多年凍土工程地質制圖的階梯發(fā)展

張中瓊，林芳，吳青柏，張澤，3，張鵬

（1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；2.中國地質大學（北京）地學哲學研究所，北京100083；3.東北林業(yè)大學寒區(qū)科學與工程研究院/土木工程學院，黑龍江哈爾濱150040）

0 引言

多年凍土是有規(guī)律的自然歷史的地質產物，他具有現代或者古代地球上發(fā)生、存在、發(fā)展和分布規(guī)律所嚴格決定的特征。多年凍土分布區(qū)的總面積（包括格陵蘭島和南極）約占地球表面的40%，歐亞大陸的75%［1］。我國多年凍土面積占國土面積的21.5%，主要分布在青藏高原，東北大小興安嶺和松嫩平原北部，以及西部高山區(qū)［2］。

多年凍土分布規(guī)律以及地質過程是區(qū)域和歷史凍土學的理論基礎。多年凍土是寒區(qū)重要的動態(tài)變化的環(huán)境因子。確定多年凍土的發(fā)育規(guī)律以及它們現代的演化時空規(guī)律，并按照一定特征參數進行地段的區(qū)劃和編圖，揭示多年凍土特性與地質-地理區(qū)劃結果而劃分的具體景觀類型、自然環(huán)境的多年凍土形成因素的關系，以及凍土工程與環(huán)境屬性。指定比例尺和需求的多年凍土工程地質制圖是區(qū)域和局域尺度上的寒區(qū)工程規(guī)劃設計、資源開發(fā)和生態(tài)保護的重要基礎，在多年凍土區(qū)社會和經濟發(fā)展決策中起到重要的作用［3-4］。

多年凍土工程地質制圖研究是對制圖要素的獨立性，以及要素的直觀定量化、可視化以及空間情況進行評價，依據一定的數學法則和制圖原則，通過制圖綜合，借助GIS等技術手段，表達各個獨立要素空間分布，相互關系以及時空變化規(guī)律，并進行可視化的表達。形成耦合多源數據的特定屬性的系統(tǒng)資料。制圖工作是將地理學和工程地質學等理論用于實踐的有利工具和關鍵環(huán)節(jié)。多年凍土工程地質制圖表現出時間尺度上階段性和空間坐標上的臺階性［5］?；诙嗄陜鐾凉こ痰刭|制圖的研究過程和實踐，對多年凍土工程地質制圖的發(fā)展，研究內容，工作方法進行階梯式的發(fā)展闡述，并說明新時期多年凍土工程地質制圖的新內涵。

1 多年凍土工程地質制圖問題的發(fā)展階梯

多年凍土工程地質制圖的發(fā)展是人類生產生活的實踐的需要。是隨著我們對多年凍土的感知-認識-認知過程，科學和理論系統(tǒng)逐漸建立起來的。這個過程可以分為三個發(fā)展階段：

第一階段：以野外調查和工程地質測繪為基礎的工程地質填圖。主要研究的科學問題是多年凍土的范圍和界限，特別是多年凍土的南界。主要是為寒區(qū)自然資源開采以及寒區(qū)工程構筑物的修建提供基礎工程地質資料。繪圖的數據來源以現場的點線調查為主，結合部分區(qū)域氣象數據。制圖的目的是在工程實踐等活動中盡可能避讓，或者選擇工程地質條件較好的區(qū)域，以較短的距離通過。1882年俄羅斯出版了第一張多年凍土區(qū)劃圖，以描述多年凍土南界為主要內容［6］。1965年，Fetrians繪制了阿拉斯加的第一張凍土圖［7］。1967年，庫德里亞采夫等前蘇聯(lián)學者首次提出了多年凍土制圖的原則［8］，該原則是以野外調查的凍土現象，凍土特征，冷生時代為基礎的。1975年，童伯良繪制了我國的第一張凍土分布圖［9］。1996年，李樹德繪制了青藏高原的多年凍土分布圖，描述了青藏高原不同類型多年凍土的分區(qū)，并標示了凍脹丘，凍融泥流等凍土現象［10］。這些資料為區(qū)域工程建設和科學研究提供基礎支持。

