季节冻土区埋地管道水温的变化规律及其影响因素分析.pdf

第３６卷第４期冰川冻土Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．４
２０１４年８月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＧＬＡＣＩＯＬＯＧＹＡＮＤＧＥＯＣＲＹＯＬＯＧＹＡｕｇ．，２０１４

ｄｏｉ：１０．７５２２／ｊ．ｉｓｓｎ．１００００２４０．２０１４．０１００
ＣｈｅｎＪｉ，ＬｉＫｕｎ，ＳｈｅｎｇＹｕ，ｅｔａｌ．Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｉｔｈｉｎｔｈｅｐｉｐｅｂｕｒｉｅｄｉｎｓｅａｓｏｎａｌｌｙｆｒｏｚｅｎｇｒｏｕｎｄａｒｅａｓ
［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｌａｃｉｏｌｏｇｙａｎｄＧｅｏｃｒｙｏｌｏｇｙ，２０１４，３６（４）：８３６－８４４．［陈继，李昆，盛煜，等．季节冻土区埋地管道水温的变化规律及其影响
因素分析［Ｊ］．冰川冻土，２０１４，３６（４）：８３６－８４４．］

季节冻土区埋地管道水温的变化规律
及其影响因素分析

陈继１，李昆２，盛煜１，冯子亮１
（１．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州７３００００；
２．中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川成都６１００４１）

摘要：埋地管道是减少寒冷地区冬季冻害的常用铺设方式，深入认识埋地管道的水温变化规律可以
为减小管道埋设深度、降低管道冻害提供理论依据，对当前季节冻土区农牧民集中式供水工程的推进
具有指导意义．采用仿三维数值方法建立了管道水温的计算模型，讨论了含水量、地表温度、管道埋深
等６个主要因素对埋地管道最不利水温的影响．分析结果表明，无论上述因素如何变化，管道最不利
水温均随输送距离的增加而下降．首先，随着含水量的增加、地表温度的升高以及管道埋深的加深，管
道的降温速率不断减小并具有先快后慢的特点；其次，随着管径的减小、流速的降低，管道降温速率增
大，且降温速率和流速之间具有近似的倒数关系．另外，随着入口温度的升高，管道降温速率将呈指数
形式不断增加．
关键词：季节冻土区；埋地管道；最不利水温；降温速率；仿三维数值方法
中图分类号：ＴＵ９９０．３文献标识码：Ａ文章编号：１００００２４０（２０１４）０４０８３６０９

设于地面以上的管道不同，当管道埋设在季节冻土
０引言
层内，管道不仅仅面临着冻结堵管现象，管底土体
我国有超过二分之一的陆地位于季节冻土的不均匀冻胀将导致管道的不均匀竖向变形，小的
区［１－３］，生活在季节冻土区的人口超过４．２×１０８，变形可能导致管道的弯曲，严重的冻胀则可能导致
其中，农牧区人口又占到约３×１０８．相对于人口密隆起甚至管道的断裂，例如加拿大的Ｎｏｒｍａｎ
集的城市，广大农村的给水事业发展缓慢，目前正Ｗｅｌｌｓ、Ｃａｎｏｌ和我国的格拉输油管道都曾经发生
处于从分散式供水向集中式供水过渡的阶段，供水过此类病害［５－１０］．
水质、供水水量和安全饮用水的要求相比还有很大季节冻土区的冻堵和冻胀变形是管道设计、施
差距．为了改善农村的供水状况，我国当前正在大工人员要经常遇到的棘手问题之一．目前，输水管
力推进农牧区管道饮水工程的实施［４］．网采用的防冻方法有自来水绝热防冻法、供热系统
季节冻土区的农牧民输水工程一般分布在地域供回水伴暖防冻法、电热器伴暖防冻、深埋法、混
辽阔、人口密度小、居民分散的地区，具有供水距合防冻法［１１］等．自来水绝热防冻法是利用地下水
离远、供水总量小等特点，同时还要受到冬季寒冷温较高和管道保温的方法来防冻，但是该方法的缺
天气的不利影响．低温天气对输水管道一般有两个点是在管道存水期间易于冻堵，农牧区夜晚用水较
不良影响，一是管道容易出现冻堵和冻裂现象；二少，该方法并不适用．农牧区供暖一般采取分户独
是周围土体冻胀可能导致管道弯曲甚至破裂．与敷立供暖，没有大片的供暖管网，利用供暖系统供

收稿日期：２０１４０３０６；修订日期：２０１４０６０２
基金项目：国家自然科学基金项目（４１１０１０６５）资助
作者简介：陈继（１９７７－），男，河南永城人，副研究员，２００７年在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所获博士学位，现主要从事冻土
工程与环境方面的研究工作．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]

书
４期陈继等：季节冻土区埋地管道水温的变化规律及其影响因素分析８３７
回水的方案也不可行；电热器伴暖防冻虽然具有商可能性较大；当管道埋设于冰冻线以下，管道水温
品化程度高、布线灵活、安全可靠、施工快捷等优一般不会低于０℃．
点，但是该方案的运行费较高，不适宜农牧区使除了上述两个主要因素之外，影响季节冻土区
用．除了上述防冻措施之外，排空法也曾经在体育管道水温的因素还有地下水、地势、地面覆盖状
场馆被使用过［１２］．对于地处东北的体育场馆而言，况、管材等．地下水位高于最大冻深并且有地下水
冬季的使用频率较低，排空法可以有