星云隧道通車前后維西國家基本氣象站深層地溫的相關(guān)性變化研究

摘 要：維西國家基本氣象站（以下簡稱維西站）位于云南省迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣，2018年星云隧道開工建設，隧道東洞口距維西站觀測場水平距離僅15 m。為定量評估隧道工程施工和運營對維西站深層地溫觀測的影響，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深層地溫逐旬觀測資料，對比分析了維西站與其周邊3個關(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，兩個時段內(nèi)相關(guān)系數(shù)差值的絕對值均在0.03以內(nèi)，通過0.01的顯著性檢驗；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環(huán)境。

關(guān)鍵詞：深層地溫；星云隧道；維西站；地溫數(shù)據(jù)

中圖分類號：P412.1 文獻標志碼：B 文章編號：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、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設等領(lǐng)域有著廣泛的應用價值。近年來，隨著氣象觀測自動化、信息化水平的不斷提高，高質(zhì)量的深層地溫觀測數(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站點，位于維西站觀測場附近的星云隧道自2018年開工建設，2021年正式通車。根據(jù)《氣象設施和氣象探測環(huán)境保護條例》的要求，需要定量評估隧道工程施工和運營過程中對維西站深層地溫觀測的影響。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資料，通過與周邊多個氣象站的數(shù)據(jù)進行對比分析，定量評估隧道工程活動對維西站深層地溫觀測的影響程度。

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?？h境海拔較高，氣象觀測資料能夠較好地反映本地區(qū)土壤熱狀況的時空變化規(guī)律，同時也為評估局地人為活動對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公路的重要組成部分。隧道離觀測場最近水平直線距離15 m。隧道全長1 180 m，洞身最大埋深約350 m，采用分離式隧道襯砌斷面，開挖斷面積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，無明顯的軟弱夾層和不良地質(zhì)體，地下水類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，洞身開挖于2018年4月正式啟動、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月正式通車運營。

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究使用的深層地溫數(shù)據(jù)來源于維西站及周邊9個氣象站（德欽、貢山、瀘水、華坪、大理、劍川、洱源、漾濞和永平），時間跨度為2005年1月至2024年4月，時間分辨率為旬。其中，維西站數(shù)據(jù)序列完整連續(xù)，觀測要素包括0.4、0.8、1.6和3.2 m四個深度的地溫，測量精度±0.1 ℃，觀測場所均符合氣象觀測規(guī)范要求。

1.4 研究方法

研究采用Pearson相關(guān)系數(shù)法對維西站及其周邊9個氣象站的深層地溫進行定量比較分析。利用2015—2018年隧道開挖前的數(shù)據(jù)，分別計算不同深度上維西站與各個站點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，選出與維西站深層地溫關(guān)聯(lián)度最高的3個對比站[3]。然后以隧道開挖時間為界，分別統(tǒng)計開挖前后兩個時段內(nèi)維西站與3個對比站深層地溫的相關(guān)系數(shù)，評估相關(guān)性的變化情況，對比分析相關(guān)系數(shù)在開挖前后的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 隧道開挖前維西站與其周邊站點深層地溫相關(guān)性

2.1.1 2015—2018年數(shù)據(jù)的整體趨勢

維西站及其周邊9個站點2015—2018年各層深度地溫數(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)的時間逐漸滯后，波動幅度逐漸減小。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 ℃。周邊站點的深層地溫變化趨勢與維西站基本一致，但絕對值略有差異。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，深層地溫的時間波動性迅速減弱，至3.2 m時僅為0.4 m的9.91%?？偟膩砜?，2015—2018年維西站及其周邊站點的深層地溫時空分布規(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個站點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，分別計算各深度逐旬地溫與其他站點的相關(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地溫的相關(guān)系數(shù)均在0.945以上，平均達到0.970以上，通過了0.01的顯著性檢驗。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的深層地溫變化規(guī)律具有很強的一致性。