第二階段：多年凍土的時空格局。隨著人類實踐范圍的擴展，多年凍土已經作為我們生產生活的必要載體。需要更為深入的了解多年凍土的綜合屬性，為寒區(qū)高等級公路、鐵路的建設以及寒區(qū)環(huán)境變化研究等方面提供支持。先進的原位測試和遙感反演技術提供了豐富的數據，并且在制圖過程中使用了經驗半經驗模型。同時，制圖原則也有了深入的發(fā)展，且考慮多年凍土的要素更為豐富。如以體積含冰量等指標為依據的制圖原則［11］。逐漸形成了以多年凍土地質特征、多年凍土分布和年平均溫度，冷生巖土帶的厚度和組構，多年凍土地質生成物特征以及相互作用為基礎的凍土制圖原則?？紤]的要素包括年平均氣溫［12］、凍結數［13］、土壤、植被、地形數據［14-15］、輻射參數［16］、降水等。這些要素之間通過經驗統(tǒng)計等其它概率方法確定之間的關系，比如PERMAKART模型［17］，經驗準則模型［14］，PER-MAMAP模 型［12］，TTOP模 型［18-20］，GIPL模型［21-22］。通過計算，我們可以獲得年平均地溫，活動層厚度，多年凍土頂板溫度等多年凍土的特征參數，實現多年凍土屬性的歸一和區(qū)劃。代表性的圖件有1997年美國地質調查局出版了環(huán)北極地區(qū)多年凍土和地下冰分布圖?；诙嗄陜鐾僚c海拔、緯度、大陸度的關系我國學者繪制了1∶300萬青藏高原多年凍土圖。2000年周幼吾等出版了1∶1 000萬中國凍土區(qū)劃及其類型圖。2006年出版了我國1∶400萬中國凍土沙漠分布圖［23］。

第三階段：多年凍土特征和功能性。現階段的工作從“大氣-界面（地面）-多年凍土”系統(tǒng)的角度開展研究。對多年凍土的特征指標多元化、精細化、系統(tǒng)化的反映多年凍土三維性質。并在多年凍土工程屬性、環(huán)境屬性、社會屬性等方面開展研究，綜合分析多年凍土的服役性能。同時，國際全球陸地凍土熱狀態(tài)監(jiān)測網絡（GTN-P）［24］和環(huán)北極活動層監(jiān)測網絡（CLAM）［25］等半球全球尺度研究計劃的實施，研究從區(qū)域已經擴展到了半球全球尺度。為中蒙俄經濟走廊的建設，“一帶一路”、“沿邊開放開發(fā)”，以及新型城鎮(zhèn)化建設等國家重要戰(zhàn)略的實施提供科學的建議和借鑒。

隨著觀測數據、遙感、物理過程模型（陸面過程）為基礎的多年凍土工程制圖。更為詳細和具體的刻畫多年凍土，并賦予了新的實用價值和內涵。形成以氣象、遙感數據、再分析數據等為基礎，與野外調查相結合，通過經驗和物理過程模型方法實現多年凍土特性制圖［26］。在計算過程中，將多年凍土層依照土性和熱物理性質等分層，大大提高了多年凍土指標的計算精度?？梢阅M多年凍土分布，以及氣候、水文、植被和碳氮循環(huán)等的影響和響應，以及多年凍土預報的工作。多元及長周期多年凍土特征參數的取得，為我們多尺度多角度刻畫多年凍土提供了可能。模型的結構越來越完善，但是目前對深層的水熱問題的處理還有待改進［27］。模型主要包括n系數模型［28-29］、Shaw模型［30］、Coup model［31］、熱平衡模型［32-33］，以及數據驅動的模型［34］等。其中Colm［35］、Coup modle［36-37］、Shaw模型［38］等在我國青藏高原和東北地區(qū)的小區(qū)域得到了應用。這類模型需要大量數據去驅動。

2 多年凍土工程地質制圖內容的發(fā)展階梯

多年凍土的相關圖件是區(qū)域性綜合研究的主要成果。利用不同的自然-地質-多年凍土要素之間的相關關系，對不同尺度上的多年凍土基本屬性，多年凍土特征，服役功能等的組成、數值、時空分布和相關關系等綜合特征以及經濟-社會要素影響下的各種特征的描述和可視化表達過程。多年凍土工程地質制圖的內容的發(fā)展可以分為三個階梯：

