在役輸氣管道對(duì)土壤環(huán)境的影響研究

摘 要：近年來(lái)，油氣管道建設(shè)迅速發(fā)展，相繼建成并投產(chǎn)了多條油氣輸送骨干管道，有效地滿足了日益增長(zhǎng)的能源需求，推動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管道建設(shè)期在挖掘和填埋過(guò)程中對(duì)土壤干擾較大，在管道運(yùn)行時(shí)期會(huì)形成一個(gè)不確定性的溫度場(chǎng)，從而使管道運(yùn)行對(duì)作物影響的不確定性增加。確定溫度場(chǎng)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響的土壤溫度閾值，提出相應(yīng)控制措施，為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：在役輸氣管道 土壤養(yǎng)分" 農(nóng)作物" 溫度場(chǎng)

Study on the Influence of Gas Pipeline in Service on Soil Environment

LU Wenxiong "YU Fengmei ""WANG Jun ^*" "HU Bohan """SHANG Liyan

School of Environmental and Safety Engineering， Liaoning Petrochemical University， Fushun， Liaoning Province， 113001 China

Abstract： In recent years， the construction of oil and gas pipeline has developed rapidly， with multiple backbone pipelines for oil and gas transportation being built and put into operation， effectively meeting the growing energy demand， promoting the local economic development. During the pipeline construction period， there is significant soil interference during excavation and landfilling， and an uncertain temperature field is formed during pipeline operation， which increase the uncertainty of the influence of pipeline operation on crops. The soil temperature threshold for the influence of temperature field on crop growth is determined， and the corresponding control measures are put forward to provide reference for engineering practice.

Key Words： Gas pipeline in service; Soil nutrient; Crops; Temperature field

據(jù)相關(guān)報(bào)告可知，除現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施外，全球已規(guī)劃或在建管道135 000 km，其中北美52 000 km，中東14 800 km，前蘇聯(lián)和東歐20 400 km，西歐和歐盟2 500 km^[1]。澳大利亞支持超過(guò)37 000 km的管道，中國(guó)預(yù)計(jì)到2025年將擁有240 000 km的管線^[2]。

輸氣管線建成后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)與周圍土壤還有外界環(huán)境形成一個(gè)溫度場(chǎng)。土壤溫度分布影響著環(huán)境物體與地下物體之間的熱相互作用，使輸氣管道在運(yùn)行過(guò)程中處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，所以管線運(yùn)行過(guò)程中形成的溫度場(chǎng)也處于不太穩(wěn)定的狀態(tài)；同時(shí)，管道屬廊道式工程，在長(zhǎng)輸管道途經(jīng)的廣闊地域上，管徑、管壁厚度、管道埋深等條件和土質(zhì)、土壤含水率等土壤因素各不相同，使管道溫度場(chǎng)也處于不確定狀態(tài)^[3]。有研究表明，管道輸送介質(zhì)溫度較高會(huì)引發(fā)管道周圍土壤溫度場(chǎng)的變化，進(jìn)而造成管道周圍一定范圍內(nèi)土壤溫度、水分、養(yǎng)分等因素發(fā)生變化，農(nóng)作物的產(chǎn)量隨著距離管道的遠(yuǎn)近受到不同程度的影響^[4]。

1" 土壤溫度場(chǎng)影響因素分析

1.1管道溫度對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響

由于管道埋入地下，自然而然，管道與土壤就會(huì)有密切接觸，管道內(nèi)部的溫度就會(huì)傳遞到土壤的周圍，從而對(duì)土壤溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響。管道內(nèi)部主要通過(guò)傳遞熱水來(lái)升溫，這是控制管道溫度的主要方法之一，管內(nèi)水流的速度也能夠影響土壤溫度場(chǎng)。北極地區(qū)的特殊地質(zhì)和地質(zhì)條件決定了管道的正常設(shè)計(jì)，并帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)，例如：管道的安裝深度和運(yùn)行溫度無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)阿拉斯加天然氣管道項(xiàng)目計(jì)劃，將使用管道傳熱值和凍土值的計(jì)算模型，研究天然氣管道周圍土地在不同開(kāi)挖深度和工作溫度下的溫度變化。計(jì)算結(jié)果表明，5 ℃常溫管道加劇了凍土的分解，管道層下的融化深度主要取決于管道的運(yùn)行溫度。中間管的深埋方法有助于熔化環(huán)的發(fā)展；1 ℃的冷輸送管可以有效地提高多年凍土的人工上限，并保持基底凍結(jié)。3種浸沒(méi)深度模式分別提高到0.38 m、1.09 m和1.55 m，對(duì)地表埋藏模式影響最大。建議在多年凍土地區(qū)連續(xù)幾年鋪設(shè)平坦管道，并將溫度控制在接近1 ℃的溫度，以確保管道結(jié)構(gòu)的安全和凍土環(huán)境的保護(hù)，并減少施工和建設(shè)投資^[5]。熱管加劇了凍土的失透過(guò)程，管底的熔化深度主要取決于管的工作溫度，深埋法有利于熔化環(huán)的形成。冬季管道上部的土壤凍結(jié)深度主要取決于管道的深度。制冷劑輸送管不僅可以避免在管道周圍形成熔化環(huán)，而且可以有效地提高土壤永久凍土的上限并凍結(jié)基礎(chǔ)。對(duì)人工凍結(jié)上限影響最大的是管道的表面回收方法。通過(guò)調(diào)節(jié)管道的工作溫度，可以人工產(chǎn)生有利于管道本身和周圍冰凍區(qū)域的土壤，并允許管道鋪設(shè)在較淺的深度，從而減少建筑工程、減少建筑投資、提高經(jīng)濟(jì)效益。盡管管道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于基座的耐熱性，但對(duì)管道周圍溫度場(chǎng)的分析可以確定管道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。根據(jù)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)建立管道和地面相互作用的數(shù)值模型，基于管道的土壤凍結(jié)或浸沒(méi)的精確計(jì)算中，進(jìn)行管道強(qiáng)度試驗(yàn)^[6]。

