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1、书书书 ：，（）：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 冰川冻土，（）：季节冻土区埋地管道水温的变化规律及其影响因素分析收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）资助作者简介：陈继（），男，河南永城人，副研究员，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 ：陈继，李昆，盛煜，冯子亮（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 ；中国科学院 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 ）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
2、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 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
3、法中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言我国有超过二分之一的陆地位于季节冻土区 ，生活在季节冻土区的人口超过 ，其中，农牧区人口又占到约 相对于人口密集的城市，广大农村的给水事业发展缓慢，目前正处于从分散式供水向集中式供水过渡的阶段，供水水质、供水水量和安全饮用水的要求相比还有很大差距为了改善农村的供水状况，我国当前正在大力推进农牧区管道饮水工程的实施 季节冻土区的农牧民输水工程一般分布在地域辽阔、人口密度小、居民分散的地区，具有供水距离远、供水总量小等特点，同时还要受到冬季寒冷天气的不利影响低温天气对输水管道一般有两个不良影响，一是管道容易出现冻堵和冻裂现象；二是周围土体冻胀可能导致管道
4、弯曲甚至破裂与敷设于地面以上的管道不同，当管道埋设在季节冻土层内，管道不仅仅面临着冻结堵管现象，管底土体的不均匀冻胀将导致管道的不均匀竖向变形，小的变形可能导致管道的弯曲，严重的冻胀则可能导致隆起甚至管道的断裂，例如 加 拿 大 的 、和我国的格 拉输油管道都曾经发生过此类病害 季节冻土区的冻堵和冻胀变形是管道设计、施工人员要经常遇到的棘手问题之一目前，输水管网采用的防冻方法有自来水绝热防冻法、供热系统供 回水伴暖防冻法、电热器伴暖防冻、深埋法、混合防冻法 等自来水绝热防冻法是利用地下水温较高和管道保温的方法来防冻，但是该方法的缺点是在管道存水期间易于冻堵，农牧区夜晚用水较少，该方法并不适用农
5、牧区供暖一般采取分户独立供暖，没有大片的供暖管网，利用供暖系统供第 卷 第 期 年 月冰川冻土 ，回水的方案也不可行；电热器伴暖防冻虽然具有商品化程度高、布线灵活、安全可靠、施工快捷等优点，但是该方案的运行费较高，不适宜农牧区使用除了上述防冻措施之外，排空法也曾经在体育场馆被使用过 对于地处东北的体育场馆而言，冬季的使用频率较低，排空法可以有效节约运行经费对于地处季节冻土区的管道而言，尽管输水总量一般较小，但是天天都处于运行中，加上管网分散，管道排空方法浪费严重，同时由于管道随地形布设、高差变化较大也不易做到彻底排空，仍然有发生冻害的可能在人口分散的农牧区或人口较少的城镇，季节冻土区的供水管道
6、一般埋设在地下为了防止管道的冻结，常常在管道周围增设保温层 或者采用加大埋深的方法根据规范的要求，季节冻土区的管道埋深应根据冰冻情况来确定 在以往的给排水设计中，供水管道的管顶埋深一般不小于最大季节冻结深度管道加设保温层或者增大埋深固然可以减少或者杜绝冻害的发生，同时也意味着投资的增加、工期的延长以及后期维护的不便 按照目前我国农牧区输水管网的建设规划，基本上建议全部采用裸管埋设的方案在避免冻害的前提下如何减小埋深来降低工程造价是季节冻土区管道工程中目前需要解决的一个重要问题，该问题的解决对于农牧区管道饮水工程的推进具有积极的实践意义要合理减小管道的埋设深度，就必须要了解管道运行过程中水温的变
