在凍土寒區(qū)守護能源 “血脈”

項目組成員在管道附近進行凍土地溫觀測

　　在位于中國內陸東北角的漠河、塔河、新林和加格達奇地區(qū)，貫穿著我國四大能源通道之一的中俄原油管道。該管道途經1030 千米的多年凍土區(qū)和季節(jié)凍土區(qū)，讓沿線的維修人員苦不堪言。受強大西伯利亞寒流和蒙古高壓影響，冬季干冷而漫長。

　　不過，對于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研究員李國玉來說，今年的冬天，卻讓他的心頭格外溫暖。

　　多年來，他帶領的團隊在管道沿線多年凍土區(qū)構建了一套全面完整的水熱變形長期監(jiān)測系統(tǒng)，可確保管道的安全運營。近日，系列成果相繼發(fā)表于《工程地質學》《應用熱力工程》《寒冷地區(qū)科學與技術》《山地科學學報》等國際學術期刊。

　　“自己的研究成果能在國家重大工程建設中得到應用，再多的辛苦和勞累都是值得的。”回首這段艱苦歲月，李國玉十分感慨。

　　鑄造北方能源巨龍

　　李國玉從事凍土研究已有14年之久，對寒區(qū)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的細節(jié)諳熟于心。談及中俄原油管道的建設，他滔滔不絕地打開了“話匣子”。

　　“管道起自俄羅斯的斯科沃羅季諾，向南從中國東北漠河縣興安鎮(zhèn)入境，到達中國大慶。”在接受《中國科學報》采訪時，李國玉打開地圖，用紅筆勾勒出彎彎曲曲的管道路徑。這條在中國境內全長953千米的中俄原油管道，如今已是為我國輸送原油的能源巨龍。

　　長期以來，中國石油對外依存度高一直是難解的困局。中東和非洲地區(qū)是我國石油進口的重要資源地，但多半需要經過馬六甲海峽方能輸送。然而，馬六甲海盜頻出，劫案不斷，狹長的海域成為石油容易被扼住的“咽喉”。

　　為實現原油進口的多渠道和運輸方式多元化，國家將目光投向了北方通道。“俄羅斯毗鄰中國，能源出口中國市場，潛力巨大。管線一旦建成，雙方都不會輕易停輸。”李國玉介紹，歷經15年的曲折談判，中俄終于達成能源輸送合作協(xié)議。

　　按照中俄雙方20年長期輸油協(xié)議，2011年1月1日，兩國首先開通運營了中俄原油管道一線工程，每年向中國供應1500萬噸原油，從此為中國石油市場的穩(wěn)定服下了一顆“定心丸”。

　　工欲善其事，必先利其器。由于特殊的地理位置和環(huán)境條件，修建中俄原油管道并非易事，面臨著多年凍土與寒區(qū)生態(tài)環(huán)境保護的雙重挑戰(zhàn)。

　　中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院研究員吳青柏告訴《中國科學報》，中俄原油管道因工程的特殊性（大開挖、大口徑、高油溫）、工程地質條件的復雜性、凍土環(huán)境的脆弱性以及氣候變化的不可預見性，使得凍土問題成為修建中俄原油管道工程的瓶頸問題。

　　而且，由于該區(qū)多年凍土位于歐亞大陸多年凍土區(qū)的南部邊緣地帶，地溫高、厚度較薄、熱穩(wěn)定性差且處于退化狀態(tài)，極易受人為活動的影響，這無疑進一步加劇了埋地管道工程建設與運營的難度。

　　此外，管道一旦斷裂、原油泄漏，在造成巨大經濟損失的同時必將對該區(qū)土壤環(huán)境、地下水和生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染，甚至對人類生命安全構成嚴重威脅，而且，清除污染技術難度高、費用大，很可能改變管基土工程性質，引發(fā)管道失穩(wěn)問題。

　　構建水熱變形長期監(jiān)測系統(tǒng)

