中俄輸油管道（漠河—烏爾其段）沿線凍土環境影響評價

何瑞霞，金會軍，郝加前，2，常曉麗，羅棟梁

（1.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000；2.中國石油大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712））

凍土環境是指凍土生成、發展和變化所依賴的周圍一定范圍內的地質實體，它有著自身的演變規律，在人類社會追求不斷發展的過程中，改造自然、利用自然會引起寒區凍土環境變化和失衡，影響凍土過程的不斷變化和協同寒區環境變化平衡[1]。隨著寒區工程建設的開展，特別是世界各國先后在寒區建設大型線性工程，如阿拉斯加輸油管道，橫穿北美的Norman輸油管線，西伯利亞鐵路，中國的青藏鐵路、公路、東北地區的嫩林線、牙林線等，寒區生態環境日益惡化，逐漸引起各國學者的重視，并開展了一系列研究工作[2－10]。綜合國內外研究現狀，對于工程活動下寒區環境變化的研究與評價主要有以下成果。在國外，凍土環境評價研究主要集中在凍土穩定性定性評價[11]、地面敏感性定性評價[12]以及Grechishchev[13]的多年凍土區環境—空間景觀復雜性的函數型熱動力學模型等方面，這些研究被作為人類誘導對環境產生影響而引起多年凍土條件變化定量預測的基礎[10]；國內研究主要以吳青柏等[14]的凍土環境變化綜合定量評價模型為代表。然而，目前凍土環境研究主要集中在從工程地質角度分析人類活動對凍土層的影響，較少從生態環境的角度來考慮凍土層所受的影響[15]；而且定性評價較多，定量評價較少；評價模型指標過于單一或模型過于復雜，到目前為止還沒有形成一套適合于多年凍土區凍土環境評價方法（模型）及指標體系。

凍土環境評價包括凍土環境影響評價和凍土環境質量評價。凍土環境影響評價是凍土環境評價的一種，是指對擬建項目可能對凍土環境造成的影響進行分析和預測。凍土環境質量評價是指按照一定的評價方法對寒區生態環境質量狀況進行評價。根據評價時間的不同，這種評價可分為預測評價、現狀評價和回顧評價。本文所進行的凍土環境影響評價是依據有限的資料對中俄輸油管道工程可能對凍土環境帶來的影響進行分析預測。

1 中俄輸油管道（漠河—烏爾其段）沿線的凍土情況

中俄輸油管道（漠河—烏爾其段）穿越大興安嶺北部多年凍土區（圖1）。該區處于歐亞大陸凍土區東南邊緣，凍土總體厚度較薄、溫度較高、穩定性較低，易受外界因素干擾。管道（漠河—烏爾其段）坐落于大興安嶺多年凍土區的片狀和島狀多年凍土地段內[16－17]。沿線自北而南年平均氣溫逐漸升高，由－5.0℃至0℃，氣溫年較差由50℃逐漸降為40℃。多年凍土的分布格局及特征也呈現相似的緯度地帶性，從北往南，多年凍土由片狀分布逐漸過渡為島狀、稀疏島狀直至零星分布，多年凍土平面分布的連續系數由75%減至5%以下。

由于大小興安嶺山區冬季存在逆溫層，山間洼地和溝谷階地有苔鮮生長和泥炭層沼澤化發育，因此在同一局部地段內，低洼處地溫最低，多年凍土、地下冰最發育，多年凍土層亦最厚[18]。管道多布置于山間溝谷及盆地內，所在位置比兩側高地多年凍土相應發育。

通過分析管道沿線地溫監測結果，發現因每個孔的局地因素影響程度不同，管道沿線多年凍土年平均地溫的緯度地帶性規律被局地因素所干擾，年平均地溫變化較為復雜（表1）。表中CW04孔地理位置偏北，但由于其位于南坡上，3年的年平均地溫在1.8～2.0℃之間。而CW10孔地理位置偏南（在AC段內），但由于它恰好位于伊勒呼里山北坡，為管道沿線海拔最高（580m）的地段，且地表植被茂密，多年凍土最發育，年平均地溫在－2.7～－2.8℃之間，是沿線年平均地溫最低的地段。CW12孔僅2.5m～4.0m深段為殘留的多年凍土層，年平均地溫為2.0℃，該處為季節凍土。最大凍深約1.0m；14m深處地溫年平均值在3.0℃左右。可見，局地因素對多年凍土平面分布、地溫、厚度影響相當大。同時也制約著凍土退化的速度，從而造成小范圍內凍土平面分布突變性大，凍土溫度、厚度及季節融化深度差異非常明顯。

