在冻土寒区守护能源“血脉”

  • 中国科学报 (兰州分院)
  • 创建于 2019-11-21
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项目组成员在管道附近进行冻土地温观测

  在位于中国内陆东北角的漠河、塔河、新林和加格达奇地区,贯穿着我国四大能源通道之一的中俄原油管道。该管道途经1030 千米的多年冻土区和季节冻土区,让沿线的维修人员苦不堪言。受强大西伯利亚寒流和蒙古高压影响,冬季干冷而漫长。

  不过,对于中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室研究员李国玉来说,今年的冬天,却让他的心头格外温暖。

  多年来,他带领的团队在管道沿线多年冻土区构建了一套全面完整的水热变形长期监测系统,可确保管道的安全运营。近日,系列成果相继发表于《工程地质学》《应用热力工程》《寒冷地区科学与技术》《山地科学学报》等国际学术期刊。

  “自己的研究成果能在国家重大工程建设中得到应用,再多的辛苦和劳累都是值得的。”回首这段艰苦岁月,李国玉十分感慨。

  铸造北方能源巨龙

  李国玉从事冻土研究已有14年之久,对寒区环境和生态系统的细节谙熟于心。谈及中俄原油管道的建设,他滔滔不绝地打开了“话匣子”。

  “管道起自俄罗斯的斯科沃罗季诺,向南从中国东北漠河县兴安镇入境,到达中国大庆。”在接受《中国科学报》采访时,李国玉打开地图,用红笔勾勒出弯弯曲曲的管道路径。这条在中国境内全长953千米的中俄原油管道,如今已是为我国输送原油的能源巨龙。

  长期以来,中国石油对外依存度高一直是难解的困局。中东和非洲地区是我国石油进口的重要资源地,但多半需要经过马六甲海峡方能输送。然而,马六甲海盗频出,劫案不断,狭长的海域成为石油容易被扼住的“咽喉”。

  为实现原油进口的多渠道和运输方式多元化,国家将目光投向了北方通道。“俄罗斯毗邻中国,能源出口中国市场,潜力巨大。管线一旦建成,双方都不会轻易停输。”李国玉介绍,历经15年的曲折谈判,中俄终于达成能源输送合作协议。

  按照中俄双方20年长期输油协议,2011年1月1日,两国首先开通运营了中俄原油管道一线工程,每年向中国供应1500万吨原油,从此为中国石油市场的稳定服下了一颗“定心丸”。

  工欲善其事,必先利其器。由于特殊的地理位置和环境条件,修建中俄原油管道并非易事,面临着多年冻土与寒区生态环境保护的双重挑战。

  中国科学院西北生态环境资源研究院研究员吴青柏告诉《中国科学报》,中俄原油管道因工程的特殊性(大开挖、大口径、高油温)、工程地质条件的复杂性、冻土环境的脆弱性以及气候变化的不可预见性,使得冻土问题成为修建中俄原油管道工程的瓶颈问题。

  而且,由于该区多年冻土位于欧亚大陆多年冻土区的南部边缘地带,地温高、厚度较薄、热稳定性差且处于退化状态,极易受人为活动的影响,这无疑进一步加剧了埋地管道工程建设与运营的难度。

  此外,管道一旦断裂、原油泄漏,在造成巨大经济损失的同时必将对该区土壤环境、地下水和生态环境造成严重的污染,甚至对人类生命安全构成严重威胁,而且,清除污染技术难度高、费用大,很可能改变管基土工程性质,引发管道失稳问题。

  构建水热变形长期监测系统

  “在多年冻土区修建大口径(81.3厘米)、高温(油温3.3~24.6℃)埋地输油管道,面临的主要难点是如何控制快速融化的多年冻土。”中国科学院西北生态环境资源研究院研究员马巍告诉《中国科学报》,由于油温较高,多年冻土退化速度较快,管道的防控措施显得格外重要。

  “不仅需要尽可能减少管道热量进入冻土层,还要及时回填管沟,避免管沟积水加速冻土融化。如何调控深部土体的温度也是一个难点,还要减少地表植物破坏。后期补强措施应从保护冻土和改善管基土稳定性方面来考虑,比如降温措施和注浆等……”马巍一一细数着这些“包袱”。

  多年来,团队在中俄原油管道沿线漠河—加格达奇段建立了以管周冻土为核心的水热变形综合监测系统,对管道周围冻土温度、水分变化特性、管道和地表变形及防控措施工程效果进行长期监测。

  马巍介绍,现场监测系统目前包括4个监测场地、14个地温监测断面、5个管权范围地表变形监测断面、2个小型气象站,主要负责监测地温、含水量、气候要素(气温、风速、雪深等)、管周融化圈大小和位置、管体垂向位移、地表变形等。

  基于目前现场监测结果发现,管道常年正油温运营,持续不断融化管周多年冻土,使得管权范围内多年冻土退化程度远远大于天然场地,管道周围形成不同大小且常年存在的融化圈;保温材料、热管和U形通风管等融沉防治措施均能有效减少管周冻土退化,进而确保管基土稳定。

  此外,现场建设的热管示范场地,对于热管在多年冻土区管道工程中应用发挥了重要的示范和推广作用。“比如中石油管道公司,它就决定在中俄原油管道二线冻土段采用12000多根热管来减缓管道周围冻土退化。”他说。

  守护能源的“血脉”之路

  据了解,为了贯彻落实中俄双方签署的合作协议,我国还适时建设了中俄原油管道二线。2018年1月1日该线正式运营,年输量达到3000万吨。

  “能源,是经济的血脉。中俄原油管道持续的石油供应,是国家重要的安全砝码。维护这条通路,对于保障国家能源安全、优化油品供输格局、推进中蒙俄经济走廊建设及深化中俄战略合作等都具有重大意义。”中国科学院西北生态环境资源研究院研究员金会军告诉《中国科学报》。

  “冬季零下40多摄氏度的气温,野外工作只能露两只眼睛,10多分钟的时间如果保暖不好身体就冻透了。”他回忆说,在寒冷的天气工作,他们经常会遇到降雨被淋湿,或者掉到水坑里面的情况,饱受寒冰之苦。

  每逢夏天,实验人员长期野外穿行在大兴安岭林区和草丛中,面临被有毒蜱虫咬伤的风险。蜱虫杀伤力巨大,咬伤后严重者会引发脑炎。“每年都有几个人因蜱虫而走进重症监护室,甚至有人为此丢掉了性命。”

  即便如此,团队仍身体力行地守护着这条能源的“血脉”。如今,他们将目光投向了北极和亚北极地区的多年冻土区管道工程建设,如西伯利亚油气管道和阿拉斯加天然气管道等。

  下一步,他们将依托冻土工程国家重点实验室和大兴安岭冻土工程与环境观测试验研究站,针对多年冻土区管道工程建设和环境问题进行深入系统研究,为国家能源建设服务。

责任编辑:杨慧娴