青海省季节性冻土分布特征及在防雷接地工作中的应用

陶世银， 龚梅竹， 贺敬安， 胡亚男， 张继红

(1.青海省气象灾害防御技术中心，西宁810001； 2.青海省气候中心，西宁 810001；3.青海省气象服务中心，西宁 810001)

引 言

冻土一般是指温度在0 ℃或0 ℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。按土的冻结状态保持时间，冻土一般分为短时冻土、季节性冻土及多年冻土三种类型[1]。我国冻土分布广泛，多年冻土区的面积大于全国土地面积的1/5，季节性冻土则遍布我国大部地区。季节性冻土主要分布在贺兰山至哀牢山一线以西广大地区，以及此线以东、秦岭至淮河线以北地区[1-2]。 地表浅层的季节冻融及其时空差异对道路桥梁工程、铁路工程、电力输送、输油管道、通信工程等的力学特性、工程结构、接地特性等均会产生不可忽视的影响[3-9]。近年来，对于全面统计和研究青海省季节性冻土时空分布特征，以及其在防雷接地工程的设计和检测工作中应用的研究较为少见。因此，进一步梳理和了解青海高原季节性冻土在近41年来因气候变化而产生的最新时空分布特征及最大冻土深度、5 cm及10 cm冻土深度的出现时间变化情况，对于全面了解和把握青海高原季节性冻土的时空分布特征、促进其在防雷接地工程设计和检测等安全管理工作中的应用具有一定的指导意义。

季节性冻土对防雷安全接地的主要影响机理是冻土深度和融冻时间的变化，影响防雷接地装置敷设地的土壤电阻率，从而对防雷接地装置的接地电阻产生重大影响。有研究表明，季节性冻土所在地的气温、积雪、植被、地形、水文条件等局地因素对其融冻过程有着重要影响[10-17]。有研究指出[18-22]，极地和亚极地高纬冻土、青藏高原高海拔冻土活动层冻融过程与气温、冻土厚度、地温梯度等相关显著，且冻土深度、融冻时间与冻土所在地的经纬度、海拔高度等地理位置有着直接关系。

国内有关学者对我国典型冻土分布区青藏高原及东北地区的季节性冻土分布特征、冻土与气象要素的关系及主要影响要素等进行了相关研究。赵全宁等[23]研究了1980-2017年青海省玉树地区季节性冻土变化对气候变暖的响应，发现温度变化对局地季节性冻土具有一定的影响，平均地温对冻土的影响最为直接。高峰等[24]对黑龙江省1960-2010年83个气象站的冻土和0 cm地温资料进行了研究，发现冻土深度随着纬度的增加而增加，冻结开始时间逐渐提前，融化结束时间逐渐推迟。李林等[15]研究发现，最大冻土深度变化的原因较为复杂，不仅与海拔有关，还与地形条件、植被状况、水体及土壤本身的岩性、含水量、含盐量和地下水位等有关。有研究指出，冻土的形成和发展与年平均气温、降水量具有很好的相关性，而年平均气温、降水量的分布明显受到纬度、经度、海拔高度的影响[1]。