　　“在多年凍土區(qū)修建大口徑（81.3厘米）、高溫（油溫3.3~24.6℃）埋地輸油管道，面臨的主要難點是如何控制快速融化的多年凍土。” 中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院研究員馬巍告訴《中國科學報》，由于油溫較高，多年凍土退化速度較快，管道的防控措施顯得格外重要。

　　“不僅需要盡可能減少管道熱量進入凍土層，還要及時回填管溝，避免管溝積水加速凍土融化。如何調控深部土體的溫度也是一個難點，還要減少地表植物破壞。后期補強措施應從保護凍土和改善管基土穩(wěn)定性方面來考慮，比如降溫措施和注漿等……”馬巍一一細數著這些“包袱”。

　　多年來，團隊在中俄原油管道沿線漠河—加格達奇段建立了以管周凍土為核心的水熱變形綜合監(jiān)測系統(tǒng)，對管道周圍凍土溫度、水分變化特性、管道和地表變形及防控措施工程效果進行長期監(jiān)測。

　　馬巍介紹，現場監(jiān)測系統(tǒng)目前包括4個監(jiān)測場地、14個地溫監(jiān)測斷面、5個管權范圍地表變形監(jiān)測斷面、2個小型氣象站，主要負責監(jiān)測地溫、含水量、氣候要素（氣溫、風速、雪深等）、管周融化圈大小和位置、管體垂向位移、地表變形等。

　　基于目前現場監(jiān)測結果發(fā)現，管道常年正油溫運營，持續(xù)不斷融化管周多年凍土，使得管權范圍內多年凍土退化程度遠遠大于天然場地，管道周圍形成不同大小且常年存在的融化圈；保溫材料、熱管和U形通風管等融沉防治措施均能有效減少管周凍土退化，進而確保管基土穩(wěn)定。

　　此外，現場建設的熱管示范場地，對于熱管在多年凍土區(qū)管道工程中應用發(fā)揮了重要的示范和推廣作用。“比如中石油管道公司，它就決定在中俄原油管道二線凍土段采用12000多根熱管來減緩管道周圍凍土退化。”他說。

　　守護能源的“血脈”之路

　　據了解，為了貫徹落實中俄雙方簽署的合作協(xié)議，我國還適時建設了中俄原油管道二線。2018年1月1日該線正式運營，年輸量達到3000萬噸。

　　“能源，是經濟的血脈。中俄原油管道持續(xù)的石油供應，是國家重要的安全砝碼。維護這條通路，對于保障國家能源安全、優(yōu)化油品供輸格局、推進中蒙俄經濟走廊建設及深化中俄戰(zhàn)略合作等都具有重大意義。”中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院研究員金會軍告訴《中國科學報》。

　　“冬季零下40多攝氏度的氣溫，野外工作只能露兩只眼睛，10多分鐘的時間如果保暖不好身體就凍透了。”他回憶說，在寒冷的天氣工作，他們經常會遇到降雨被淋濕，或者掉到水坑里面的情況，飽受寒冰之苦。

　　每逢夏天，實驗人員長期野外穿行在大興安嶺林區(qū)和草叢中，面臨被有毒蜱蟲咬傷的風險。蜱蟲殺傷力巨大，咬傷后嚴重者會引發(fā)腦炎。“每年都有幾個人因蜱蟲而走進重癥監(jiān)護室，甚至有人為此丟掉了性命。”

　　即便如此，團隊仍身體力行地守護著這條能源的“血脈”。如今，他們將目光投向了北極和亞北極地區(qū)的多年凍土區(qū)管道工程建設，如西伯利亞油氣管道和阿拉斯加天然氣管道等。

　　下一步，他們將依托凍土工程國家重點實驗室和大興安嶺凍土工程與環(huán)境觀測試驗研究站，針對多年凍土區(qū)管道工程建設和環(huán)境問題進行深入系統(tǒng)研究，為國家能源建設服務。（■本報見習記者 程唯珈）