气候变化对油气长输管道的影响分析

武斌 赵俊 康煜姝

（中国石油天然气股份有限公司规划总院）

气候变化是指由人类活动直接或间接地改变大气组成所导致的气候改变。近年来，由于温室气体的排放，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化，其影响主要有全球温度升高、冰川融化和海平面上升，以及极端天气事件发生的频率增高。

油气长输管道距离较长，服役时间长达30～50年，沿线经过各种地形地貌，穿越不同类型的气候区，因而，油气长输管道易受气候变化的影响。研究气候变化对油气长输管道的影响，对保障油气长输管道的安全运行，提高油气长输管道应对极端天气事件的防御能力具有重要意义。

1 中国过去100年的气候变化

1.1 气温的变化

在1914年至2013年的100年期间，中国平均变暖速率为 0.09℃/10a，其中 1956年至 2012年平均变暖速率为0.25℃/10a。

气温变化具有明显的季节性差异。1880年以来中国各季的气温均表现为上升趋势，不同季节的增温速率有较大差异，春季为0.88℃/100a，夏季0.44℃/100a，秋季0.86℃/100a，冬季1.52℃/100a。其中，增温速率最大的是冬季，最小的是夏季，两者相差近3.5倍。

气候变化区域差异也比较明显。近100年来中国绝大多数地区呈现增温趋势，增温最显著的区域主要在纬度较高的北方或高原地区，尤其是东北中北部、华北北部、西北大部及青藏高原地区，而中低纬度地区增温相对较缓。增温最小的区域主要分布在西南地区东部且局部地区存在降温，这种特点与全球变暖的地理分布特征基本一致。

1.2 降水的变化

1901年至 1960年，中国平均年降水量无显著的线性变化趋势。但是，1961年至 2013年，中国平均年雨日数呈显著减少趋势，每10年减少3.9天；而中国年暴雨日数呈显著增加趋势，平均每10年增加3.8%。未来在中国范围内，强降水事件将增多，但是，平均年降水量变化不大。

从中国降水量的空间变化来看，年降水量减少的区域呈东北—西南走向，依次是东北、华北、黄淮平原、华中和西南地区，而中国的华南、东南和长江下游地区，以及青藏高原、西北地区的降水量呈增加趋势。此外，中国夏季主雨带位置也出现明显的变化。20世纪80年代，长江流域多雨；20世纪90年代，雨带向南移动；2000年至2008年，雨带又北移到淮河；2009年以来，雨带进一步北移，淮河和华南进入少雨期。

1.3 极端天气事件

极端天气事件是指在特定的地区、特定的时间段内（一般为一年以内）气候系统出现的异常事件，其发生概率小于10%，具有灾害破坏性大、突发性强和难以预测等特点。

21世纪以来，伴随全球气候变暖，中国高温、强降水、干旱、台风等极端天气事件出现的频率和强度呈明显增加趋势。

极端高温事件增加。2000年至 2013年，中国平均每年有 105个县突破最高气温的历史极值，2013年中国南方出现了 1951年以来最强的高温热浪，有337个县的最高气温超过40℃，其中浙江北部连续8天最高气温超过40℃。

强降水事件增多。1961年以来，中国日降水量极值的出现次数呈增加趋势，2013年有77个气象观测站的日降水量突破历史纪录。2012年7月21～22日，北京出现超百年一遇的强降水过程，造成79人死亡；2010年8月8日，甘肃舟曲暴发特大山洪泥石流，造成超过1 400人死亡。

2 21世纪中国未来气候变化预估

温室气体排放情景，是气候变化专门委员会（IPCC）开发的用来预估未来气候变化的新情景，该情景称为典型浓度路径（简称 RCPs）。该情景可以为未来温室气体在大气中的可能浓度趋势提供一个基础数据，从而进一步分析可能出现的温度上升，对气候变化可能产生的影响进行评价。

中国气象局国家气候中心预测了 3种 RCPs情景下中国气候的变化情况，对应于未来可能出现的不同社会经济发展状况，这3种情景分别是RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5，其CO2排放量依次增多。利用多个全球和区域气候模式在 RCPs温室气体排放情景下的模拟结果，分析了中国地区21世纪近期（2011年至 2040年）、中期（2041年至 2070年）和后期（2071年至2100年）温度和降水变化的预估结果，所有未来预估结果都是相对于1986年至2005年的气候平均值。