由于冻土对外界环境非常敏感，因此会对各类工程的防雷接地特性产生重要影响。在工程建设过程中，准确估算工程所在地的最大冻土深度，对于有效开展接地工程设计和施工，准确开展接地工程检测维护，提高工程效率，节约工程成本具有重要意义。冻土对工程接地性能的影响主要体现在土壤电阻率的变化方面，从而导致接地性能和接地电阻稳定性的降低。国内外学者针对冻土对接地装置性能的影响，也开展了相关研究工作。郭在华等[25]开展了单根垂直接地极在均匀土壤冰冻前后工频接地电阻值的变化研究，并得出了冻土会影响防雷接地检测的误差和接地效果的结论。钟山等[26]研究了冻土区模型构建深度对地网接地电阻计算误差的影响,并提出了构建模型所需的合理测量范围及深度。封琼等[27]就温度对土壤电阻率的影响进行了研究，明确提出了土壤电阻率的影响因素有含水量、含盐量、孔隙率、温度、土壤pH值及盐分类型等，并指出上述因素会对接地装置的杂散电流腐蚀程度产生一定的影响。罗琛等[28]在四川理塘县实地测量和反演发现，随着土壤深度的不同，其温度随着深度的增加逐渐变化，不同温度下的土壤电阻率变异较大，尤其是季节性冻土存在与否、存在程度大小均会对土壤电阻率有很大影响。通过模拟水平双层土壤(上层为冻土层，下层为未冻土层)电阻率变化情况发现，当冻土冻结深度小于地网埋设深度时，跨步电压与接触电压受到下层土壤电阻率的影响，接地系统较为安全，冻土冻结深度超过地网埋设深度后接触电压与跨步电压急剧上升[29]。在我国现行接地工程相关标准和规范中，也有接地装置及相关设施敷设在冻土层以下的明确要求[30-32]。

为进一步全面梳理青海高原地区季节性冻土在近41年的时空分布特征，统计拟合出青海省季节性最大冻土深度与海拔、经纬度的关系模型，进一步为青海省内的防雷接地装置设计、施工和检测维护提供技术支撑。本文利用青海省1980-2020年47个气象台站观测的季节性冻土资料、气象台站经度、纬度和海拔高度资料，分析最大冻土深度与经度、纬度和海拔高度之间的关系，旨在为季节性冻土区防雷接地工程设计、施工和检查维护提供便捷可靠的最大冻土深度估算模型；确定省内各地防雷装置检测的平均初终日期、最早和最晚初终期，为防雷安全检测和管理提供技术参考。

1 资料来源

选取青海省1980-2020年47个气象台站的地表温度、平均气温、季节性冻土深度(以下简称冻土)观测数据、经纬度和海拔高度数据作为主要研究资料。该资料由青海省气象信息中心提供。另外，根据Zou等的研究[33]，青海省祁连山地区、西南的唐古拉及中部部分地区属高海拔永久冻土区(或岛状融区)，大部分地区无季节性冻土观测资料(图1)。冻土观测站中的野牛沟、祁连、玛沁、玛多、杂多各站均在冻土岛状融区内。

图1 青海省冻土观测气象站分布图

2 研究方法

2.1 资料订正与补缺方法

根据相关研究，资料订正一般采用逐步多元线性回归法、 一元线性回归法、差值法、标准正太检验SHNT方法[34]。 根据青海省独特的高原地理环境和气象站点布局稀疏的现状，本文按照标准正太检验SHNT方法对缺测的最大冻土深度资料进行订正。同时，考虑到省内地理和气候环境差异，将青海省全境按照生态功能区的划分方法划分为青南地区、环青海湖地区、东部农业区、柴达木盆地和祁连山地区[35](图2)。其中，东部农业区包括西宁、平安、互助、化隆、乐都、民和、湟中、贵德、尖扎、循化、同仁、湟源、大通 13个县区，青南地区包括治多、杂多、玉树、囊谦、曲麻莱、称多、玛多、达日、玛沁、甘德、久治、班玛、兴海、泽库、河南、同德和贵南17个县，环青海湖地区包括共和、海晏和刚察3个县，柴达木盆地包括德令哈、乌兰、都兰、大柴旦、格尔木、冷湖和茫崖共7个县区(含小灶火、诺木洪、茶卡气象站)，祁连山地区包括天峻、祁连及门源3个县(含野牛沟气象站)。

图2 青海省生态功能区划分图

2.2 分析方法

采用气候距平法、多元线性回归等方法来讨论青海省最大冻土深度的时空分布特征。统计分析最大冻土深度与经度、纬度和海拔高度的相关性，运用 SPSS 多元线性回归的逐步回归方法拟合最大冻土深度与经度、纬度和海拔高度之间的关系模型[36]。