7、化规律、影响水温变化的主要因素及其影响规律根据以往的工程经验，影响给水管道水温的主要因素包括冻土深度、管道特征及管道埋深等 冻结深度与当地的气候、地理、地质条件密切相关 ，是影响管道水温变化最主要的因素；其次是管道特征，包括管道在管网中的作用、管道的直径、长度、水的流速及流量等在给水管道系统中，有输水干管和配水管网之分，在管网中又有配水干管、配水支干管、配水支管以及入户支管等由于给水管道在给水系统中的作用不同，管道的直径、流量、流速、用水特点又有很大差别配水干管停水几率小，同时流量、流速也很大，管道不易冻结，可以埋设在冻土层内入户支管的工作条件与干管相反，经常处于停水状态，且流量较小，一般不宜
8、埋设在冻土层内但是在准确了解冰冻规律的前提下，也可以适当减小支管的埋设深度埋深对管道水温的影响也极为显著，当管道埋设在季节冻土层内，管道发生冻结的可能性较大；当管道埋设于冰冻线以下，管道水温一般不会低于 除了上述两个主要因素之外，影响季节冻土区管道水温的因素还有地下水、地势、地面覆盖状况、管材等地下水位高于最大冻深并且有地下水流时，那么该处的最大冻结深度将显著减小；地势较高的背阴处、迎风处，冻结深度较大；植被、积雪较厚的地区，冻深偏小上述因素可能仅在局部地区发挥作用，但是其影响程度不容忽视在设计、施工过程中正确对待这些因素的影响，既可以有效降低管道冻结病害发生的可能性，又可以最大程度的减小管道
9、的埋设深度为了探讨影响管道温度变化的一般规律，我们仅从气候、土质和管道特征等几个主要影响因素方面来分析埋地管道的水温变化规律 研究方法作为线性工程，管道和路基与周围土壤的换热过程存在显著不同对于普通路基而言，路基的温度场模拟可以简化为二维问题，但是管道内的流体温度随着输送距离的增加而变化，管道与其周围土的换热过程必须用三维方式来表达根据管道的工程特点，管道对径向土体的影响范围在数米至数十米尺度，而在沿管道轴线方向上，其影响范围涉及整个管长，可以达到数千米至数十千米长度如果建立三维计算模型来分析管道的温度场，不仅在几何形状上不协调，而且在数学计算上单元划分多、计算量大，难以满足多因素分析的计算需
10、求当前，对管道内温度场变化规律的分析一般采用解析方法祁荣富 引入了停水一日结冰百分率的概念，在假定水温等于、管道全程与土壤的热交换是均匀的条件下，给出了一个包含日结冰率、管道长度以及管内流速三个参数的水温变化计算公式该公式看似简单明了，但在实际使用过程中存在很大困难，公式中的结冰率比较难以求得该参数的获取需要获得 个经验值、当地的地温时间变化曲线以及管道直径，对于一个开展工作较多的区域而言，日结冰率参数或许可以得到，在很多工作基础薄弱的地区，由于缺乏地温、气温监测资料以及季节冻结层的岩性参数，短时间内几乎没有可能求得上述参数相对于输水管道，目前已经开展了大量关于输油管道温度变化规律的研究苏霍夫
11、公式是表达管道油温轴向变化规律的经典公式，该式考虑了管道期陈继等：季节冻土区埋地管道水温的变化规律及其影响因素分析图 管道水温变化的仿三维计算方法示意图 起点油温、管道直径、管内流速、管道周边的土壤温度以及管道壁的放热系数事实上，原油的比热容是随温度而变化的，肖北梅等 、王海琴 根据含蜡原油在三个不同温度区域的比热容 温度关系式，从能量平衡方程出发，在苏霍夫公式的基础上推导出了含蜡原油热输管道沿程温度分布的计算公式与苏霍夫温降公式相比，可以得到更为准确的总传热系数和管道沿程温度采用该公式进行管道设计，可延长加热站的站间距离，降低出口温度，并可进一步减小管道的最低输送量在实际的输水管道工程中，管
12、道所穿过区域的土质条件、地表条件差异较大，管道周边的温度条件随着位置和时间而变化，这些差异导致管道与周围土壤的热交换强度不同但是上述方法并没有充分考虑管道周边土壤温度的变化，而是作为定值处理根据管道沿线土层分布、水文等工程地质条件的差异，本文采用仿三维方法计算管道轴线方向的温度分布首先，将埋地输水管道沿轴线方向划分为多个计算断面，假设相邻断面之间同一时刻输水管与周围土体之间的热交换强度是相同的，从而可以通过使用二维热传导方程计算每个横断面的管土热交换，进而得到管 土之间的热流密度除了上述假设以外，对二维的管 土热交换还给予如下假定：管道内的水温在同一断面是不变的，管道外壁的温度与水温相同根据能
