件的影響，故應針對不同的氣候條件選取不同的路基路面設計方案[1]。內蒙古地處北方，冬季嚴寒、夏季溫熱、日溫差大、太陽輻射強。同時，內蒙古幅員遼闊，南北東西跨度極大，區(qū)內氣候差異顯著，干旱、寒潮、風暴等氣候災害頻繁發(fā)生。因此，對內蒙古地區(qū)進行瀝青路面氣候影響分區(qū)，對于支持瀝青路面規(guī)劃、設計與養(yǎng)護尤為必要。

針對瀝青路面氣候影響分區(qū)，國內外學者已開展了相關研究。蘇聯以緯向地帶性為主，制定了公路氣候分區(qū)；SHRP計劃中制定了PG分區(qū)[2]。1964年我國首次提出了“中國公路氣候區(qū)劃”，逐步形成了JTJ 003-86《公路自然區(qū)劃標準》。1997年，沈金安制定了道路瀝青及瀝青混合料的氣候分區(qū)，并納入相應規(guī)范[3]。近年來，學者針對全國范圍內瀝青路面氣候分區(qū)[4]，同時廣東[5]、湖南[6]、陜西[7]、遼寧[8]等地情況均開展了類似研究。然而，針對內蒙古自治區(qū)的瀝青路面氣候分區(qū)卻鮮有報道。因此，本文按照聚類分析方法對內蒙古自治區(qū)氣候影響因素進行分析，可為自治區(qū)公路新建、改建過程中的參數設定、結構設計、混合料設計提供依據。

1 分區(qū)指標

1.1 指標選取

1.1.1熱量條件

瀝青路面熱量條件對瀝青路面使用性能有直接影響，并受氣溫變化影響。高溫和車輛荷載作用下，瀝青路面易產生永久變形，影響平整度，降低使用性能和使用壽命。低溫作用下，瀝青路面易產生低溫開裂、粒料脫落等病害，嚴重危害道路使用壽命。同時，高溫-低溫循環(huán)作用，將加劇路面開裂程度與凍融損傷。內蒙古地區(qū)夏季溫熱、冬季寒冷，且氣溫日較差大，對具有溫度敏感性的瀝青路面具有顯著影響。因此，選取累年平均極端最高氣溫、累年極端最低氣溫、快速降溫期內累年平均連續(xù)7 d最大氣溫日較差作為瀝青路面熱量條件分區(qū)評價指標。

1.1.2降水條件

瀝青路面飽水時，瀝青-石料黏附性下降，隨氣溫變化引起凍融循環(huán)，降低路面結構強度和穩(wěn)定性。內蒙古地區(qū)氣候多樣，不同地區(qū)降水量有顯著差異，故考慮降水情況中的最不利因素，選取累年降水量作為降水量分區(qū)指標。

1.1.3太陽輻射

受紫外照射影響老化后，瀝青路面強度與抗車轍性能下降，使用性能與使用壽命下降[9]。太陽輻射是路面紫外老化的主要來源，同時太陽輻射提高地表溫度，引起路面車轍。內蒙古地區(qū)緯度高，太陽輻射強，有必要納入瀝青路面使用性能的影響因素，因此選取累年最高溫月平均太陽輻射日總量作為分區(qū)指標。

1.2 指標空間分布

為獲取評價指標空間變異規(guī)律，選擇內蒙古自治區(qū)地區(qū)100余個氣象站的氣象資料。同時，由于全區(qū)西南部與東北部氣象站站點稀少，選用臨近省份部分站點氣象資料作為補充，各指標的氣象站分布見圖1與圖2。

圖1 溫度、降水指標的氣象站分布

圖2 太陽輻射指標的氣象站分布

依據各站氣象資料，采用地理信息系統(tǒng)平臺ARCGIS 10.2對評價指標進行空間化處理：匹配氣象站點數據與矢量地圖，利用克里金法對氣象數據插值，獲得各評價指標的空間分布圖，結果見圖3～圖7。

圖3 累年7月極端最高氣溫空間分布(單位：℃)

圖4 累年1月極端最低氣溫空間分布(單位：℃)

圖5 累年10月最大氣溫日較差空間分布(單位：℃)

圖6 累年年平均降水量空間分布(單位：mm)

圖7 累年最高溫月平均太陽輻射日總量

2 分區(qū)方法

依據分區(qū)指標，比較各區(qū)域氣候特點，考慮影響瀝青路面使用性能的氣候條件異同性，遵循差異性原則、相似性原則和共軛性原則，對內蒙古自治區(qū)瀝青路面進行氣候分區(qū)。

目前，常見分析方法主要有指標劃分法、圖層重疊法和聚類分析法3種。指標劃分法適用于單指標分級，圖層重疊法進行多次單指標分級后疊置，劃分界限較為凌亂。聚類分析法是一種多元統(tǒng)計方法，可分為系統(tǒng)聚類、動態(tài)聚類、模糊聚類、圖論聚類，以及灰聚類等。內蒙古地區(qū)瀝青路面氣候影響因素多，影響關系復雜，是典型的多指標問題，適用聚類分析法。其中，系統(tǒng)聚類分析無需預先指定聚類數，劃分后各類間界限明顯，距離和規(guī)則的相似度容易定義，且可發(fā)現各類間的層次關系，結合其他地區(qū)分區(qū)經驗，故最終采用系統(tǒng)聚類法進行氣候分區(qū)。系統(tǒng)聚類法的原理見圖8，即根據樣品間距離和類間距離定義，聚類相近樣品成為新類，將新類再與其他其他樣品或類聚類，重復上述過程直至將所有樣品聚到合適的類中。對于內蒙古地區(qū)瀝青路面氣候分區(qū)問題，聚類分析的重復次數、最終聚類數等要素需根據原始數據情況和類間差異性綜合確定，下文將詳細展開。

