考慮局地因素坡向影響的青藏高原工程走廊凍土分布與制圖研究

魯 嘉 濠，牛 富 俊，林 戰(zhàn) 舉，劉 華，羅 京

考慮局地因素坡向影響的青藏高原工程走廊凍土分布與制圖研究

魯 嘉 濠1，2，牛 富 俊1，林 戰(zhàn) 舉1，劉 華1，2，羅 京1，2

（1.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049）

通過Pearson相關(guān)性分析，選取對青藏高原工程走廊多年凍土分布影響較大、在GIS技術(shù)支持下較容易量化的坡向因子，結(jié)合走廊內(nèi)2000—2010年29個鉆孔點的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了年均地溫與坡向、緯度和高程的關(guān)系模型。根據(jù)高原凍土工程地溫分帶指標(biāo)，制作了工程走廊內(nèi)符合實際的凍土分布圖，由面積統(tǒng)計結(jié)果知：多年凍土區(qū)占整個區(qū)域的94.06%，其中，低溫穩(wěn)定帶占多年凍土區(qū)面積的15.94%，主要分布在風(fēng)火山和可可西里的高山基巖區(qū);低溫基本穩(wěn)定帶占16.97%，主要分布在風(fēng)火山及可可西里丘陵地帶;高溫不穩(wěn)定帶占48%，主要分布于可可西里和北麓河盆地東緣;高溫極不穩(wěn)地帶占19.09%，主要分布于北麓河盆地和楚瑪爾河高平原。

青藏高原;多年凍土;坡向

0 引言

青藏高原是世界上中低緯度海拔最高、面積最大的多年凍土區(qū)，隨著全球氣候的持續(xù)變暖、人類活動的增多和青藏鐵路等工程的建造與運營，青藏高原多年凍土逐漸退化。沿著青藏公路由楚瑪爾河高平原至風(fēng)火山，是青藏高原工程走廊重要的一段，在公路兩側(cè)寬約10 km的區(qū)域，分布有公路、鐵路、通信光纜、輸油管道、天然氣管道、青藏±500 k V直流電網(wǎng)等多條工程管線。該區(qū)域近40年來氣候存在變暖的趨勢，升溫率為0.25℃/10 a，20世紀(jì)90年代比60年代氣溫升高1.05℃［1］，持續(xù)增溫將引起凍土區(qū)環(huán)境和凍土工程特性的顯著變化［2－4］，只是受局地因素的影響存在一定的地區(qū)差異。局地因素直接影響地面接收太陽輻射的強度，而青藏高原強烈的太陽輻射使局地因素影響作用增強［5］。因此，局地因素對小區(qū)域多年凍土的影響不容忽視。目前，國外的一些凍土空間模型中，有直接將凍土與氣候、地形和坡向進(jìn)行統(tǒng)計分析建模的［6］，也有將坡度、坡向?qū)μ栞椛涫杖氲挠绊懻鬯愠傻刃Ь暥冗M(jìn)行計算的［7］，但國內(nèi)有關(guān)凍土空間模型的文獻(xiàn)中，尚未考慮局地因素的影響。然而氣候變暖引起多年凍土的退化，引發(fā)各種熱融災(zāi)害，如熱融滑塌引起的斜坡失穩(wěn)［8，9］，數(shù) 量 逐 漸 增 多 和 面 積 逐 漸 變 大 的 熱 融 湖塘［10，11］、公路路基的沉陷變形 與翻漿［12］、鐵路路橋過渡段的變形沉陷與開裂［13］等給工程的正常運營帶來一定的危害。為了保護(hù)區(qū)域內(nèi)的凍土工程設(shè)施和進(jìn)行災(zāi)害評價、防治及預(yù)測，建立考慮局地因素的凍土分布模型和繪制較大比例尺凍土分布圖具有重要意義。本文利用GIS良好的空間分析和制圖功能，提出了考慮局地因素坡向的凍土分布模型，輸出研究區(qū)內(nèi)凍土工程地溫區(qū)劃圖，并結(jié)合氣候轉(zhuǎn)暖對地溫的影響關(guān)系，預(yù)測了研究區(qū)50年后凍土的變化趨勢。

1 局地因素的影響及因子選取

研究區(qū)以青藏公路為基準(zhǔn)線，向兩側(cè)外延約5 km，北起楚瑪爾河，南至風(fēng)火山，縱向長約110 km，海拔高程4 420～5 120 m，對應(yīng)公路基樁號K2964～3073，介于北緯34°41′～35°26′、東經(jīng)92°50′～93°30′，面積約1 100 km2。29個樣本點主要分布在楚瑪爾河、五道梁、北麓河、風(fēng)火山等地的青藏公路沿線，從北向南縱穿該區(qū)域內(nèi)的多年凍土區(qū)，基本體現(xiàn)了高原凍土的高海拔特征，樣本點具備較好的代表性。