第一階梯：基本屬性的研究。多年凍土存在條件的小區(qū)劃圖（包括海底的多年凍土分布），多年凍土類型、多年凍土厚度、年平均溫度［18，39］，多年凍土層的厚度和冷生構造圖［11］，土的季節(jié)凍結和融化圖等。這類圖件是表述多年凍土及其基本要素的空間變化特征。這類圖件是作為區(qū)域凍土基礎工程地質資料使用，以區(qū)域短時間高精度的矢量圖件為主。

第二階梯：多年凍土特征屬性。主要是多年凍土地質過程現象圖［40］，古凍土分布圖［41-42］，以及自然要素動態(tài)和一般施工措施有關的多年凍土預報以及區(qū)劃圖，多年凍土地下冰分布圖［43］，多年凍土區(qū)水文地質圖［44］，多年凍土深部地熱條件，景觀區(qū)劃圖［45］，多年凍土災害風險性［43］，多年凍土脆弱性評價［46］等有實用任務的專業(yè)評價圖。在制圖過程中，需要對研究的內容有明確定義和分類區(qū)劃的標準［7］。在進行分類時，需要將多年凍土的基本形式參數與制圖目標結合，很多時候需要將多個多年凍土基本要素進行綜合，在這個過程中需要將多源數據進行歸一和分類，定性和定量數據的綜合考慮。這類圖件包含的信息更多，且具有一定的實用性，以區(qū)域、局域尺度為主，在局域尺度可以達到較高的精度，部分圖件可以描述特征要素時間變化特征。

第三階梯：多年凍土功能屬性。在多年凍土屬性研究的基礎上，進行多年凍土-工程-環(huán)境以及人類社會之間動態(tài)變化和相關關系的研究，針對系統(tǒng)的整體性、要素的相關性、等級結構，動態(tài)和時序特征。用動態(tài)的系統(tǒng)的角度開展相關研究工作。多年凍土的功能屬性主要包括工程服務屬性、資源屬性、環(huán)境屬性［47］、凍土生態(tài)［48-49］等。應該是面向服務對象的一種功能性圖件。比如，多年凍土工程地質條件區(qū)劃圖，這類圖件需要考慮服務對象的要求，根據公路、鐵路、輸油管道等寒區(qū)工程建設和資源開采過程中對多年凍土功能性和比例尺要求不同。除了多年凍土強度和變形方面的基本要求以外，還需要考慮其特殊的要求，比如高速鐵路路基的差異變形等。根據服務對象的要求不同，設計不同比例尺和范圍的圖件與之匹配。就天然氣水合物可能分布區(qū)預測圖來說，不同的水合物的氣體組分之間的差異，在形成時需要的溫度壓力條件存在差異，在制圖時需要更多的考慮。部分圖件還需要考慮社會經濟要素。

圖2 多年凍土工程地質制圖研究內容發(fā)展階梯Fig.2 Development phases for research contents of engineering geological mapping of permafrost

就目前的研究工作，大尺度大區(qū)域的制圖以單一的或者幾個要素為主，比例尺在1∶200萬、1∶1 000萬不等，甚至更小。主要反映空間格局和地帶性。因為數據獲取難度較大，一般精度較低。局域尺度多年凍土工程地質制圖比例尺較大，刻畫精度高，內容豐富，能夠較好的反映小區(qū)域內的實際情況。多年凍土工程地質制圖的實用性越來越受到重視。

3 多年凍土工程地質制圖工作方法的發(fā)展階梯

多年凍土工程地質制圖研究方法的發(fā)展階梯與其科學問題研究內容的發(fā)展階梯相匹配。工程地質學和地理學的方法在多年凍土工程地質制圖中同樣適用。研究方法的發(fā)展分階段論述。