13、量守恒原理，管道水温的变化实际上就可以通过计算相邻断面管土之间的热交换量来得到以第 断面作为初始断面为例，该断面的水温为，第 断面到第 断面的水温变幅为 ，因此可以得到第 断面的温度 ，即：（）式中：为第 断面的水温（）；为第 断面的水温（）；为第 断面管 土之间的热流密度（），管道吸热为正，放热为负；为管内水流从第 断面流到第 断面所需要的时间（）；为管道半径（）；、分别为水的密度（）和比热（）该方法一方面可以通过调整划分断面的位置来充分考虑土质和土壤温度变化的影响，从而较为准确的得到管道水温的沿程分布；另一方面，把二维的数值模拟计算和解析计算综合到一起，在避免复杂三维计算的基础上，实现了对
14、管道水温及管道周围土壤温度的三维非稳态模拟图 为该仿三维分析方法的计算示意图与以往的纯粹解析方法相比，该方法综合考虑了管道尺寸、管内流速、管道埋深、入口水温、地表温度及管道周边土壤的物理性质，不但可以做短时间的管道水温变化分析，也可以完成一个年度甚至几个年度的管道水温变化规律预测，同时也可以实现静止和不同流速条件下的管道水温模拟 计算参数说明为了得到水温的变化规律及不同因素对水温的影响，本文简化了断面的划分方式、管道周边的土质以及沿线的气候条件计算断面采用 的等间距划分方法，入口断面的几何计算模型如图 所示模型计算宽度取（对称半幅），计算深度取，地表以下的土质分为两种，表层和下层分别是 厚和
15、厚的粉质黏土模型的上边界和管道周边为第一类边界条件，分别为地表温度和管道内的水温，左右边界和下边界为第二类边界条件，其中左右边界的热流密度为零，是绝热边界；下边界根据 稳定地热梯度，下边界热冰川冻土 卷图 入口断面的几何计算模型 流密度为 在对各影响因素分析的过程中，仅做单因子分析，为避免在每一次分析过程中对所有参数都要做详细说明，现对各因素的参数做出如下一般规定：年平均地表温度；地表年温度波幅；地表温度的波动方程为 ()；管道埋深 ；管道直径 ；水流速度 ；管道入水口温度为 上下两层粉质黏土的含水量均为 ；粉质黏土的干容重为 ；粉质黏土冻结态的比热容 ；融化态的比热容 ；粉质黏土冻结态的导热
16、系数 ；融化态的导热系数 土壤含水量是影响其热物理性质的一个主要因素，为了探讨表土含水量变化对管道热状况的影响，表 给出了粉质黏土在不同含水量、不同冻结条件下的导热系数和比热容，表 列出了不同含水量、不同温度条件下单位体积粉质黏土的焓值各计算断面的初始条件通过如下方法获取：首先，建立一个一维几何模型，边界条件和物理参数的选取方法同上，节点竖向的划分方法与上述几何模型的天然场地相同，模型中各节点的温度暂定为；其次，对该模型温度场随时间的变化进行计算，当该模型的温度场稳定之后，取对应日期上各节点的温度作为二维管道模型上相应节点的初始温度输水管道及其周边土壤温度场模拟的目的在于为减小管道的埋深提供理
17、论依据，因此，本文的表 不同含水量粉质黏土的比热容和导热系数 含水量 （）（）（）（）注：、分别为融土和冻土的比热容，、分别为融土和冻土的导热系数表 不同含水量粉质黏土的焓随温度的变化（单位：）（：）含水量 温度 重点是了解管道内最不利水温的变化规律文中，最不利温度是指管道内不同断面处一年中最低的水温不同断面的最不利水温计算采用通用有限元程序 中的温度场分析模块来完成，几何模型、边界条件、初始条件、物理参数等按照上述方法选取通过模拟发现，输水管道不同断面的最不利水温并不相同，但是各断面达到最不利水温的时间基本相同，且管道内的最不利水温在埋管后的第 年就已经稳定根据上述结论，下面的影响因素分析也
18、仅针对管道埋设后第 年模拟得到的最不利水温来完成期陈继等：季节冻土区埋地管道水温的变化规律及其影响因素分析 模拟结果及讨论根据上面的分析，下面依据数值试验的结果，从土壤含水量、地表温度、管道埋深、管径、流速、入口水温等 个角度来分析不同因素对管道最不利水温的影响 土壤含水量以往的研究表明，土壤含水量与土壤导热系数、热容、焓值具有密切关系，含水量的变化势必影响埋设管道的水温土壤含水量的变化主要需考虑两种情况，一是不同深度土壤含水率的差异，二是由于降雨、地表积水入渗引起的土壤含水率的上升 不论哪种形式的变化，都将影响管道内的水温表层土受季节变化的影响大，对输水管道水温的影响也最为显著，以表层土含水