圖1 中俄原油管道（漠河－烏爾其段）線路圖

表1 管道沿線年平均地溫統計（2007－2009年）

2 中俄輸油管道沿線凍土環境現狀評價

凍土環境是寒區環境的重要組成部分，是一種脆弱的生態環境，其研究對象是在自然和人為因素作用下凍土條件的變化。凍土體系內的溫度場和水分場在外部因素作用下極易發生變化。在評價的過程中始終要以生態的觀點、動態變化的思路認識凍土環境。

2.1 管道沿線凍土分區

整個大興安嶺多年凍土區均位于歐亞大陸多年凍土的南部邊緣地帶，地溫較高，大多數為不穩定和極不穩定型多年凍土。目前區內凍土普遍處于加速退化階段，由于地帶性和局地因素的影響，導致管道沿線多年凍土平面分布、森林植被類型、地表景觀等均有明顯差異。從漠河至烏爾其段，由北向南多年凍土由片狀逐漸過渡為島狀，直至零星分布，根據凍土平面分布系數及由北向南變化的差異，再結合考慮凍土溫度、厚度及植被類型變化等特征，沿線可概括劃分出4個凍土環境分區（表2）。

表2 沿線各區段凍土和生態特征匯總表

2.2 管道沿線各分區凍土特征統計及各特征要素之間相互關系分析

這里提到的凍土特征要素主要包括：凍土類別、凍脹融沉等級、冷生現象、凍土工程地質綜合評價結果、凍土分布部位的地形地貌及地表條件等。本文對沿線4個分區的凍土特征進行統計，進一步將統計結果分析發現其具有一定的規律及關聯性。多年凍土類別決定了凍土的凍脹融沉等級，不同類別凍土其一定含水（冰）量相應于一定的凍脹和融沉變形量及分類級別；凍土類別與冷生現象也有一定的關聯。一般地，融區、少冰凍土地段不出現冷生現象，而飽冰凍土及含土冰層地段冷生現象頻繁出現。不同的凍土類別與凍脹融沉等級對應著一定的凍土工程地質綜合評價結果。從凍土分布地段來看，凍土類別與地形地貌、地表條件也有一定的聯系。綜上所述，管道沿線一定的凍土類別對應著一定的凍脹融沉等級，對應著一定的凍土工程地質綜合評級結果，也對應著冷生現象出現的頻率。

2.3 凍土環境現狀評價指標的選擇

2.3.1 凍土評價指標的選取原則 輸油管道是線性構筑物，南北走向長441km的中俄管道（漠河－烏爾其段）跨越了不同的地質、地貌單元及凍土區段，地表景觀和多年凍土條件差別大。凍土環境評價指標的選擇是相當復雜的、綜合性的研究課題。本文在評價指標的選取上遵循了整體性、典型性、地域性、客觀性及可操作性原則[19－21]。

目前在評價指標選擇方面可用的方法主要有專家咨詢法、主成份分析法、相關性分析和單因素最大限制法[19－21]。關于中俄輸油管道（漠河—烏爾其段）沿線凍土環境評價體系因子的選取，由于管道沿線的資料較少，再者管道是線性構筑物，沿線各段的地形地貌、地質條件及凍土特征均不相同，指標選取具有一定難度。這里主要運用了專家咨詢法，參考大量文獻資料，并結合多次野外考察、調研，利用管道沿線的凍土資料，最終選取了地表穩定性類型（以下簡稱“地表穩定型”）為沿線的凍土環境評價指標。

2.3.2 地表穩定型的內涵、判識指標及分類 1）地表穩定型的內涵。

“穩定”是指當一個結構物能維持原有的平衡位置或變形狀態時，則稱為結構物處于穩定平衡狀態；若不能維持原有的平衡狀態則稱失去穩定[22]。“穩定性”可理解為結構物或研究對象在外力作用和影響下維持其原有內部穩定狀態的性質或程度。它主要包括三方面的因素，即：外力的作用、形變的大小和時間尺度的量度。

多年凍土區地表穩定型是指在自然和人為因素的影響下，凍土區地表形態抗干擾和恢復破損的能力。它一般指與土層冷生作用有關的地表形態，景觀變化及斜坡穩定性，其變化大多表現為凍脹隆起和熱融沉陷，以及對地表植被和建筑物的破壞。

