基于聚類分析的內(nèi)蒙古地區(qū)瀝青路面氣候影響分區(qū)

孫廣利 凌建明

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

瀝青路面建成后長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，受到氣溫、水分、輻射等多種氣候條件的影響，故應(yīng)針對(duì)不同的氣候條件選取不同的路基路面設(shè)計(jì)方案[1]。內(nèi)蒙古地處北方，冬季嚴(yán)寒、夏季溫?zé)?、日溫差大、太陽輻射?qiáng)。同時(shí)，內(nèi)蒙古幅員遼闊，南北東西跨度極大，區(qū)內(nèi)氣候差異顯著，干旱、寒潮、風(fēng)暴等氣候?yàn)?zāi)害頻繁發(fā)生。因此，對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)進(jìn)行瀝青路面氣候影響分區(qū)，對(duì)于支持瀝青路面規(guī)劃、設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)尤為必要。

針對(duì)瀝青路面氣候影響分區(qū)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了相關(guān)研究。蘇聯(lián)以緯向地帶性為主，制定了公路氣候分區(qū)；SHRP計(jì)劃中制定了PG分區(qū)[2]。1964年我國(guó)首次提出了“中國(guó)公路氣候區(qū)劃”，逐步形成了JTJ 003-86《公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》。1997年，沈金安制定了道路瀝青及瀝青混合料的氣候分區(qū)，并納入相應(yīng)規(guī)范[3]。近年來，學(xué)者針對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)瀝青路面氣候分區(qū)[4]，同時(shí)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(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)的瀝青路面氣候分區(qū)卻鮮有報(bào)道。因此，本文按照聚類分析方法對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候影響因素進(jìn)行分析，可為自治區(qū)公路新建、改建過程中的參數(shù)設(shè)定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混合料設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 分區(qū)指標(biāo)

1.1 指標(biāo)選取

1.1.1熱量條件

瀝青路面熱量條件對(duì)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(chǎn)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(chǎn)生低溫開裂、粒料脫落等病害，嚴(yán)重危害道路使用壽命。同時(shí)，高溫-低溫循環(huán)作用，將加劇路面開裂程度與凍融損傷。內(nèi)蒙古地區(qū)夏季溫?zé)帷⒍竞?，且氣溫日較差大，對(duì)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(nèi)累年平均連續(xù)7 d最大氣溫日較差作為瀝青路面熱量條件分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1.2降水條件

瀝青路面飽水時(shí)，瀝青-石料黏附性下降，隨氣溫變化引起凍融循環(huán)，降低路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。內(nèi)蒙古地區(qū)氣候多樣，不同地區(qū)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(qū)指標(biāo)。

1.1.3太陽輻射

受紫外照射影響老化后，瀝青路面強(qiáng)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(shí)太陽輻射提高地表溫度，引起路面車轍。內(nèi)蒙古地區(qū)緯度高，太陽輻射強(qiáng)，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(qū)指標(biāo)。

1.2 指標(biāo)空間分布

為獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)空間變異規(guī)律，選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)地區(qū)100余個(gè)氣象站的氣象資料。同時(shí)，由于全區(qū)西南部與東北部氣象站站點(diǎn)稀少，選用臨近省份部分站點(diǎn)氣象資料作為補(bǔ)充，各指標(biāo)的氣象站分布見圖1與圖2。

圖1 溫度、降水指標(biāo)的氣象站分布

圖2 太陽輻射指標(biāo)的氣象站分布

依據(jù)各站氣象資料，采用地理信息系統(tǒng)平臺(tái)ARCGIS 10.2對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行空間化處理：匹配氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)與矢量地圖，利用克里金法對(duì)氣象數(shù)據(jù)插值，獲得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間分布圖，結(jié)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(qū)方法

依據(jù)分區(qū)指標(biāo)，比較各區(qū)域氣候特點(diǎn)，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(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)瀝青路面進(jìn)行氣候分區(qū)。

目前，常見分析方法主要有指標(biāo)劃分法、圖層重疊法和聚類分析法3種。指標(biāo)劃分法適用于單指標(biāo)分級(jí)，圖層重疊法進(jìn)行多次單指標(biāo)分級(jí)后疊置，劃分界限較為凌亂。聚類分析法是一種多元統(tǒng)計(jì)方法，可分為系統(tǒng)聚類、動(dòng)態(tài)聚類、模糊聚類、圖論聚類，以及灰聚類等。內(nèi)蒙古地區(qū)瀝青路面氣候影響因素多，影響關(guān)系復(fù)雜，是典型的多指標(biāo)問題，適用聚類分析法。其中，系統(tǒng)聚類分析無需預(yù)先指定聚類數(shù)，劃分后各類間界限明顯，距離和規(guī)則的相似度容易定義，且可發(fā)現(xiàn)各類間的層次關(guān)系，結(jié)合其他地區(qū)分區(qū)經(jīng)驗(yàn)，故最終采用系統(tǒng)聚類法進(jìn)行氣候分區(qū)。系統(tǒng)聚類法的原理見圖8，即根據(jù)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(fù)上述過程直至將所有樣品聚到合適的類中。對(duì)于內(nèi)蒙古地區(qū)瀝青路面氣候分區(qū)問題，聚類分析的重復(fù)次數(shù)、最終聚類數(shù)等要素需根據(jù)原始數(shù)據(jù)情況和類間差異性綜合確定，下文將詳細(xì)展開。

圖8 系統(tǒng)聚類分析示意圖

3 分區(qū)結(jié)果

對(duì)獲取氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行全距-1～1標(biāo)準(zhǔn)化后，基于SPSS軟件對(duì)上述分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，聚類方法采用組間連接的離差平方和法，根據(jù)各數(shù)據(jù)集的組間離差平方和，對(duì)群集進(jìn)行逐步合并。

