星云隧道通車(chē)前后維西國(guó)家基本氣象站深層地溫的相關(guān)性變化研究

摘 要：維西國(guó)家基本氣象站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)維西站）位于云南省迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣，2018年星云隧道開(kāi)工建設(shè)，隧道東洞口距維西站觀測(cè)場(chǎng)水平距離僅15 m。為定量評(píng)估隧道工程施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)維西站深層地溫觀測(cè)的影響，研究采用Pearson相關(guān)分析方法，收集了維西站及周邊氣象站2005—2024年的0.4～3.2 m深層地溫逐旬觀測(cè)資料，對(duì)比分析了維西站與其周邊3個(gè)關(guān)聯(lián)度最高的參照站（劍川站、漾濞站和永平站）深層地溫的相關(guān)性變化。結(jié)果表明：隧道工程對(duì)維西站與參照站深層地溫的高度正相關(guān)關(guān)系影響甚微，兩個(gè)時(shí)段內(nèi)相關(guān)系數(shù)差值的絕對(duì)值均在0.03以?xún)?nèi)，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)；不同深度、不同方位和不同距離的參照站結(jié)果總體一致，隧道工程未顯著改變維西站深層地溫的觀測(cè)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：深層地溫；星云隧道；維西站；地溫?cái)?shù)據(jù)

中圖分類(lèi)號(hào)：P412.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）12–0-03

深層地溫是表征深層土壤熱狀況的重要物理量，在氣象觀測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，隨著氣象觀測(cè)自動(dòng)化、信息化水平的不斷提高，高質(zhì)量的深層地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)日益受到重視。維西站是迪慶藏族自治州氣象局的重要觀測(cè)站點(diǎn)，位于維西站觀測(cè)場(chǎng)附近的星云隧道自2018年開(kāi)工建設(shè)，2021年正式通車(chē)。根據(jù)《氣象設(shè)施和氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)條例》的要求，需要定量評(píng)估隧道工程施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)維西站深層地溫觀測(cè)的影響。本研究以星云隧道為例，利用隧道施工前后的深層地溫觀測(cè)資料，通過(guò)與周邊多個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，定量評(píng)估隧道工程活動(dòng)對(duì)維西站深層地溫觀測(cè)的影響程度。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣，地處橫斷山脈云嶺山脈與碧羅雪山的交匯處。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，屬于“三江并流”地帶，有高山、河谷、山間小盆地和高山褶斷等地貌[1]。由于海拔高低懸殊，立體氣候形成，植被垂直分布明顯。縣境海拔較高，氣象觀測(cè)資料能夠較好地反映本地區(qū)土壤熱狀況的時(shí)空變化規(guī)律，同時(shí)也為評(píng)估局地人為活動(dòng)對(duì)深層地溫的影響提供了理想條件。

1.2 隧道工程概況

星云隧道位于維西縣城的西北部，屬于在建的維通二級(jí)公路的重要組成部分。隧道離觀測(cè)場(chǎng)最近水平直線(xiàn)距離15 m。隧道全長(zhǎng)1 180 m，洞身最大埋深約350 m，采用分離式隧道襯砌斷面，開(kāi)挖斷面積65.4 m2。

隧道穿越地層以第四系殘坡積層及下伏寒武系灰?guī)r為主，巖體的完整性和穩(wěn)定性較好，無(wú)明顯的軟弱夾層和不良地質(zhì)體，地下水類(lèi)型以基巖裂隙水為主，富水性弱[2]。隧道施工采用新奧法，自東向西掘進(jìn)，洞身開(kāi)挖于2018年4月正式啟動(dòng)、2018年8月12日貫通，初支及襯砌工程于2019年10月完成，隧道于2021年11月正式通車(chē)運(yùn)營(yíng)。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究使用的深層地溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于維西站及周邊9個(gè)氣象站（德欽、貢山、瀘水、華坪、大理、劍川、洱源、漾濞和永平），時(shí)間跨度為2005年1月至2024年4月，時(shí)間分辨率為旬。其中，維西站數(shù)據(jù)序列完整連續(xù)，觀測(cè)要素包括0.4、0.8、1.6和3.2 m四個(gè)深度的地溫，測(cè)量精度±0.1 ℃，觀測(cè)場(chǎng)所均符合氣象觀測(cè)規(guī)范要求。