青藏高原多年凍土是地氣系統(tǒng)長期相互作用的產(chǎn)物，大的氣候背景決定了大范圍多年凍土分布的宏觀格局，但局地因素（如坡向、坡度、植被、巖性、雪蓋厚度及持續(xù)期、有機層和土壤特性等）的影響在一定條件下會超過大氣候背景，造成同樣氣候環(huán)境下局地多年凍土的異常分布［14］。局地因素通過影響太陽輻射、大氣對流和熱量傳導(dǎo)等過程進(jìn)而影響凍土區(qū)的地溫，從而影響局地區(qū)域內(nèi)多年凍土的存在與否。研究區(qū)內(nèi)地形地貌多樣，分布有高平原、山丘、河谷、盆地等，考慮局地因素的影響，方能得到更精準(zhǔn)的凍土分布結(jié)果。本文選取了研究區(qū)內(nèi)較易量化的植被覆蓋度、坡度、坡向3個局地因素進(jìn)行分析對比，篩選出影響最大的因子參與建模。

1.1 植被的影響

植被能削減降雨侵蝕能量，調(diào)節(jié)地表徑流，阻滯泥沙遷移，還能保持水分，改良土壤，增強土壤滲透性能，提高其抗沖蝕性［15］。高原上的植被對下伏的多年凍土具有較好的保護(hù)作用，并促進(jìn)有機質(zhì)的積累和土壤的發(fā)育，而多年凍土的隔水作用，又使植被得以在高寒干旱地區(qū)生存。例如，青藏高原的高寒草甸在冬季可形成隔熱層，阻礙土壤熱量散失，夏季可減少地面受熱，能使地表年溫差降低4～5℃［16］。研究區(qū)內(nèi)植被主要分布于楚瑪爾河高平原、五道梁盆地和北麓河盆地，總體生長稀疏，植株低矮，生存周期短，覆蓋度較低。通過對2006年8月覆蓋研究區(qū)的Quickbird全色影像運用歸一化植被指數(shù)NDVI進(jìn)行計算，結(jié)合2011年9月的野外考察數(shù)據(jù)進(jìn)行校核修正，獲取研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度圖層（圖1）。NDVI值的范圍是－1～1，一般綠色植被區(qū)的范圍是0.2～0.8，而研究區(qū) NDVI值為－0.378～0.394，植被覆蓋度較低。

1.2 坡度的影響

坡度對植被的生長影響較大，坡度越大越不利于植被生長。不同的坡度之間，物種多樣性與豐富度也有較大差異［17］。坡地上輻射分布有隨坡度而變化的規(guī)律，從而影響著坡地上的溫度分布［18］。地面亮溫和地面濕度與坡度呈負(fù)相關(guān)［19］。圖2是運用ArcGIS的空間分析得出的坡度圖層，由圖2可知，研究區(qū)地勢整體較平緩，驟然抬升的區(qū)域較少。

圖1 植被覆蓋度Fig.1 The layer of NDVI

圖2 坡度Fig.2 The layer of slope

1.3 坡向的影響

不同坡向的地域接受的太陽輻射差異極大，影響了水蒸發(fā)量、植被覆蓋、坡面侵蝕等諸多因素，從而造成相同海拔高度上不同坡向地域多年凍土的分布明顯不同［20］。祁連山南北坡凍土下界分布高程差210 m左右，214國道K359＋100陰、陽坡面下0.3 m處年均地溫差達(dá)4.22℃［21］。在風(fēng)火山上，陰、陽坡年均地溫差1.7～2.4℃，凍土厚度差50～70 m，地下冰發(fā)育情況也明顯不同［22］。青藏鐵路DK1139＋670處實測數(shù)據(jù)表明，陰、陽坡面下0.5 m處年均溫差為3℃以上［23］。天山坡向?qū)Χ嗄陜鐾恋挠绊懢薮?，在海拔高度相近的情況下，陰坡和陽坡處年均地溫差達(dá)4.6℃［24］。如果氣溫遞減率按0.5℃/100 m計算，則坡向的影響相當(dāng)于920 m高程差產(chǎn)生的結(jié)果。King［25］提出了以坡向為主要依據(jù)的多年凍土分帶方案：將南坡無多年凍土的最高海拔定義為連續(xù)多年凍土下界，而將北坡出現(xiàn)多年凍土的最低海拔定義為不連續(xù)多年凍土下界。因此，在青藏高原進(jìn)行較小區(qū)域凍土空間建模時，坡向是局地因素中不容忽視的一個影響因素。