19、量分别为 、和 为例，探讨土壤含水量变化对管道最不利水温的影响，计算结果见图 图 表土含水量对管道最不利水温的影响 图 表明，无论表土含水量如何变化，管道内的最不利水温均随输送距离的增加而不断下降，但是不同含水量对应的管道最不利水温下降速率不同 、含水量对应的水温下降速率分别为 、和 ，低含水量对应的最不利水温下降速率最快，高含水量对应的最不利水温下降速率最慢从含水量对降温速率的影响规律来看，土壤含水量较低时水温下降速率较快，从 含水量到 含 水 量，最 不 利 水 温 下 降 速 率 减 小 了 土壤含水量较高时水温下降速率较慢，从 含水量到 含水量，最不利水温下降速率仅减小了 在对输水管道
20、进行设计时，一定要充分了解表土含水量的空间分布规律及其随时间的变化规律，这样才能在避免冻害的基础上尽可能利用高含水量表土层对管道最不利水温的有利影响 地表温度地表温度是影响季节冻结深度和管内水温的直接因素，模拟计算需要的地表温度条件为 ()，式中：年平均地表温度 分别为、和 模拟结果表明，在季节冻土区，无论地表温度如何变化，管道最不利水温均随输送距离的增加而不断下降（图），、对应的下降速率分别为 、和 从水温下降速率和地表年平均温度的关系来看，降温速率随着地表年平均温度的升高不断下降但是，当地表年平均温度升高到一定值以后，此时管道的埋深已经大于最大冻结深度，管道的降温速率已经接近于零，输水管不
21、再面临冻结问题，无需再考虑降温速率对管道最不利水温的影响图 不同年平均地表温度对管道最不利水温的影响 图 管道埋深对管道沿线最不利水温的影响 冰川冻土 卷 管道埋深在冬季，浅层土壤温度较低，深层土壤温度较高，不同埋深的管道与周围土壤温差不同，管道的散热强度也不同现行规范规定，“管道埋深应根据土壤的冰冻情况、外部荷载、管材强度及与其他管道交叉因素来确定”图 给出了输水管道埋深分别为 、和 三种埋深条件下的管道最不利水温变化规律不同管道埋深对应的模拟结果表明，管道最不利水温在各种埋深下均随输送距离的增加而降低从水温下降速率和管道埋深的关系来看，降温速率随着埋设深度的增加而不断下降，、和 三种埋深对
22、应的下降速率分别为 、和 从降温速率的变化速率和管道埋深的关系来看，在管道埋深较小时，降温速率随埋深变化较快；当管道位于最大冻深线（）时，管道降温速率变化较小，但是已经接近于零，可以不用考虑输送距离对管道最不利水温的影响把管道埋设于最大季节冻深以下固然可以避免管道冻害的发生，但是这无疑增加了工程造价和施工时间从管道的实际使用情况来看，在很多条件下，管道的输水距离并不是都很长，有些管道的总长度可能仅有几公里从上面的分析结果可知，管道降温速率随着埋深的增加而减小对于较短的管道而言，即使将管道埋设于季节冻结层内，管道仍然具有安全运营的条件 管道直径从输运的介质来看，管径越大，单位长度管道的容积越大，
23、存储的水越多，由于水的热容和冻结潜热较高，有利于水管的防冻但是，就管道和周围土壤的接触面积而言，管径越大，散热的面积也越大，管道的散热速率也越快图 给出了输水管道直径为 、和 条件下的管道最不利水温变化规律不同管道直径对应的模拟结果表明，无论管道直径如何变化，管道最不利水温均随输水距离的增加不断下降从管径对水温下降速率的影响来看，当其他条件不变时，管径越小，管道内最不利水温的下降速率越快，、和 直径的管道对应的水温下降速率分别为 、和 当管径小于 时，降温速率随管径的增加快速下降；当管径超过 图 管道直径对最不利水温的影响 后，降温速率的下降趋势显著趋缓上述结果表明，大直径管道能有效降低最不利
24、水温的下降速率、增加输水的安全距离，但是如果管道半径选择过大，无疑将增大工程建设费用因此，在对管道直径进行设计选择时，应根据实际情况考虑各种因素的影响并做出综合评判，以求得最佳的输水管道设计半径 管内流速管道与周围土壤的热交换量不仅与二者的温差、热阻有关，同时还与热交换时间有关热交换时间越长，管道的散热量越大，水温的下降幅度也越大水、管道和周围土壤的热交换时间与流速密切相关，图 给出了流速为 、条件下的管道最不利水温变化规律对不同流速条件下管道水温的模拟结果表明，最不利水温随输水距离的增加而下降，但是随着流速的 增 加，管 道 水 温 的 下 降 速 率 不 断 减 小，、的流速对应的下降速率