2.1 平均温度变化预估

根据预测结果，21世纪的增温幅度将远远大于过去的水平，在 3种RCPs情景下，中国区域平均温度将持续上升，且随着 RCPs值的增加，增温幅度加大。2030年前各RCPs情景下温度变化趋势的差异较小，而 2030年以后则表现出不同的变化特征。在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下，2011年至 2100年的增温趋势分别为 0.08℃/10a、0.26℃/10a、0.61℃/10a，近期 30年中国平均温度的上升幅度约为1℃。

未来中国温度变化具有一定的区域性特征，增温幅度总体上向西北逐渐变大，其中青藏高原地区、新疆北部及东北部分地区增温较为明显。在 3种RCPs温室气体排放情景下，近期30年（2011年至2040年）中国的升温幅度都在0.5～1.4℃；随着温室气体浓度的增加，21世纪中期（2041年至 2070年）的升温幅度将上升至1.5～3.0℃；21世纪后期（2071年至 2100年），3种 RCPs情景表现出不同的趋势，RCP2.6情景下的升温幅度没有继续增加，但是，在RCP8.5高排放情景下，北方大部分地区和青藏高原地区的升温幅度将超过4.5℃。

2.2 平均降水变化预估

根据预测结果，RCPs情景下中国区域平均年降水将持续增加，其中21世纪的近期30年，降水将会增加约2.5%。在RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景下，2011年至 2100年降水量的增幅分别为0.6%/10a、1.1%/10a、1.6%/10a。在 2060年之前 3种情景下降水的增加幅度、变化趋势的差异较小，而2060年以后不同RCP情景则表现出不同的变化特征，其中RCP8.5情景下的增幅最大。

同时，中国不同时期降水的空间分布特点，其中西北地区、华北地区、东北地区的降水增幅相对较大。值得注意的是，近期30年中国南方地区的降水可能会减少，特别是RCP8.5情景下的降水量将会减少2%～5%。到21世纪的中期和后期，中国西北地区的降水将会增加约25%，华北和东北地区将会增加约20%。

2.3 不同升温阈值下极端天气事件变化预估

将全球达到不同升温阈值的情形分为4种：在RCP4.5排放情景下达到2℃增温（简称RCP4.5-2℃）、在RCP8.5排放情景下达到2℃、3℃、4℃增温（简称 RCP8.5-2℃、RCP8.5-3℃、RCP8.5-4℃）。

以极端降水天气为例，不同升温阈值下中国各区域的降水相关极端指数的变化情况，这4个指数分别是：日最大降水量（RX1day）、降水强度（SDⅡ）、强降水量（R95p）、极端强降水量（R99p）。对比中国8个分区的预估结果可以发现，极端降水强度指标均呈增加趋势，且在增幅较大地区不确定性也较大。同样的升温阈值下，西南地区的降水极端性增幅高于其他地区，其不确定范围也高于其他地区；西北地区由于降水量级较小，其极端降水变化的信号也相对较弱。总体来看，随着碳排放的增加，中国极端降水事件将增多，日最大降水量、降水强度、极端强降水量都将增大。

3 气候变化对油气长输管道的影响

气候变化对油气长输管道的影响主要体现在两个方面：一是，大气温度上升后将对油气长输管道的能耗和运行效率产生直接影响；二是，全球气候变化后产生的各种次生灾害将影响油气长输管道安全。

3.1 气候变化对油气长输管道的直接影响

全球温度升高将直接影响油气长输管道系统的能耗、设备的输出功率及效率。燃气轮机的特性受外界环境影响较大，影响燃气轮机性能的主要外界参数有：入口空气的温度、大气压力及进气压损，其中，入口空气温度对燃气轮机性能的影响最大。在较高的环境温度下，空气的密度较小，因此，在压气机吸入相同体积流量空气的前提下，其质量流量是较小的，这就使得燃气轮机的功率会有一定程度的降低，即，外界环境温度越高，机组的功率越小。同时，随着环境温度的升高，燃气轮机的温压比逐渐减小，这对改善燃气轮机的热力循环效率是不利的，因此，燃气轮机的热效率将减小，而热耗率和能耗会相应的增加。