3 结果与讨论

3.1 年均最大冻土深度时间分布特征

3.1.1 年均最大冻土深度的年度特征

1980-2020年青海省内47个气象站观测的冻土平均最大深度总体上呈现出逐年减小的趋势(图3)。平均最大冻土深度的气候变化倾向率为-4.83 cm·(10a)-1(R2=0.38，p=0.008)。平均最大冻土深度的气候变化倾向率整体上呈现出负增长的特征，这与李林[15]、赵全宁[23]等的研究结论基本一致。这一趋势可能与气候变暖和人类活动有关[3-9]。

对最大冻土数据分别按年度进行统计发现，省内玛多、称多、玉树、天峻、祁连北部区域的最大冻土深度呈现出逐年增加趋势，东部的湟水河谷地(西宁、大通、平安、互助、民和、乐都)和柴达木盆地西部(格尔木、小灶火、冷湖)年最大冻土深度呈现出增加的趋势，其余地区均呈现出减小的趋势。

图3 1980-2020年青海省年均最大冻土深度气候倾向率变化图

3.1.2 年均最大冻土深度距平分析

1980-2020年，各气象站观测的平均最大冻土深度为124.5 cm，累积距平为-2.0 cm(图4)。位于柴达木盆地的茫崖、冷湖、大柴旦和德令哈等地，青南的玛多、称多、治多和杂多等地，祁连山南部的天峻、祁连和海晏等地的最大冻土深度均呈现正距平。地处河湟谷地的大通、湟中、湟源、民和、平安、乐都 、化隆、循化、互助等地，青南的班玛、久治、河南等地的最大冻土深度均呈现不同程度的负距平。最大正距平出现在野牛沟，其值为131.4 cm;最大负距平出现在循化，其值为76.5 cm。

图4 1980-2020年青海省年均最大冻土深度距平柱状图

3.1.3 最大冻土深度逐月分布特征

月均最大冻土深度呈现出单峰单谷的分布特征(图5)。月均最大冻土深度出现在2月份，其值为124.9 cm；最小冻土深度出现在9月份，其值为1.1 cm。全省月平均冻土深度为52.6 cm。其中，青南地区和祁连山地区的部分气象站因海拔高和平均气温低，在夏季和秋季各月仍有冻土存在。此外，因青海省高原地理地质复杂，各地区的月冻土分布呈现出不同的月度分布特征。

图5 青海省月均最大冻土深度分布图

青海省的青南地区、环青海湖地区、东部农业区、柴达木盆地和祁连山地区5个功能区的月均最大冻土深度总体上呈现出单峰单谷的分布特征，但是各功能区的分布特征略有不同(图6)。东部农业区月均最大深度为80.26 cm(2月)，最小深度为0 cm(6-8月)；环青海湖地区月均最大深度为148.00 cm(2月)，最小冻土深度为0 cm(6-8月)；青南地区月均最大深度为143.92 cm(3月)，最小冻土深度为1.89 cm(9月)；柴达木盆地月均最大深度为123.52 cm(2月)，最小冻土深度为0 cm(7月)；祁连山地区月均最大深度为190.77 cm(3月)，最小冻土深度为2.82 cm(9月)。

图6 青海省5个功能区的月均最大冻土观测气象站分布图

3.2 年均最大冻土深度空间分布特征

3.2.1 全省冻土总体空间分布

省内年均最大冻土深度在48.0～255.9cm。其中，最小值出现在循化县，最大值出现在野牛沟。从各站年均最大冻土深度分布图可以看出(图7a)，年均最大冻土深度较小的地区分别是东部农业区和柴达木盆地，年均最大冻土深度在48.0～120.0 cm，其余地区的年均最大冻土深度均在120.0～255.9 cm。全省历史最大冻土深度在73.0～301.0 cm，最小值出现在循化县，最大值出现在野牛沟，历史最大冻土深度平均值为174.6 cm(图7b)。祁连山南麓和青南地区的年均最大冻土深度呈现出随海拔高度的增加而增加的分布趋势。