圖8 系統(tǒng)聚類分析示意圖

3 分區(qū)結果

對獲取氣象數據進行全距-1～1標準化后，基于SPSS軟件對上述分區(qū)指標進行聚類分析，聚類方法采用組間連接的離差平方和法，根據各數據集的組間離差平方和，對群集進行逐步合并。

聚類分析中，首先將各站視為單個群集，計算各群集的組類間平方距離，按平方距離大小依次合并，直至所有群集合并完畢。第一次合并后減少為58個區(qū)，第二次合并為37個區(qū)，第九次和第十次均合并為8個區(qū)，第十五次合并為5個區(qū)。為保證各區(qū)間差異性，確定清晰區(qū)劃界線，需選取適宜的區(qū)數，結合其他省份分區(qū)數目情況[5-8],選取區(qū)劃界線更為明顯的第十次合并。由于阿拉善地區(qū)缺少氣象數據，其指標空間分布均依靠相鄰氣象站預測得出，故合并阿拉善盟內分區(qū)，將阿拉善地區(qū)單獨作為一個分區(qū)。最終，將內蒙古自治區(qū)分為A～G 7個瀝青路面氣候影響分區(qū)，結果見表1和圖9。

表1 內蒙古地區(qū)瀝青路面氣候分區(qū)

圖9 內蒙古地區(qū)氣候分區(qū)結果

各區(qū)域指標分布情況見表2。顯然，內蒙古地區(qū)多具有冬季寒冷、夏季高溫、溫差大的特點，冬季最低溫普遍可達-35 ℃，夏季最高溫達38 ℃，累年氣溫年較差35 ℃，極端年溫差可達73 ℃，累年平均日溫差接近15 ℃。同時，內蒙古地區(qū)多為干旱/半干旱區(qū)，區(qū)內年平均降水量281.2 mm，年平均蒸發(fā)量2 630 mm。進行路面設計時，應充分考慮上述氣候條件導致的瀝青路面結構損傷。

表2 各區(qū)分區(qū)指標代表值分布

大溫差極寒區(qū)(A區(qū))地處內蒙古地區(qū)東北端，冬季極寒，降水量較多，累年1月極端最低氣溫分布均在-40 ℃以下，每日溫差極大，累年10月最大氣溫日較差均在29 ℃左右。受此影響，此區(qū)域的公路路基易出現凍脹、翻漿，瀝青路面易產生低溫收縮裂縫和溫度疲勞裂縫。

大溫差強輻射區(qū)(B區(qū))位于內蒙古地區(qū)中北部，冬季氣溫寒冷，夏季炎熱，降水量較少，晝夜溫差可達26 ℃，太陽輻射較大，最高值可達29.12 MJ·m-2·d-1。該區(qū)域內，可能產生的病害也較為復雜，包括夏季高溫變形、冬季低溫開裂、干旱和太陽輻射引起的瀝青老化。

大溫差半干旱區(qū)(C區(qū))位于內蒙古地區(qū)的東北部，顯著特點為降雨量大，年均降雨量可達480 mm左右。加之冬季寒冷，夏季炎熱，需充分考慮過濕路基產生的邊坡滑塌與含水路基、路面的凍融損傷。

過渡區(qū)(D區(qū))占地大部分位于內蒙古的中部，占地廣袤，區(qū)內各項指標均衡，但仍需充分考慮路基路面冬季變形開裂和路面夏季高溫變形的影響。

大溫差干旱區(qū)(E區(qū))位于內蒙古地區(qū)的中西部和中東部地區(qū)，年均降雨量僅為170 mm左右，冬季寒冷，夏季干熱，日溫差較小。進行路面設計時，路面冬季低溫開裂與路基夏季失水收縮開裂均需注意。

高溫半干旱區(qū)(F區(qū))位于內蒙古地區(qū)東南角。冬季寒冷，夏季極熱，年均降水量達420 mm，太陽輻射較低。在該區(qū)域中，應合理設計路面結構，選用路面材料，控制路面夏季變形，同時注重其冬季低溫開裂。

強輻射干旱區(qū)(G區(qū))為內蒙古西部的阿拉善地區(qū)，該區(qū)域沙漠廣布，太陽輻射強，降雨量低。該區(qū)域中應注意路基的失水收縮開裂、瀝青路面紫外老化，必要時可采用填砂路基，同時還應注意沙害控制。

4 結語

1) 內蒙古地區(qū)具有冬季寒冷、夏季高溫、日溫差大、干旱、太陽輻射強的氣候特點，對瀝青路面使用性能有較大影響。針對不同氣候對瀝青路面的損傷特點，選取累年7月極端最高氣溫、累年1月極端最低氣溫、累年10月最大氣溫日較差，年平均降水量和累年最高溫月平均太陽輻射日總量作為內蒙古地區(qū)瀝青公路氣候分區(qū)指標。

2) 根據內蒙古地區(qū)及其周邊100余個氣象站的氣象資料，統(tǒng)計計算指標對應數值，并分析指標在內蒙古地區(qū)內的分布情況，根據路面分區(qū)原則，利用ARCGIS平臺完成指標的空間化。

3) 利用系統(tǒng)聚類分析，將內蒙古地區(qū)分為7個瀝青路面氣候影響分區(qū)，根據其主要特征進行命名，繪制了內蒙古地區(qū)瀝青路面氣候分區(qū)圖，得到各分區(qū)氣象指標的數值分布情況。針對不同分區(qū)氣候特點，總結各區(qū)域瀝青路面易發(fā)病害，據此設計合理的瀝青路面結構類型，可達到提升路面使用性能、延長路面使用壽命的目的。