25、分别为 、流速 和管道水温下降速图 不同流速对管道最不利水温的影响 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率 之间的关系可以用 来近似拟合，拟合表达式的相关系数超过 ，这表明流速和降温速率之间具有较好的倒数关系流速和降温速率的倒数关系表明，流速和管道的安全输送距离具有线性关系，这意味着可以通过提高流速的方法来显著增加管道的安全输水距离对于不间断运输的管道而言这无疑是一个增加运距的好方法，但是对于间断输水的管道而言，就必须在充分考虑停输影响的基础上来适当增加管道的流速同时，增加管内流速也需要更大功率的水泵，这势必要增加管道的日常运行费用 入口水温水温越高，单位质量水降低到 所
26、需要释放的能量越多对于输水管道而言，在其他条件相同的条件下，入口温度越高，降低到 所需要的放热时间越长但是，入口处的水温越高，管道与周围土壤的热交换越强烈，管道的输水距离并不会随着入口水温的升高呈线性增加图 给出了入口水温、条件下的最不利水温变化规律不同入口水温的模拟结果表明，管道最不利水温仍然随输水距离的增加而下降从水温下降速率和入口水温的关系来看，降温速率随着入口水温的增加而增大，、的入口水温对应的降温速率分别为 、和 入口水温 和最不利水温下降速率 之间的关系可以用 来近似拟合，拟合表达式的相关系数高达 ，入口水温和降温速率之间具有较好的指数关系可以推测，由于管道的降温速率随入口温度呈指
27、数增加，管道的最远输送距离将不会随温度的升高而显著增加图 入口温度对管道最不利水温的影响 结论（）采用仿三维有限元数值分析方法，探讨了土壤含水量、地表年平均温度、管道埋深、管径、流速以及入口水温对管道最不利水温的影响结果表明，无论改变上述哪个因素的影响，管道最不利水温均随输送距离的增加而下降（）就管道埋设环境和埋设深度而言，随着表土含水量的增加、地表温度的升高以及管道埋深的增加，管道最不利水温的下降速率不断减小并具有先快后慢的特点当表土含水量和地表温度升高到一定值以后，如果管道的埋深达到冰冻线，降温速率将接近于零；当管道埋深低于冰冻线以后，可以不用考虑季节冻土层对管道最不利水温的影响（）就管道
28、自身特征和入口水温而言，随管径的减小、流速的降低，管道降温速率增大根据对管内流速和降温速率的拟合，二者具有近似的倒数关系从最不利水温下降速率和入口水温的关系来看，降温速率随着入口水温的增加呈指数形式增大参考文献（）：，：，：周幼吾，邱国庆，郭东信，等中国冻土 北京：科学出版社，：，（）：杨建平，杨岁桥，李曼，等中国冻土对气候变化的脆弱性 冰川冻土，（）：，（）：王澄海，靳双龙，施红霞，等未来 中国地区冻土面积分布变化 冰川冻土，（）：，（）：孟树臣，洪源，曹德全我国农村给水发展和建议 中国水利，（）：，（）：，（）：金会军，喻文兵，陈友昌，等多年冻土区输油管道工程中的（差异性）融沉和冻胀问题
29、冰川冻土，（）：，（）：李均峰，吕洪庆，李著信国外多年冻土区管道建设的经验与启示 石油工程建设，（）：冰川冻土 卷 ，（）：杨涛，马贵阳，胡延成冻胀融沉对冻土区输油管道建设影响的研究 管道技术与设备，（）：，（）：郑晓明，王晓燕，阎杰输气管道冻胀原因分析与治理 油气储运，（）：，（）：胡宗柳，吴明，陈扬，等输油管道冻胀安全性研究现状与趋势 油气储运，（）：，（），（）：李国玉，金会军，盛煜，等中国 俄罗斯原油管道工程（漠河 大庆段）冻土工程地质考察与研究进展 冰川冻土，（）：，（）：李炎锋，贾衡，赵志强，等新型管道防冻方案的动态运行特性及节能研究 建筑热能通风空调，（）：，（）：安岩浅谈寒冷地
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31、利，吴涧，等全球变暖背景下新疆地区近 来最大冻土深度变化及其突变分析 冰川冻土，（）：，（）：张山清，普宗朝，李景林，等 年新疆季节性最大冻土深度对冬季负积温的响应 冰川冻土，（）：，（）：胡列群，武鹏飞，梁凤超，等新疆冬春季积雪及温度对冻土深度的影响分析 冰川冻土，（）：，（）：祁荣富季节性冻土敷设给水管道的研究与应用 给水排水，（）：，（）：肖北梅，潘永梅，陈炳峰不同介质温度条件下输油管道起点温度的计算 油气田地面工程，（）：，（）：王海琴含蜡原油热输管道沿程温降计算 油气储运，（）：，（）：张文轲，张劲军，宇波土壤含水率对埋地管道热力影响的数值模拟 油气田地面工程，（）：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 ，（，；，）：，：；冰川冻土 卷