2）地表穩定型的判識指標。

凍土環境不同于其他地質環境的一個重要方面是凍土中含有可處于不同相態的介質——冰。而多年凍土地區地表穩定型的變化大多表現為與冰的相態變化緊密相關的凍脹隆起和熱融沉陷。因此，凍土類別是地表穩定型不可或缺的判識指標。結合前面關于凍土類別與凍脹融沉等級、冷生現象、凍土工程地質綜合評價結果、地形地貌之間關系的分析結果，并經過咨詢凍土專家，選擇凍土類別、凍脹融沉等級、冷生現象、凍土工程地質綜合評價結果、現有構筑物使用狀況、主要分布地段及地貌部位和地表條件等作為地表穩定型判識指標（表3）。

表3 地表穩定型判識指標

凍土類別：以管道中心以下凍土含冰量（或凍土含水率）劃分。凍土類別有：少冰凍土（S）、多冰凍土（D）、富冰凍土（F）、飽冰凍土（B）、含土冰層（H）。地表穩定性與凍土含冰（水）量呈反相關關系，即隨著含冰（水）量增大，地表穩定性降低。凍土類別是影響該區地表穩定型的決定性因素。

融化下沉及凍脹特性：土層的凍脹和融沉與巖性、含水率及凍結或融化速度密切相關。各類土可根據其含水率確定出凍結和融化時地表的變形量，即對于不同的凍土類別一定含水率相應產生一定的凍脹、融沉變形。因此，凍脹與融沉級別也是地表穩定型判識的一個指標。凍脹和融沉級別越大，地表穩定型越差。

冷生現象：指管線經過凍土地段可能出現的不良地質現象，一般有冰椎和凍脹丘。它們對地表穩定型具有指示作用。一般地，在冷生現象較少地段，地表穩定型也較好；而在冷生現象發育的地段，地表穩定型就較差。

凍土工程地質綜合評價結果：根據地基土的巖性、凍土含冰（含水）、融沉性或凍脹性等綜合評價凍土地基的穩定性。凍土工程地質條件及其綜合評價結果可以做為地表穩定型評價的一個參考因素。

現有構筑物的使用狀況：研究區現有構筑物如加漠公路、房屋等的使用情況可以反映不同區段的地表穩定型情況。

主要分布地段及地貌部位：分布地段及地貌部位不同，凍土的發育程度不同，凍土含冰量等亦不盡相同，地表穩定型也有差異。一般在融區、季節凍土區、粗顆粒土地段或部分少冰凍土段地表穩定型較好；而在山坡坡腳處，溝谷、洼地，地下冰極發育地段，地表穩定型極差。

地表條件：研究區地表條件也是影響地表穩定型的一個因素。在植被稀疏地區，凍土不發育，地表穩定型較好；而在苔蘚、塔頭草發育，植被茂密，松散層較厚的地段，凍土極其發育，地表穩定型差。

3）地表穩定型判識指標重要性排序。

在選定凍土環境評價指標后，需要對地表穩定型的各個判識指標按重要性進行排序。經過向從事凍土研究、環境評價和管道管理研究等領域的專家進行咨詢，并依據各判識指標間的內在邏輯關系進行重要性排序：凍土類別＞凍脹融沉等級＞冷生現象＞凍土工程地質評價結果＞現有構筑物使用狀況＞主要分布地段及地貌部位＞地表條件。

通過前面的分析可知，凍土含冰（水）量的大小直接決定著地表穩定型。因而，在這幾大因素中，凍土類別在重要性排序上居于首位。各類土可根據其含水率確定出凍結和融化時地表的變形量，即不同凍土類別其一定含水率相應產生一定的凍脹、融化變形。因而，凍脹融沉等級重要性僅次于凍土類別；冷生現象對地表穩定型具有指示作用。一般地，在冷生現象較少地段，地表穩定型較好；而在冷生現象發育的地段，地表穩定型較差。在重要性排序上，冷生現象處于第三位。凍土工程地質綜合評價結果居于第四位。現有構筑物的使用狀況，分布地段、地貌部位及地表條件都可以作為地表穩定型的判識指標，但其重要性次于前四種。在地表穩定型的識別過程中，因其判識指標較多，難免會出現個別指標之間相互沖突的問題，這時，以更高一級的判識指標為依據。