1.2 管道埋深對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響

管道埋的深淺是能夠影響土壤溫度場(chǎng)的因素之一。王翔鵬等人^[7]對(duì)不同輸運(yùn)溫度、埋深工況下的管道熱影響和管道路堤的傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)管溫提升時(shí)，管道附近1.5 m內(nèi)有較明顯升溫，凍土原有穩(wěn)定性受到較大影響，當(dāng)管道埋深增加時(shí)，橫向影響距離變遠(yuǎn)；管道附近淺層土壤溫度，相對(duì)飽和度隨地表溫度周期性變化并有一定滯后；埋深對(duì)凍土的自然凍脹的影響大于輸送溫度對(duì)其影響；緩解熱影響的管道路堤可以改善有管線的凍土區(qū)。低滲透性土壤主要表現(xiàn)出傳導(dǎo)傳熱，因此，對(duì)周圍土壤的熱量損失最小。埋藏深度的增加降低了對(duì)流為主的高滲透土的加熱效率，而傳導(dǎo)為主的低滲透土的加熱效率不受影響。由于控制土壤的溫度場(chǎng)是為植物的生長(zhǎng)提供有利條件，因此，人們選擇控制管道埋的深淺來(lái)把控土壤溫度場(chǎng)。管道埋深與作物產(chǎn)量息息相關(guān)，植物在生長(zhǎng)期間因管道土壤損失的水分需要通過(guò)灌溉技術(shù)彌補(bǔ)，掌握不同埋深下溫度場(chǎng)的影響，可以有效解決作物產(chǎn)量的問(wèn)題 。

1.3土壤性質(zhì)對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響

土壤的物理性質(zhì)包括土壤的結(jié)構(gòu)、孔隙性、水分、空氣、熱量、耕性等。其中：土壤內(nèi)的空氣、含水量和溫度作為土壤肥沃度的直接構(gòu)成要素影響土壤的肥沃程度，這些因素制約著土壤內(nèi)部微生物的活動(dòng)、礦物質(zhì)等養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，從而對(duì)土壤的肥沃度進(jìn)行間接的影響；內(nèi)部微生物等的活動(dòng)能夠促進(jìn)土壤的良好運(yùn)行，從而促進(jìn)植物的有利生長(zhǎng)。土壤的化學(xué)性質(zhì)主要由固相材料、氣相材料組成^[8]。不同的土壤具有不同的性質(zhì)，因此，做好對(duì)土壤基本性質(zhì)的了解對(duì)有效把控土壤溫度場(chǎng)有重要意義。

1.4管徑、保溫層對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響

管道與土壤直接接觸，這會(huì)由于土壤的不確定性而降低計(jì)算精度。例如：土壤不均勻性、土壤溫度、土壤含量、濕度、導(dǎo)熱系數(shù)等的周期性變化。管道與土壤直接接觸。冷卻液加熱墻體從保溫層、保護(hù)層、保護(hù)外層到土壤的移動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化計(jì)算并忽略不同觸點(diǎn)的接觸，在計(jì)算熱管直接敷設(shè)時(shí)，必須分別計(jì)算絕緣管的熱阻和土壤的熱阻^[9]。并且保溫材料能顯著抑制管道周圍土壤凍融過(guò)程、凍融循環(huán)和凍融深度的發(fā)展。為了節(jié)約能源，減少管道熱損失，減少埋地管道對(duì)環(huán)境的影響，延長(zhǎng)使用壽命，提出了兩種結(jié)合外部溫度限制和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的計(jì)算方法^[10]。管道隔熱管直徑小，單位面積散熱量小，覆蓋凈經(jīng)濟(jì)得到優(yōu)化，所獲得的保溫厚度可以滿足管道外表面的溫度限制，因此，外部溫度限制與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化相結(jié)合，并且主要應(yīng)用于上述大直徑管道絕緣。