聚類分析中，首先將各站視為單個(gè)群集，計(jì)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(gè)區(qū)，第二次合并為37個(gè)區(qū)，第九次和第十次均合并為8個(gè)區(qū)，第十五次合并為5個(gè)區(qū)。為保證各區(qū)間差異性，確定清晰區(qū)劃界線，需選取適宜的區(qū)數(shù)，結(jié)合其他省份分區(qū)數(shù)目情況[5-8],選取區(qū)劃界線更為明顯的第十次合并。由于阿拉善地區(qū)缺少氣象數(shù)據(jù)，其指標(biāo)空間分布均依靠相鄰氣象站預(yù)測(cè)得出，故合并阿拉善盟內(nèi)分區(qū)，將阿拉善地區(qū)單獨(dú)作為一個(gè)分區(qū)。最終，將內(nèi)蒙古自治區(qū)分為A～G 7個(gè)瀝青路面氣候影響分區(qū)，結(jié)果見表1和圖9。

表1 內(nèi)蒙古地區(qū)瀝青路面氣候分區(qū)

圖9 內(nèi)蒙古地區(qū)氣候分區(qū)結(jié)果

各區(qū)域指標(biāo)分布情況見表2。顯然，內(nèi)蒙古地區(qū)多具有冬季寒冷、夏季高溫、溫差大的特點(diǎn)，冬季最低溫普遍可達(dá)-35 ℃，夏季最高溫達(dá)38 ℃，累年氣溫年較差35 ℃，極端年溫差可達(dá)73 ℃，累年平均日溫差接近15 ℃。同時(shí)，內(nèi)蒙古地區(qū)多為干旱/半干旱區(qū)，區(qū)內(nèi)年平均降水量281.2 mm，年平均蒸發(fā)量2 630 mm。進(jìn)行路面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮上述氣候條件導(dǎo)致的瀝青路面結(jié)構(gòu)損傷。

表2 各區(qū)分區(qū)指標(biāo)代表值分布

大溫差極寒區(qū)(A區(qū))地處內(nèi)蒙古地區(qū)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(qū)域的公路路基易出現(xiàn)凍脹、翻漿，瀝青路面易產(chǎn)生低溫收縮裂縫和溫度疲勞裂縫。

大溫差強(qiáng)輻射區(qū)(B區(qū))位于內(nèi)蒙古地區(qū)中北部，冬季氣溫寒冷，夏季炎熱，降水量較少，晝夜溫差可達(dá)26 ℃，太陽輻射較大，最高值可達(dá)29.12 MJ·m-2·d-1。該區(qū)域內(nèi)，可能產(chǎn)生的病害也較為復(fù)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(qū)(C區(qū))位于內(nèi)蒙古地區(qū)的東北部，顯著特點(diǎn)為降雨量大，年均降雨量可達(dá)480 mm左右。加之冬季寒冷，夏季炎熱，需充分考慮過濕路基產(chǎn)生的邊坡滑塌與含水路基、路面的凍融損傷。

過渡區(qū)(D區(qū))占地大部分位于內(nèi)蒙古的中部，占地廣袤，區(qū)內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)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(qū)(E區(qū))位于內(nèi)蒙古地區(qū)的中西部和中東部地區(qū)，年均降雨量?jī)H為170 mm左右，冬季寒冷，夏季干熱，日溫差較小。進(jìn)行路面設(shè)計(jì)時(shí)，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(qū)(F區(qū))位于內(nèi)蒙古地區(qū)東南角。冬季寒冷，夏季極熱，年均降水量達(dá)420 mm，太陽輻射較低。在該區(qū)域中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)，選用路面材料，控制路面夏季變形，同時(shí)注重其冬季低溫開裂。

強(qiáng)輻射干旱區(qū)(G區(qū))為內(nèi)蒙古西部的阿拉善地區(qū)，該區(qū)域沙漠廣布，太陽輻射強(qiáng)，降雨量低。該區(qū)域中應(yīng)注意路基的失水收縮開裂、瀝青路面紫外老化，必要時(shí)可采用填砂路基，同時(shí)還應(yīng)注意沙害控制。

4 結(jié)語

1) 內(nèi)蒙古地區(qū)具有冬季寒冷、夏季高溫、日溫差大、干旱、太陽輻射強(qiáng)的氣候特點(diǎn)，對(duì)瀝青路面使用性能有較大影響。針對(duì)不同氣候?qū)r青路面的損傷特點(diǎn)，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(nèi)蒙古地區(qū)瀝青公路氣候分區(qū)指標(biāo)。

2) 根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)及其周邊100余個(gè)氣象站的氣象資料，統(tǒng)計(jì)計(jì)算指標(biāo)對(duì)應(yīng)數(shù)值，并分析指標(biāo)在內(nèi)蒙古地區(qū)內(nèi)的分布情況，根據(jù)路面分區(qū)原則，利用ARCGIS平臺(tái)完成指標(biāo)的空間化。

3) 利用系統(tǒng)聚類分析，將內(nèi)蒙古地區(qū)分為7個(gè)瀝青路面氣候影響分區(qū)，根據(jù)其主要特征進(jìn)行命名，繪制了內(nèi)蒙古地區(qū)瀝青路面氣候分區(qū)圖，得到各分區(qū)氣象指標(biāo)的數(shù)值分布情況。針對(duì)不同分區(qū)氣候特點(diǎn)，總結(jié)各區(qū)域?yàn)r青路面易發(fā)病害，據(jù)此設(shè)計(jì)合理的瀝青路面結(jié)構(gòu)類型，可達(dá)到提升路面使用性能、延長(zhǎng)路面使用壽命的目的。