4）地表穩定型分類。

本文提到的地表穩定型可分為地表穩定型、地表較穩定型、地表不穩定型和地表極不穩定型。

地表穩定型：在天然或人為因素影響下，凍土條件基本不會發生變化。外界因素對凍土層水熱狀況基本不會造成影響，活動層變化不明顯，凍土工程地質條件好，地下冰不發育，附近建筑物無凍害現象。受干擾的多年凍土在很短時間內就能達到新的熱平衡狀態，為凍土環境良好的地段。

地表較穩定型：在外界條件的影響下，凍土條件發生一定的變化。外界擾動對凍土層水熱狀況產生些微影響，凍土工程地質條件較好，在地表破壞后局部可能產生輕微的凍脹或融化下沉，多年凍土達到新的平衡需要一定的時間。為凍土環境一般的地段。

地表不穩定型：地表條件的破壞會引起多年凍土發生劇烈的變化。多年凍土上限大幅度下降，年平均地溫明顯回升，多年凍土層明顯退化，凍土工程地質條件差，凍脹和融沉級別較高，多年凍土達到新的平衡狀態需要很長時間。為不良凍土環境地段。

地表極不穩定型：在天然或人為因素擾動下，凍土條件將發生根本性的變化。致使多年凍土嚴重退化，凍土及地下冰融化，導致熱融沉陷，凍土工程地質條件極差，多年凍土達到新的平衡所需時間很長，有些變化甚至是不可逆的。為凍土環境質量極差的地段。

2.4 凍土環境評價流程

在評價指標確定的基礎上，給出了中俄管道沿線凍土環境評價流程（圖2）。通過地表穩定型判識指標確定地表穩定型；再通過地表穩定型確定凍土環境狀況。

圖2 凍土環境評價流程圖

2.5 分區凍土環境現狀綜合評價

結合地表穩定型判識指標及其重要性排序，以凍土類別為主要的判識指標，對管道沿線凍土地表穩定型進行分類，并進一步對4個凍土分區的凍土環境進行評價。

2.5.1 管道沿線凍土類別統計 沿線4個分區凍土類別統計如表4。

2.5.2 分區凍土環境現狀評價 1）漠河至瓦拉干片狀多年凍土區。

該分區位于大興安嶺林區最北部，地表植被發育，其優勢樹種為興安落葉松，伴有白樺及樟子松等樹種，局部溝谷為灌木或沼澤濕地。第四紀沉積層相對較厚，在管道可能的作用范圍內主要地層為粉質粘土等細顆粒土和礫石、碎石等粗顆粒土，下部為強風化砂巖。

除局部河流融區外，該段多年凍土基本連續，凍土年平均地溫基本為－1.2～－1.8℃，全長123km。凍土類型主要為多冰凍土和富冰凍土。該區高含冰量凍土主要分布在河流階地、漫灘及山間洼地中，地表苔蘚、塔頭草發育，植被茂密、松散層較厚，尤其在額木爾河兩側及二十四站林場東（AA014）附近冰層厚度較大，高含冰量區段凍土的凍脹性和融沉性強，地質條件差。根據地表穩定型判識指標，其為地表極不穩定型區段，累計長約18km，對應的凍土環境質量極差。富冰凍土主要發育于坡地或低凹地帶，粗顆粒土含量相對較少，水分補給條件較好，土體的凍脹融沉性一般為凍脹、融沉—強凍脹、強融沉，凍土工程地質條件較差，地表森林比較茂密，松散層較薄，判定為地表不穩定型凍土，這類凍土對應的不穩定型凍土區段有38km，凍土環境質量為不良。多冰凍土主要發育于山坡，地層水分含量較低，粗顆粒土較多、或強風化基巖，凍土工程地質條件較好，地表森林植被稀疏，松散層薄，屬地表較穩定型凍土區段，累計長約45km，對應凍土環境質量為較好。融區、少冰凍土區主要出現在河流底部、山頂陽坡，土顆粒較粗、或基巖埋藏較淺的地帶，地表植被矮小、稀疏，在中等擾動范圍下，少冰凍土及融區地段屬地表較穩定型區段，長約22km，對應凍土環境質量為一般。

表4 中俄輸油管道（漠河－烏爾其段）分區凍土類別統計表

2）瓦拉干至松嶺區大片融區多年凍土區。

瓦拉干至松嶺區段占據了多年凍土區的大半部分地段，全長194km，除部分基巖山坡的陽坡及局部河流融區外，該區段多年凍土基本呈連續分布。凍土溫度高、熱穩定性差、凍土分布格局復雜多變。林型仍屬于興安落葉松林，伴有白樺生長，地表植被發育，大部分為森林所覆蓋，灌木或沼澤濕地在該區所占比例相對增加。第四紀沉積層變化相對較為復雜。在管道可能的作用范圍內，淺部多為粉質粘土等細顆粒土；下部多為砂土、碎石土、強風化花崗巖或砂巖。