1.5土壤含水率對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響

鄭平等人^[11]通過(guò)利用有限元分析法給出了由于含水率的不同影響埋地管道周圍土壤溫度情況的模擬和計(jì)算方法。結(jié)果表明：[A1]"土壤的導(dǎo)熱率隨著土壤含水率的增加而不斷增大，土壤的含水率到達(dá)一定峰值后，土壤的導(dǎo)熱率隨著土壤的含水率增大而減小，因此，可以得出控制土壤中的含水率可以間接地控制埋地管道對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響，進(jìn)而控制土壤的水熱耦合參數(shù)，降低了埋地管道與土壤間的熱傳遞，就會(huì)間接控制埋地管道的輸油溫度，從而達(dá)到降低能耗費(fèi)用的情況。土壤含水量會(huì)顯著改變地表反射率、土壤溫度及其他參數(shù)，因此，土壤含水量的變化會(huì)改變指標(biāo)、能量和水的再分配，即顯熱和潛熱對(duì)凈輻射的量。進(jìn)一步影響區(qū)域氣候變化，含水率主要受蒸發(fā)、降水等因素的制約，其中，降水是調(diào)節(jié)土壤含水量變化的主要途徑^[12]。

1.6季節(jié)變換對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響

不同季節(jié)埋地管道周圍的溫度場(chǎng)存在明顯差異，有無(wú)保溫層的地下管線對(duì)土壤溫度分布有顯著影響。土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)的活性成分，其對(duì)環(huán)境因子的變化和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、利用效率非常敏感。在土壤環(huán)境中，土壤微生物僅占土壤有機(jī)碳總量的1%～5%，但它們參與了土壤有機(jī)質(zhì)降解、養(yǎng)分循環(huán)、污染物降解、土壤結(jié)構(gòu)形成等各種生態(tài)過(guò)程，是控制土壤養(yǎng)分流動(dòng)的主要因素之一，也是全球碳循環(huán)的重要貢獻(xiàn)者。植被通過(guò)根排泄物和尸體殘留物向土壤提供碳和氮，從而影響土壤碳流入和土壤微生物^[13]。在管道運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)許多土壤因子有較大的影響，如土壤有機(jī)碳、總氮、溫度和濕度，這些因素可以比較和去除改變土壤微生物物理和化學(xué)特性的根。

2" 溫度場(chǎng)對(duì)作物的影響

溫度場(chǎng)對(duì)作物有很大影響，測(cè)量溫度場(chǎng)最常用的方法是用儀器直接測(cè)量溫度場(chǎng)。結(jié)果表明，在正常埋深（2 m）徑向?qū)Ρ戎?，生根層最大熱影響范圍在單?cè)5 m內(nèi)影響顯著；垂直管道軸向上，管道上方溫度升高0.5℃的熱力影響區(qū)域最高達(dá)到地表下0.06 m，地表下40 cm處的土壤溫度最高值可達(dá)到32.9 ℃^[14]。例如：種子發(fā)芽需要穩(wěn)定的土壤條件。當(dāng)溫度場(chǎng)和濕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，種子可能會(huì)發(fā)芽。根據(jù)溫度場(chǎng)要求，普通冷粒發(fā)芽的平均溫度場(chǎng)為1～5 ℃，溫度場(chǎng)為8～10 ℃。因此，通過(guò)使用溫度計(jì)測(cè)量溫度場(chǎng)，可以合理管理播種，并確保植物生長(zhǎng)的有效性。眾所周知，根負(fù)責(zé)營(yíng)養(yǎng)的吸收和運(yùn)輸，植物根的生長(zhǎng)直接取決于土壤條件（如溫度場(chǎng)），要保證根系生長(zhǎng)相對(duì)活躍，必須注意溫度場(chǎng)等環(huán)境變化，以便植物根系能夠健康生長(zhǎng)。除了上述直接影響外，溫度場(chǎng)也可能直接影響作物的生長(zhǎng)，溫度場(chǎng)對(duì)土壤腐殖質(zhì)、礦化和植物養(yǎng)分供應(yīng)至關(guān)重要。由于溫度場(chǎng)對(duì)產(chǎn)量的影響非常大，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)必須加強(qiáng)溫度場(chǎng)計(jì)監(jiān)測(cè)溫度場(chǎng)，及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)，并采取有效措施，以實(shí)現(xiàn)提高質(zhì)量和高產(chǎn)的目標(biāo)^[15]。

3" 結(jié)語(yǔ)

受管道運(yùn)行的影響，土壤溫度越高，耕層土壤養(yǎng)分含量越低。管道中心線上方耕層土壤的含水率、有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、全磷、有效磷、有效鉀等土壤養(yǎng)分含量均低于垂直于管道中心線10 m表層土壤，即距管道中心線距離越遠(yuǎn)，耕層土壤養(yǎng)分含量越高。距出站口越遠(yuǎn)，耕層土壤養(yǎng)分含量越高。建設(shè)時(shí)間盡量選擇在秋冬等作物收割完的季節(jié)。在管線運(yùn)行過(guò)程中采取較好的保溫層控制土壤溫度場(chǎng)溫度，及時(shí)對(duì)耕作土壤補(bǔ)充養(yǎng)分和水分，減少管線運(yùn)行對(duì)作物養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響。

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