基于聚類分析的內蒙古地區瀝青路面氣候影響分區

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，區內氣候差異顯著，干旱、寒潮、風暴等氣候災害頻繁發生。因此，對內蒙古地區進行瀝青路面氣候影響分區，對于支持瀝青路面規劃、設計與養護尤為必要。

針對瀝青路面氣候影響分區，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；SHRP計劃中制定了PG分區[2]。1964年我國首次提出了“中國公路氣候區劃”，逐步形成了JTJ 003-86《公路自然區劃標準》。1997年，沈金安制定了道路瀝青及瀝青混合料的氣候分區，并納入相應規范[3]。近年來，學者針對全國范圍內瀝青路面氣候分區[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，針對內蒙古自治區的瀝青路面氣候分區卻鮮有報道。因此，本文按照聚類分析方法對內蒙古自治區氣候影響因素進行分析，可為自治區公路新建、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-低溫循環作用，將加劇路面開裂程度與凍融損傷。內蒙古地區夏季溫熱、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7 d最大氣溫日較差作為瀝青路面熱量條件分區評價指標。

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，降低路面結構強度和穩定性。內蒙古地區氣候多樣，不同地區降水量有顯著差異，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指標。

1.2 指標空間分布

為獲取評價指標空間變異規律，選擇內蒙古自治區地區100余個氣象站的氣象資料。同時，由于全區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 分區方法

依據分區指標，比較各區域氣候特點，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，對內蒙古自治區瀝青路面進行氣候分區。

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計方法，可分為系統聚類、動態聚類、模糊聚類、圖論聚類，以及灰聚類等。內蒙古地區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，距離和規則的相似度容易定義，且可發現各類間的層次關系，結合其他地區分區經驗，故最終采用系統聚類法進行氣候分區。系統聚類法的原理見圖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。對于內蒙古地區瀝青路面氣候分區問題，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 系統聚類分析示意圖

3 分區結果

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，第二次合并為37個區，第九次和第十次均合并為8個區，第十五次合并為5個區。為保證各區間差異性，確定清晰區劃界線，需選取適宜的區數，結合其他省份分區數目情況[5-8],選取區劃界線更為明顯的第十次合并。由于阿拉善地區缺少氣象數據，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，將阿拉善地區單獨作為一個分區。最終，將內蒙古自治區分為A～G 7個瀝青路面氣候影響分區，結果見表1和圖9。

表1 內蒙古地區瀝青路面氣候分區

圖9 內蒙古地區氣候分區結果

各區域指標分布情況見表2。顯然，內蒙古地區多具有冬季寒冷、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，內蒙古地區多為干旱/半干旱區，區內年平均降水量281.2 mm，年平均蒸發量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 各區分區指標代表值分布

大溫差極寒區(A區)地處內蒙古地區東北端，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(B區)位于內蒙古地區中北部，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(C區)位于內蒙古地區的東北部，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(D區)占地大部分位于內蒙古的中部，占地廣袤，區內各項指標均衡，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(E區)位于內蒙古地區的中西部和中東部地區，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(F區)位于內蒙古地區東南角。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(G區)為內蒙古西部的阿拉善地區，該區域沙漠廣布，太陽輻射強，降雨量低。該區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瀝青公路氣候分區指標。

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

3) 利用系統聚類分析，將內蒙古地區分為7個瀝青路面氣候影響分區，根據其主要特征進行命名，繪制了內蒙古地區瀝青路面氣候分區圖，得到各分區氣象指標的數值分布情況。針對不同分區氣候特點，總結各區域瀝青路面易發病害，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。