坡向通過影響太陽輻射、大氣對流和熱量傳導(dǎo)等過程而影響凍土區(qū)的地溫，從而較大程度地影響著局地區(qū)域內(nèi)多年凍土的存在與否。本文主要考慮研究區(qū)內(nèi)坡向所造成的南北方向的地溫差異，故假定：南北方向坡向影響大小相等，方向相反;東西方向影響大小相等，方向相同。坡向數(shù)據(jù)的獲取如下：在Arc－GIS平臺上，對研究區(qū)的數(shù)字高程數(shù)據(jù)DEM進(jìn)行空間分析獲取坡向圖層（圖3）;參考天山的觀測數(shù)據(jù)，運用算式2.3cosθ（θ為坡向，0°～360°）將坡向量度轉(zhuǎn)化為線性量度［26］，其值域為－2.3～2.3，結(jié)果如圖4。

圖3 空間分析得到的坡向Fig.3 Aspect gained by spatial analysis

圖4 歸一化的坡向Fig.4 The normalization of aspect

1.4 因子選取

對研究區(qū)內(nèi)29個鉆孔點的經(jīng)緯度、高程、坡度、歸一化坡向及其植被覆蓋度與對應(yīng)的年均地溫值進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析（表1），發(fā)現(xiàn)大尺度因素緯度、高程都與年均地溫在0.01顯著水平下呈負(fù)顯著相關(guān)，經(jīng)度與年均地溫在0.05顯著水平下為正相關(guān)，而且相關(guān)系數(shù)｜高程｜＞｜緯度｜＞｜經(jīng)度｜。局地因素坡向（歸一化數(shù)據(jù)）與年均地溫在0.05顯著水平下的相關(guān)系數(shù)為0.268，在局地因素中最大，體現(xiàn)了小區(qū)域中陰陽坡效應(yīng)的重要影響?；诖耍x取緯度、高程及坡向作為影響因子，構(gòu)建研究區(qū)多年凍土分布模型。

表1 年均地溫與各影響因素的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient between the mean annual ground temperature and main factors

2 考慮坡向的凍土分布模型的建立

青藏高原凍土模型或凍土對氣候的響應(yīng)模型總體可分為建立在傳熱學(xué)基礎(chǔ)上的物理模型和適合于凍土制圖的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?7］。經(jīng)驗?zāi)Ｐ痛蠖贾皇褂糜邢薜淖兞?，與GIS結(jié)合緊密，具有空間性的優(yōu)點，青藏高原應(yīng)用較廣泛的是高程模型和基于年均地溫的回歸模型。本文建立考慮局地因子坡向影響的年均地溫回歸模型，進(jìn)行多年凍土的分布與制圖研究。利用研究區(qū)內(nèi)29個鉆孔點2000－2010年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對鉆孔點的年均地溫與高程、緯度和歸一化坡向進(jìn)行線性多元回歸統(tǒng)計，得到考慮局地因子坡向的關(guān)系式：

式中：T為年均地溫（℃），φ為十進(jìn)制表示的緯度（°），H為高程（m），θ為坡向（°）。年均地溫與高程、緯度及坡向之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.936，具有較好的相關(guān)性。

3 多年凍土分布模擬與制圖

凍土環(huán)境影響建筑物的穩(wěn)定性，線性工程的設(shè)計施工與維護(hù)保養(yǎng)尤其要考慮凍土因素［28］。研究區(qū)是高原上管線工程較為密集的地區(qū)，故進(jìn)行多年凍土分布模擬與制圖具有重要的意義。本文利用“回歸方程模擬值＋修正值”的方法計算研究區(qū)的年均地溫，依據(jù)高原工程地溫分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)［29］進(jìn)行劃分，獲取相應(yīng)的工程地溫分區(qū)圖。具體操作如下：1）運用ArcGIS平臺的柵格計算模塊，將高程、緯度和歸一化坡向因子代入公式（1）得到年均地溫模擬值圖層;2）對鉆孔樣本點的地溫實測值與模擬值求殘差，用反距離權(quán)重法將殘差插值到整個研究區(qū)，得到相應(yīng)的殘差值圖層;3）將年均地溫模擬值圖層與殘差值圖層疊置求和，得到研究區(qū)修正后的年均地溫圖層。

反距離權(quán)重插值法是以樣本點與插值點間的距離為權(quán)重的一種加權(quán)平均法，離插值點越近的樣本點賦予的估值權(quán)重越大，其表達(dá)式如下：