图7 1980-2020年青海省年均最大冻土深度(a)和历史最大冻土深度(b)分布图

3.2.2 各地区冻土空间分布特征

5个生态功能区中年均最大冻土深度由高到低依次为祁连山地区、环青海湖地区、青南地区、柴达木盆地和东部农业区，年均最大冻土深度分别达190.3 cm、151.4 cm、144.5 cm、123.4 cm和82.4 cm；最小冻土深度分别为79 cm、87 cm、39 cm、51 cm和35 cm；最大冻土深度分别为301 cm、288 cm、283 cm、233 cm和150 cm。

3.3 温度时空分布特征

1980-2020年青海省平均气温为2.5 ℃，呈显著升高趋势(通过0.05显著性检验)，增幅达0.5 ℃·(10a)-1，进入21世纪后升温尤为明显(图8a)。从气温逐月变化情况来看，4-10月平均气温偏高，6-8月平均气温均达到11 ℃以上，1-3月、11-12月气温偏低，1月、12月平均气温均在-10 ℃左右(图8b)。从空间分布来看，青海省平均气温整体呈东部、北部高，南部偏低，其中东部农业区平均气温在6 ℃以上，而南部三江源地区平均气温在0 ℃以下，称多及可可西里地区为平均气温最低的区域，平均在-2 ℃以下(图8c)。

图8 1980-2020年青海省年平均(a)和月平均(b)气温统计及平均气温空间分布(c)

通过对比分析图1和图8(c)发现，青海省常年冻土区的分布与气温空间分布图(图8c)有着很好的对应关系，这与有关学者的研究结果一致[10-17]。同时，平均气温的空间分布区域也与生态功能区划分区域基本一致。年均冻土分布(图3)与气温分布(图8a)、月均冻土分布(图5)与气温分布(图8b)基本呈现出反向关系，且年均冻土变化率绝对值(0.48 cm·(10a)-1)与气温变化率绝对值(0.5 ℃·(10a)-1)基本一致，但冻土最小值出现月份较气温最大值出现月份略有滞后。

4 冻土资料在防雷接地工程及维护中的应用

4.1 冻土深度对土壤电阻率的影响

根据有关专家研究[25-29]，季节性冻土的土壤电阻率会随着土壤冻结出现变化和波动。结合对青海省祁连、德令哈、玉树和花土沟民用机场所在地冻土深度对土壤电阻率变化的影响研究相关测试资料，分析了冻土深度对土壤电阻率的影响。结果发现,土壤电阻率在冬春季对冻土深度较为敏感(图9)，随着冻土深度的增加，其土壤电阻率也呈现出增加的趋势。土壤电阻率除了与冻土深度有关系外，还与土壤结构、土壤含水量等有一定关系。

图9 土壤电阻率随冻土深度的变化曲线

4.2 季节性冻土深度与地理位置参数的相关关系

根据经纬度和海拔对季节性冻土的影响，利用多元回归方法进行模型拟合，得出季节性(平均、历史)最大冻土深度与经度、纬度、海拔高度的多元线性模型：

y=Ah+Bw+Cj+D

(1)

其中，y为最大冻土深度(cm)，h为海拔高度(km)，w为纬度(°)，j为经度(°)，海拔高度h∈[1.81，4.41]，纬度w∈[32.12，38.47]，经度j∈[90.44，102.51]。A、B、C分别为模型系数，D为模型常数。平均最大冻土深度计算模型中，模型系数和常数分别为85.2、24.2、3.22和-1322.18，对应的复相关系数R=0.878,决定系数R2=0.771，F=48.302，p=0.02<0.05；历史最大冻土深度计算模型中，模型系数和常数分别为104.0、25.63、3.30和-1391.27，对应的复相关系数R=0.855,决定系数R2=0.731，F=38.04，p<<0.05。

青海省内处于季节性冻土区的防雷接地工程在设计和施工时，可利用(平均、历史)最大冻土深度估算模型(式1)、工程所在地经纬度和海拔高度对防雷接地装置埋设深度进行精细化估算，同时为了使接地体的埋设深度符合规范要求，确保接地性能，应将防雷接地装置埋设在两模型确定的最大值以下，尤其是对于远离冻土气象观测站的地区，最大冻土深度估算模型对于接地工程的安全和可靠运行具有一定的指导和参考意义。