該區多年凍土類型主要為多冰凍土和富冰凍土。位于AB段的高含冰量凍土主要分布在泥炭層發育的山間洼地及河谷濕地中。高含冰量地段凍土工程地質條件極差，可能產生強烈的凍脹及融沉變形，為地表極不穩定型凍土，對應的凍土環境質量為極差，累計長約10km。富冰凍土發育于山間溝谷、洼地、陰坡等區域，主要巖性為第四紀沉積的泥炭層土、粘性土、砂類土、碎石土，局部地段為全風化、強風化的基巖等，凍土工程地質條件較差，地表植被較發育。該地段與管道基本并行的加漠公路路面高低起伏，有較明顯的變形。結合地表穩定型判識標準，這些地段判定為地表不穩定型凍土，累計長約46km，對應的凍土環境質量為不良。多冰凍土分布于山坡上，水分補給條件較差，凍土工程地質條件較好，為地表較穩定型凍土區段，累計長約69km，對應凍土環境質量為一般。融區及少冰凍土出現在低山丘陵、山脊、陽坡坡地等區域，凍土工程地質條件良好，植被稀疏，多為灌叢，屬于地表較穩定型凍土，對應凍土環境質量為一般，累計長約69km。

3）松嶺至加格達奇島狀多年凍土區。

松嶺至加格達奇區段屬于大興安嶺林區南部的邊緣地帶，全長85km。管道位于伊勒呼里山南麓，處于多年凍土向島狀多年凍土的過渡地帶。該區地表植被以針闊混交林為主，森林覆蓋率下降，人為活動加劇。松嶺至加格達奇段在凍土區段里只占據較少的比例。在管道可能的作用范圍內，淺部多為粉質粘土，下部多為礫砂、碎石土、強風化花崗巖。凍土溫度高于－0.5℃，季節融深1.2m～1.3m，由北往南地溫升高，多年凍土層變薄。

該區多年凍土類型主要為富冰凍土和多冰凍土。該區多年凍土屬于凍土退化過程中的殘留凍土，主要發育于水分補給充分、低洼的山間溝谷及洼地處，富冰凍土區段地質條件較差，屬于地表不穩定型凍土，累計長約9km，對應的凍土環境質量狀況為不良。多冰凍土對應地表較穩定型凍土區段，長約13km，凍土環境質量一般。融區及少冰凍土發育于坡地、山脊、山頂，多為粗顆粒土、或強風化基巖，凍土工程地質條件良好，屬于地表較穩定性區段，累計長約63km，對應凍土環境質量較好。

4）加格達奇至大楊樹零星分布島狀多年凍土區

加格達奇至大楊樹零星分布島狀多年凍土區全長39km，是農、林、草原混交帶，在丘陵的山坡和頂部分布一定比例的樹木。在管道可能的作用范圍內，淺部部分為粉質粘土，砂土、碎石土，下部為強風化花崗巖，部分直接為強風化花崗巖。只有在溝谷洼地殘留部分凍土，凍土溫度接近0℃，為高溫極不穩定凍土，所占比例不足3%，人為活動和工程建設會導致凍土的退化和消失。該區主要為融區、季節凍土和少冰凍土，該區巖性在底層淺部多為粉質粘土，砂土、碎石土，下部為全風化花崗巖，凍土工程地質條件良好，屬于地表較穩定型凍土區段，對應的凍土環境質量為一般，長約39km。

3 結 論

凍土環境的評價具有特殊性，相對于諸如水環境評價、大氣環境評價和土壤環境評價等其他環境評價來說，凍土環境評價幾乎沒有可依據參照的國家標準或國際標準。再加上管道自身特征、興安嶺－貝加爾型凍土特點等，適用于其他凍土區的評價方法不能應用于該區的凍土環境評價。同時，由于管道沿線相關凍土資料的難以獲得性，本文利用地表穩定型對管道沿線的凍土環境進行評價，并提出了關于地表穩定型的判識指標，這種評價對工程活動影響下凍土條件變化的前期評估很重要，但只是定性評價方法。同時，因地表穩定型的判識指標較多，對其重要性排序時主要采用的專家咨詢法有一定的主觀性，各指標之間也難免會出現矛盾。因此，發展定量化評價模型就顯得尤為重要。

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