式中：z為所要估計的網(wǎng)格點的年平均地溫殘差值，zi為第i個鉆孔點的殘差值，di為插值點到第i個鉆孔點的距離，n為用于插值的鉆孔點數(shù)目。

結(jié)合ArcGIS良好的數(shù)據(jù)分析和制圖功能，依據(jù)表2進(jìn)行重分類和矢量化，產(chǎn)生的圖5即為研究區(qū)多年凍土工程地溫區(qū)劃圖。計算輸出的結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)多年凍土地溫帶劃分與實際分布基本相符。根據(jù)分帶指標(biāo)進(jìn)行面積統(tǒng)計可知，多年凍土區(qū)占總面積的94.06%，其中，低溫穩(wěn)定帶占多年凍土區(qū)面積的15.94%，主要分布在風(fēng)火山和可可西里的高山基巖區(qū);低溫基本穩(wěn)定帶占16.97%，主要分布在風(fēng)火山及可可西里丘陵地帶;高溫不穩(wěn)定帶占48%，主要分布于可可西里和北麓河盆地東緣;高溫極不穩(wěn)地帶占19.09%，主要分布于北麓河盆地和楚瑪爾河高平原;季節(jié)凍土區(qū)或融區(qū)因較難用模型模擬，本文結(jié)合歷史資料和專家經(jīng)驗進(jìn)行數(shù)字化修正，疊加到多年凍土工程地溫分區(qū)圖上。

圖5 凍土工程地溫區(qū)劃Fig.5 Ground temperature zonation for permafrost engineering

表2 凍土分布區(qū)劃及面積統(tǒng)計Table 2 The permafrost zonation and area statistics

4 結(jié)論

通過Pearson相關(guān)性分析，篩選出局地因素——坡向參與研究區(qū)凍土分布模型的構(gòu)建。該模型充分反映了研究區(qū)內(nèi)多年凍土的分布特征，輸出符合實際的工程地溫區(qū)劃圖。多年凍土區(qū)占整個區(qū)域的94.06%，其中，低溫穩(wěn)定帶占多年凍土區(qū)面積的15.94%，主要分布在風(fēng)火山和可可西里的高山基巖區(qū);低溫基本穩(wěn)定帶占16.97%，主要分布在風(fēng)火山及可可西里丘陵地帶;高溫不穩(wěn)定帶占48%，主要分布于可可西里和北麓河盆地東緣;高溫極不穩(wěn)地帶占19.09%，主要分布于北麓河盆地和楚瑪爾河高平原，符合研究區(qū)的實際情況。因此，局地因素是進(jìn)行小區(qū)域較大比例尺凍土分布制圖不容忽視的影響因子。目前，局地因素對多年凍土分布的影響尚無完善且公認(rèn)的研究方法，本文對于局地因素的選取和權(quán)重的賦值是一嘗試，有待進(jìn)一步研究。

感謝國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺提供的數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）！

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Permafrost Modeling and Mapping along the Qinghai-Tibet Engineering Corridor Considering Slope-Aspect

LU Jia－h(huán)ao1，2，NIU Fu－jun1，LIN Zhan－ju1，LIU Hua1，2，LUO Jing1，2
（1.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering，CAREERI，CAS，Lanzhou730000;2.GraduateUniversityoftheChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China）

The permafrost in the Qinghai-Tibet Plateau was resulted from the interaction of the Earth-Atmosphere System.The atmosphere controlled the macrostructure of the permafrost.However，some local factors such as slope-aspect，also greatly affected the permafrost status.However，the study of the small area′s larger scale and considering the local factors for permafrost distribution and mapping is still uncommon in China.According to the consequence of Pearson correlation analysis，some factors were selected greatly influencing the permafrost distribution in a section from the Chumaer River to the Fenghuo Mountain in the Qinghai-Tibet Engineering Corridor.The factors which can be easily quantified by GIS are latitude，elevation and slope-aspect.Based on records of the mean annual ground temperature from 29 boreholes in the section between 2000 and 2010，the relationship model with the mean annual ground temperature，the elevation，latitude and slope-aspects was constructed using regression analysis method.When multiple correlation coefficient was significant with a value of 0.936.Then a simulated map of permafrost distribution was produced through the indices for cold region engineering purpose.Every zone′s area was also calculated.As a result，permafrost regions occupy 94.06%of the whole area，among which low temperature stable zone accounts for 15.94%mainly in alpine bedrock area of Fenghuoshan and Hoh Xil，low temperature basically stable zone is 16.97%mainly in Fenghuoshan and Hoh Xil′s foothills，high temperature unstable zone is 48%，mainly in Hoh Xil and the east edge of Beilu River Basin，and high temperature extremely unstable zone is 19.09%，mainly in Beilu River Basin and Chumaer River planalto.

the Qinghai-Tibet Plateau;permafrost;slope-aspect

P642.14

A

1672－0504（2012）03－0063－05

2011－12- 22;

2012－03－27

國家自然科學(xué)重點基金項目（41030741）;國家自然科學(xué)創(chuàng)新群體（41121061）;科技部973計劃前期研究專項（2010CB434813）;凍土工程國家重點實驗室自主項目（SKLFSE－2Y－07）

魯嘉濠（1986－），男，碩士研究生，主要研究方向為基于3S技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害評價。E－mail：lujiahao09＠m(xù)ails.gucas.ac.cn