第一階梯：在多年凍土工程地質制圖發(fā)展的早期以單一專門的工程地質和地理學科學方法為主，比如：自然歷史的分析方法，多年凍土類比法。通過踏勘、鉆探、坑探、工程地質測繪、現場觀測等技術手段的基礎上，充分認識和了解區(qū)域基礎工程地質條件，查明各種自然、工程地質條件和各種多年凍土現象、冰緣地貌以及它們之間的關系。通過點線的調查圈出研究要素的范圍，比如年平均氣溫與多年凍土年平均地溫的關系［50］，年平均地溫與海拔、緯度、大陸度的關系［51］，積雪、降水、植被、土性等對多年凍土的影響［52］。即在區(qū)域特征要素空間分布特征基礎上進行區(qū)域研究。雖然調查手段比較直接，但也為當時的區(qū)域經濟發(fā)展提供了技術支持。

第二階梯：兩種以及兩種以上方法的耦合。比如數學力學方法、模型模擬方法等。主要是通過研究對象原型的物理概念模型、數學模型，或者是基于基本規(guī)律的模擬進行多年凍土工程地質制圖工作。這些工作基于自然歷史分析方法基礎上進行的。數學力學方法是只針對某一科學問題，根據研究目標所確定的邊界條件和計算參數，應用理論公式或者經驗公式，進行要素的定量計算。比如基于熱傳導方程的活動層厚度的計算，以Stefan公式、庫德里亞采夫公式為代表。另外就是基于經驗半經驗模型和物理過程模型方法。在使用過程中，有時需要通過一些室內實驗和現場的測試確定一些熱物理以及其他計算所需性質指標，在測試數據的基礎上，確定一些符合研究對象的基本規(guī)律，并對所使用的模型進行一些針對性調整，之后借助GIS、MATLAB等軟件進行空間的模擬計算。大內存計算軟件以及3S技術的發(fā)展，為凍土制圖發(fā)展提供了技術支持。

第三階梯：基于系統(tǒng)論的綜合方法。指對研究對象放在一個特定的系統(tǒng)，具有特定的時間和空間尺度，從系統(tǒng)整體出發(fā)，全面的分析系統(tǒng)中要素與要素、要素與系統(tǒng)不同結構，要素與系統(tǒng)，系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)等系統(tǒng)組織之間內部和外部聯(lián)系及規(guī)律［53］。在研究中將研究系統(tǒng)劃分范圍不同的圈層系統(tǒng)，比如“大氣-工程-凍土圈”，“大氣-生態(tài)-凍土圈”等。在豎直剖面上分為“大氣-附面層-活動層-凍土層”，或者根據土的性質進行更詳細的分層。在研究過程中，充分考慮載體的現實情況和動態(tài)變化特征［54］，研究的精度和深度明顯提升。特別是半球全球尺度的國際、國家研究和驅動模型的產生，使得凍土制圖內容更加豐富。

總的來說，各種方法各有補充，需要綜合應用。現階段多年凍土工程地質制圖的工程流程如圖3所示。首先根據科學問題制定制圖的需求和目標。在此基礎上確定制圖的原則、范圍和比例尺。區(qū)域制圖的比例尺一般以小比例尺為主，線路工程等局域尺度的比例尺一般要求以大比例尺為主［45］。圖件比例尺依據中國測繪局相關規(guī)定執(zhí)行。

圖3 多年多年凍土工程地質制圖的工作流程Fig.3 Working procedure of engineering geological mapping of permafrost

4 多年凍土工程地質制圖過程

4.1 數據分析

對于大多數多年凍土工程地質制圖來說，需要對數據的空間分布和有效性進行分析。模型模擬和評估的結果與數據采樣密度和精度密切相關。如圖4所示，在青藏高原工程走廊的凍土分布制圖中，2002年收集到了187個數據點，2012年僅收集到了50個數據點。在楚爾瑪河地區(qū)，在2002年顯示為高溫極不穩(wěn)定多年凍土，而在2010年顯示為高溫不穩(wěn)定多年凍土，該區(qū)多年凍土是在發(fā)展，不是在退化，這與實際的監(jiān)測結果不相符［55］。所以在獲得數據之后，要對定性要素進行定量化，其次對定量數據的精度和可靠性進行分析，剔除明顯邏輯錯誤的數據。比如風速、氣溫等超過歷史最大值的，需要剔除并用相近天氣條件數據進行插補，保證數據的連續(xù)性和可靠性。再次，對數據空間上的分布均勻性進行評估，數據本身數值的大小和空間均勻性在計算過程中就表現出一定的權重信息，數據點分布不均會在插值過程中形成奇點，影響局部制圖的效果。在數據分析的基礎上，在數據不足區(qū)域進行重點區(qū)段的補充調查工作。調查工作需要首先根據景觀區(qū)的劃分選定重點區(qū)段，在重點區(qū)段對地形、地質建造、凍土現象進行描述，采用地球物理調查、現場測試、原位監(jiān)測等措施對凍土進行細部和定量特征指標的分析。最后將收集的數據和補充調查的數據進行統(tǒng)一和融合，平衡制圖精度。圖件的精度受輸入元素精度最低的要素控制。圖件的輸出精度與要素精度是有差異的。