4.3 不同深度冻土出现时间在防雷接地装置检测维护中的应用

为进一步减小不同最大冻土深度对接地网检测和维护工作的影响，避免因冻土深度过大给接地装置检测造成数据失真、辅助测试桩布设困难等不利因素，统计分析了青海省各地最大冻土深度不大于5 cm和10 cm的年均初终日特征，为防雷接地装置检测工作的仪器选择、时间安排、工作方案制订等提供参考，确保接地装置检测数据客观准确。

全省各气象站平均最大深度不大于5 cm的冻土平均终日在2月11日至7月10日(图10)，最早出现在循化县，最晚出现在祁连县的野牛沟气象站；平均最大深度不大于5 cm的冻土平均终日在10月16日至12月2日(图11)，最早出现在祁连县的野牛沟气象站，最晚出现在循化县。

图10 最大深度不大于5 cm的冻土终日柱状图

图11 最大深度不大于5 cm的冻土初日柱状图

全省各气象站年均最大深度不大于10 cm的冻土平均终日在2月8日至7月10日(图12)，最早出现在循化县，最晚出现在祁连县的野牛沟；平均最大深度不超过10 cm的冻土平均初日在10月20日至12月7日(图13)，最早出现在祁连县的野牛沟，最晚出现在循化县。

图12 最大深度不大于10 cm的冻土终日柱状图

图13 最大深度不大于10 cm的冻土初日柱状图

在防雷接地装置性能检测时，不同地区的检测维护时间可参考图9-12给出的冻土终日至初日的时间段进行检测维护，以便更客观、准确地了解接地装置的各项性能参数，确保接地装置性能指标检测的规范和科学。对于利用常规小型接地装置检测设备进行检测维护的一般接地装置的检测及维护，可在图10-11中给出的最大深度5 cm的冻土平均终日至初日的时间范围内进行；对于利用大型接地装置检测设备进行大地网性能检测时，可在图12-13中给出的最大深度10 cm的冻土平均终日至初日的时间范围内进行。具体防雷接地装置检测流程参考图14。

图14 防雷接地装置性能检测流程图

5 结 论

(1)1980-2020年，青海省的年均最大冻土深度与年度呈现负相关关系，10年气候倾向率为-4.83 cm，造成这一变化的主要原因可能是气候变化导致的全省气温升高。

(2)1980-2020年，青海省内各气象站观测的平均最大冻土深度为124.5 cm，累积距平为-2.0 cm。此外，青海西南部地区季节性冻土的气象观测站分布少，对全面统计分析青海高原的季节性冻土时空分布特征产生了一定影响。

(3)青海省最大冻土深度的逐月分布呈现出单峰单谷的特征。月均最大冻土深度出现在2月份，其值为124.9 cm；最小冻土深度出现在9月份，其值为1.1 cm。

(4)全省各气象站最大深度不大于5 cm的冻土平均终日在2月11日至7月10日，平均初日在10月16日至12月2日； 最大深度不超过10 cm的冻土平均终日在2月8日至7月10日，平均初日在10月20日至12月7日。一般小型接地网和大型接地网的防雷检测和维护时间建议分别在最大深度不大于5 cm和10 cm的冻土平均终日至初日期间进行，以确保检测数据的准确性。

(5)季节性冻土区的土壤电阻率随着冻土深度的增加呈现出增加趋势，各地土壤电阻率的具体变化情况除了与冻土深度有关外，还与土壤结构、土壤含水量等有关。

(6)平均和历史最大冻土深度与气象站经纬度和海拔高度具有较好的相关性，拟合模型可用于各类接地装置的前期设计、检测维护和效能评估等相关工作。但是，在使用过程中应特别注意该模型只适用于季节性冻土区和部分大片连续及岛状融区，对于属于常年冻土地区的接地网的设计、施工及检测维护应根据有关标准和要求进行。