2.1.3 對比站的選擇

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、海拔和觀測時段等因素，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估的3個對比站，三站均位于維西站東南方向，與維西站同步開展了長時間序列的深層地溫觀測，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，其平均相關(guān)系數(shù)高達0.987，是隧道工程影響評估的理想?yún)⒄铡?/p>

2.2 隧道開挖后維西站與對比站深層地溫相關(guān)性分析

2.2.1 維西站與劍川站深層地溫相關(guān)性分析

以隧道開挖時間（2018年4月）為界，計算隧道施工后至運營初期維西站與劍川站各深度逐旬地溫的Pearson相關(guān)系數(shù)，并與開挖前（2015—2018年）進行對

比（表3）。結(jié)果表明：隧道開挖后，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，較開挖前的相關(guān)系數(shù)變化不大，且均通過了0.01的顯著性檢驗。進一步計算各深度相關(guān)系數(shù)在隧道開挖前后的差值，絕對值最大差僅為0.003。隧道工程的實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。線性擬合結(jié)果顯示，開挖前后兩站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，驗證了隧道施工和運營活動對維西站深層地溫觀測一致性的影響很小。

2.2.2 維西站與漾濞站深層地溫相關(guān)性分析

與劍川站類似，隧道開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，較開挖前略有下降，但降幅均在0.03以內(nèi)（表4）。相關(guān)系數(shù)差值絕對值的平均值為

0.021，表明隧道工程對兩站深層地溫關(guān)聯(lián)度的影響很小。以1.6 m深度為例，隧道開挖前后兩站地溫的線性擬合斜率分別為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，隧道工程雖然對維西站與漾濞站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

將隧道開挖前后維西站與永平站各深度地溫的相關(guān)系數(shù)進行對比（表5），可以發(fā)現(xiàn)在開挖后（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，與開挖前的差值絕對值均不超過0.012，平均僅為0.008。

統(tǒng)計檢驗表明，隧道開挖前后各深度相關(guān)系數(shù)的差異均未達到0.01的顯著性水平。隧道工程的實施對維西站和永平站深層地溫的同步性影響很小。隧道開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)模的開挖擾動和運營后的人為活動十分頻繁，但對該站深層地溫的觀測質(zhì)量并未產(chǎn)生顯著影響。因此可以認為可能與以下2個方面的因素有關(guān)：

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

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

4 結(jié)束語

研究以緊鄰維西站的星云隧道為例，通過分析隧道開挖前后維西站與其周邊多個參照站深層地溫的相關(guān)性變化，對比分析隧道開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)隧道工程對維西站與參照站深層地溫關(guān)系的影響十分有限，未改變原有的顯著線性特征。研究結(jié)果為深層地溫觀測場址的科學選擇、人為活動影響的定量評估及相關(guān)技術(shù)標準的制定提供了參考，研究采用的多站對比分析方法還可推廣應用于其他環(huán)境要素的影響評估工作。

參考文獻

[1] 劉婧楠，常玉巧，田鵬，等.德欽—維西地區(qū)地貌特征及其對構(gòu)造活動的響應[J].地震研究，2023，46（3）：315-322.

[2] 許崇幫，鄭子騰，辛紅升，等.隧道圍巖大變形分類及展望[J].隧道建設（中英文），2023，43（S2）：27-40.

[3] 田振宇，何永旺，韓赟，等.考慮地溫影響的高海拔寒區(qū)隧道溫度場分布規(guī)律研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2024（2）：54-58.

[4] 楊冬.隧道高地熱隨時性—衰變率與洞內(nèi)環(huán)境響應研究[D].重慶：重慶交通大學，2023.

[5] 許高勝.高地溫對水工隧道圍巖內(nèi)力及變形的影響[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2024（5）：160-161，196.

收稿日期：2024-10-19

作者簡介：豐英（1979—），女，云南維西人，高級工程師，研究方向為地面氣象觀測。