1.4 研究方法

研究采用Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)維西站及其周邊9個(gè)氣象站的深層地溫進(jìn)行定量比較分析。利用2015—2018年隧道開(kāi)挖前的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算不同深度上維西站與各個(gè)站點(diǎn)逐旬地溫資料的相關(guān)系數(shù)及其顯著性水平。以相關(guān)系數(shù)的平均值為指標(biāo)，選出與維西站深層地溫關(guān)聯(lián)度最高的3個(gè)對(duì)比站[3]。然后以隧道開(kāi)挖時(shí)間為界，分別統(tǒng)計(jì)開(kāi)挖前后兩個(gè)時(shí)段內(nèi)維西站與3個(gè)對(duì)比站深層地溫的相關(guān)系數(shù)，評(píng)估相關(guān)性的變化情況，對(duì)比分析相關(guān)系數(shù)在開(kāi)挖前后的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 隧道開(kāi)挖前維西站與其周邊站點(diǎn)深層地溫相關(guān)性

2.1.1 2015—2018年數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)

維西站及其周邊9個(gè)站點(diǎn)2015—2018年各層深度地溫?cái)?shù)據(jù)逐旬變化，各站深層地溫呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律，夏季高、冬季低，隨深度增加，峰值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸滯后，波動(dòng)幅度逐漸減小。以維西站為例，0.4 m深度的旬平均地溫為14.92 ℃，變化范圍為1.6～21.4 ℃；

而3.2 m深度的旬平均地溫為14.85 ℃，變化范圍縮小為12.8～16.2 ℃。周邊站點(diǎn)的深層地溫變化趨勢(shì)與維西站基本一致，但絕對(duì)值略有差異。例如，德欽站海拔最高（3 318.4 m），年平均地溫最低，而瀘水站海拔最低（949.8 m），年平均地溫最高。選取部分站點(diǎn)不同深度的旬平均地溫方差（表1），發(fā)現(xiàn)隨著深度增加，深層地溫的時(shí)間波動(dòng)性迅速減弱，至3.2 m時(shí)僅為0.4 m的9.91%。總的來(lái)看，2015—2018年維西站及其周邊站點(diǎn)的深層地溫時(shí)空分布規(guī)律與區(qū)域氣候條件基本匹配。

2.1.2 數(shù)據(jù)反映的區(qū)域一致性

盡管受局地條件影響，維西站及其周邊9個(gè)站點(diǎn)的深層地溫存在一定的差異，但各站之間總體表現(xiàn)出較好的一致性。以2015—2018年為例，將維西站作為參考站，分別計(jì)算各深度逐旬地溫與其他站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)（表2）。結(jié)果表明：除華坪站1.6 m的相關(guān)系數(shù)為0.890外，不同深度維西站與周邊站點(diǎn)地溫的相關(guān)系數(shù)均在0.945以上，平均達(dá)到0.970以上，通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。其中，0.4 m深度的相關(guān)系數(shù)最高，平均為0.986，這表明維西站與周邊站點(diǎn)的深層地溫變化規(guī)律具有很強(qiáng)的一致性。

2.1.3 對(duì)比站的選擇

根據(jù)表2，將各深度相關(guān)系數(shù)取平均值，按從大到小排序。綜合考慮相關(guān)性、地理位置、海拔和觀測(cè)時(shí)段等因素，最終選擇漾濞站（0.989）、劍川站（0.987）、永平站（0.986）作為隧道工程影響評(píng)估的3個(gè)對(duì)比站，三站均位于維西站東南方向，與維西站同步開(kāi)展了長(zhǎng)時(shí)間序列的深層地溫觀測(cè)，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，其平均相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.987，是隧道工程影響評(píng)估的理想?yún)⒄铡?/p>

2.2 隧道開(kāi)挖后維西站與對(duì)比站深層地溫相關(guān)性分析

2.2.1 維西站與劍川站深層地溫相關(guān)性分析

以隧道開(kāi)挖時(shí)間（2018年4月）為界，計(jì)算隧道施工后至運(yùn)營(yíng)初期維西站與劍川站各深度逐旬地溫的Pearson相關(guān)系數(shù)，并與開(kāi)挖前（2015—2018年）進(jìn)行對(duì)

比（表3）。結(jié)果表明：隧道開(kāi)挖后，維西站與劍川站0.4、0.8、1.6和3.2 m深度地溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.986、0.989、

0.993和0.975，較開(kāi)挖前的相關(guān)系數(shù)變化不大，且均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。進(jìn)一步計(jì)算各深度相關(guān)系數(shù)在隧道開(kāi)挖前后的差值，絕對(duì)值最大差僅為0.003。隧道工程的實(shí)施并未顯著改變維西站與劍川站深層地溫的同步變化特征。線(xiàn)性擬合結(jié)果顯示，開(kāi)挖前后兩站0.4～3.2 m深層地溫的斜率和截距也十分接近，且判定系數(shù)R2均在0.95以上，驗(yàn)證了隧道施工和運(yùn)營(yíng)活動(dòng)對(duì)維西站深層地溫觀測(cè)一致性的影響很小。