圖4 1∶25萬不同樣點數青藏高原工程走廊凍土分布制圖Fig.4 Mapping（1∶250 000）of permafrost distribution with different points along the Tibetan Plateau engineering corridor in 2002 and 2012

4.2 模型確定

在數據評估和融合的基礎上，需要進行模型的比選。借助概率和數理統(tǒng)計的方法，建立地理、地質、氣象等其他要素與多年凍土特征要素的關系，并討論其空間變異性。模型要素本身的空間屬性也會明顯影響計算結果。比如：在年平均地溫的計算中，就考慮降水條件和不考慮降水條件相比，穩(wěn)定和極穩(wěn)定多年凍土的面積增大4.3%，季節(jié)凍土面積增加0.58%，其它多年凍土面積相應減?。▓D5）。在統(tǒng)計關系和數據空間屬性的基礎上，結合使用模型需要輸入元素和數據精度，根據制圖目標和需要確定計算或者評估模型。模型的選取是多年凍土工程地質制圖的核心內容。

4.3 結果評估和修正

借助ArcGIS和MATLAB等空間分析軟件和數據處理軟件進行數據的計算和模擬工作。輸出多年凍土的特征屬性數據，比如，不同深度的地溫、活動層厚度、地下冰情況、凍土厚度、年平均地溫等指標。將計算結果與實測數據進行比對和空間誤差分析，以殘差或者其他誤差指標對計算結果進行修正，最終形成指定范圍和比例尺的多年凍土圖件，圖件中的其他要素包括：圖例、指北針、責任表、邊框等，依照“水利水電工程地質制圖標準”“綜合工程地質圖圖例及色標”等相關規(guī)范執(zhí)行，形成標準化的多年凍土圖件。最后將計算得到的圖件屬性數據進行集成，并形成相關的說明文件。

圖5 考慮和不考慮降水要素在青藏高原多年凍土計算中的差異Fig.5 Area ratios of various permafrost and seasonal frozen soil on the Tibetan Plateau calculated in considering precipitation or not

5 結論

多年凍土工程地質制圖的研究內容和制圖方法根據制圖需求和目標而不斷變化，所解決科學問題的深度和廣度也不斷增加。在現階段，綜合實測、氣象、遙感、地理以及分析數據，建立可靠的定量化評估和計算模型，實現相關的制圖目的。在制圖過程中，對數據的識別、驗證、重組，尺度的匹配，方法的可靠度，結果的驗證等是制圖的重要內容。借助ArcGIS、MATLAB等軟件實現數據分析和可視化表達，并快速有效地耦合多種評估制圖方法，使得制圖內容更為豐富。不同區(qū)域之間相同內容的比對和綜合，將會使得多年凍土的制圖結果有更廣泛的應用。學者們結合實踐需要，可進行不同時空尺度和特征要素的多年凍土工程地質制圖。隨著IPCC等預測和氣候模式的出現，使得我們不但認識到“現在”多年凍土的情況，也可以預測將來多年凍土特征的變化，為區(qū)域的凍土科學研究、寒區(qū)工程建設以及區(qū)域的社會經濟發(fā)展提供基礎數據支持和借鑒作用，使得區(qū)域研究和工程設計更具有前瞻性。所以，多年凍土工程地質制圖要使用更多的局域尺度拓展和大區(qū)域應用的系統(tǒng)方法，提高多年凍土工程地質制圖的應用程度和應用范圍。