2.2.2 維西站與漾濞站深層地溫相關(guān)性分析

與劍川站類(lèi)似，隧道開(kāi)挖后維西站與漾濞站0.4、0.8、1.6和3.2 m深度地溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.961、0.968、0.965和0.977，較開(kāi)挖前略有下降，但降幅均在0.03以?xún)?nèi)（表4）。相關(guān)系數(shù)差值絕對(duì)值的平均值為

0.021，表明隧道工程對(duì)兩站深層地溫關(guān)聯(lián)度的影響很小。以1.6 m深度為例，隧道開(kāi)挖前后兩站地溫的線(xiàn)性擬合斜率分別為0.945和0.929，截距為2.053和2.318，判定系數(shù)（R2）分別為0.975和0.965。由此可見(jiàn)，隧道工程雖然對(duì)維西站與漾濞站1.6 m深層地溫的同步性產(chǎn)生了一定的影響，但并未導(dǎo)致兩站關(guān)系發(fā)生根本變化。

2.2.3 維西站與永平站深層地溫相關(guān)性變化

將隧道開(kāi)挖前后維西站與永平站各深度地溫的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行對(duì)比（表5），可以發(fā)現(xiàn)在開(kāi)挖后（2018—2024年）0.4、0.8、1.6和3.2 m深度的相關(guān)系數(shù)分別為0.988、0.991、0.979和0.952，與開(kāi)挖前的差值絕對(duì)值均不超過(guò)0.012，平均僅為0.008。

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明，隧道開(kāi)挖前后各深度相關(guān)系數(shù)的差異均未達(dá)到0.01的顯著性水平。隧道工程的實(shí)施對(duì)維西站和永平站深層地溫的同步性影響很小。隧道開(kāi)挖后維西站與永平站各深度地溫的相關(guān)系數(shù)介于與劍川站和與漾濞站的相關(guān)系數(shù)之間，略高于后者，但總體差異不大。

3 討論

盡管星云隧道緊鄰維西氣象站，隧道施工期間大規(guī)模的開(kāi)挖擾動(dòng)和運(yùn)營(yíng)后的人為活動(dòng)十分頻繁，但對(duì)該站深層地溫的觀測(cè)質(zhì)量并未產(chǎn)生顯著影響。因此可以認(rèn)為可能與以下2個(gè)方面的因素有關(guān)：

（1）隧道雖然從地表延伸至地下，但其對(duì)土壤熱狀況的影響主要局限于隧址及鄰近區(qū)域，且影響強(qiáng)度隨著距離增大和深度加深而遞減[4]。洞身開(kāi)挖時(shí)鉆爆法施工產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊會(huì)使圍巖應(yīng)力驟變，導(dǎo)致洞壁土體孔隙度增大，熱傳導(dǎo)系數(shù)降低，但這種擾動(dòng)多集中在圍巖1～2倍洞徑范圍內(nèi)，且隨時(shí)間的推移逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）隧道開(kāi)挖可能打破土層原有的水文條件。維西站觀測(cè)場(chǎng)盡管距隧道口較近，但距洞身主體仍有一定的距離，且觀測(cè)場(chǎng)所在的河谷階地土層與隧道圍巖的水文聯(lián)系較弱，隧道開(kāi)挖和運(yùn)營(yíng)活動(dòng)導(dǎo)致的土壤含水量變化不明顯，土壤導(dǎo)熱系數(shù)和深層地溫變化不大[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究以緊鄰維西站的星云隧道為例，通過(guò)分析隧道開(kāi)挖前后維西站與其周邊多個(gè)參照站深層地溫的相關(guān)性變化，對(duì)比分析隧道開(kāi)挖前后維西站與劍川站、漾濞站和永平站0.4～3.2 m深層地溫的相關(guān)性變化，發(fā)現(xiàn)隧道工程對(duì)維西站與參照站深層地溫關(guān)系的影響十分有限，未改變?cè)械娘@著線(xiàn)性特征。研究結(jié)果為深層地溫觀測(cè)場(chǎng)址的科學(xué)選擇、人為活動(dòng)影響的定量評(píng)估及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了參考，研究采用的多站對(duì)比分析方法還可推廣應(yīng)用于其他環(huán)境要素的影響評(píng)估工作。

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收稿日期：2024-10-19

作者簡(jiǎn)介：豐英（1979—），女，云南維西人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈孛鏆庀笥^測(cè)。