图1是西气东输管道二线所用某型燃气轮机入口温度与热耗率因子的曲线，在其他条件不变的情况下，燃气轮机的燃料气消耗量与热耗率因子成正比。从图1中可以看出，当环境温度在-12～40℃范围内时，温度每升高 1℃，热耗率因子平均增加约0.2%。在设计工况年均地温条件下，西气东输管道二线干线的燃料气消耗量约为标准体积 17×108m3/a，若环境温度升高 2℃，则燃料气消耗量将增加标准体积680×104m3/a，年运行成本增加约1 500万元。另外，随着温度的升高，燃气轮机的最大输出功率也有所降低，相对于在 ISO（环境温度15℃，海拔高度0m）状态下，环境温度每升高1℃，燃气轮机的最大输出功率降低约 1%，这在一定程度上降低了油气长输管道系统的最大输气能力。

图1 西气东输二线燃气轮机性能曲线

3.2 气候变化对油气长输管道的间接影响

气候变化使发生各种自然灾害和地质灾害的频率增加，对油气长输管道系统的安全造成威胁。

3.2.1 自然灾害对油气长输管道的危害

自然灾害指的是自然环境中对人类生命安全构成危害和财产构成损失的自然变异和极端事件。对油气长输管道系统危害最为严重的是洪水、台风、低温和雷电等。

以洪水为例，洪水是由于暴雨、急剧融化的冰雪等引起江河水量迅猛增加及水位急剧上涨的现象，其主要特点是峰高量大、持续时间长、洪灾波及范围广。洪水对油气长输管道及站场造成的危害：一是，冲刷油气长输管道周围泥土，导致油气长输管道裸露或悬空，使油气长输管道在热应力和重力的作用下产生弯曲变形；二是，大面积的洪水会使油气长输管道地基发生沉降，造成油气长输管道变形甚至断裂；三是，洪水引发的泥石流挤压油气长输管道，造成油气长输管道损坏；四是，损坏电力、通信系统，导致管道不能正常运行。

根据对气候预测结果，未来中国的降水将持续增多，其中西北地区、华北地区、东北地区降水增加幅度相对较大。到21世纪的中期和后期，中国西北地区的降水将会增加约25%，华北和东北地区将会增加20%，并且极端降水天气也将增多，这使得洪水的发生几率大大增加，油气长输管道面临洪水的威胁将越来越大。

3.2.2 地质灾害对油气长输管道的危害

绝大部分地质灾害都是由降水诱发的，突发暴雨、连续性降水等都可能在地质灾害易发区内引发地质灾害。全球气候变暖，环境气温升高，部分地区降水量增加，山顶冰雪融化加快，从而导致一些地质灾害的发生，如：崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等。油气长输管道的很多路段敷设在山区等地质灾害易发地段，受灾害的影响较大。

以滑坡和崩塌为例，滑坡和崩塌是指岩土体由于种种原因在重力的作用下沿一定的软弱面整体地向下滑动或部分地崩落滑塌的现象。根据中国地质环境监测院发布的中国地质灾害通报 2004年至2009年资料统计，滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害所占的比例高达 95%，分布范围占国土面积的44.8%，其中，又以西南、西北地区最为严重。滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害对油气长输管道系统造成的危害：一是，崩塌的岩石或泥石流挤压油气长输管道，造成油气长输管道出现异常拉伸、弯曲等变形甚至断裂；二是，造成油气长输管道地基沉降，从而引起油气长输管道过度变形或断裂；三是，毁坏站场设施、库区储罐、泵、压缩机组及阀门等设备。

在未来气候变化背景下，北方地区降水增多将使得地质灾害发生的概率呈上升趋势，且大型泥石流事件增多、冻融侵蚀导致的蠕移性滑坡事件增多等，这将对经过这些灾害多发区的油气长输管道造成严重影响，危害油气长输管道的安全运行，缩短油气长输管道的运行寿命。

4 应对气候变化的防治措施

气候变化对油气长输管道的影响在一些油气长输管道项目的运行中已经显现出来，但是，目前国内关于气候变化对油气长输管道影响的相关研究还不多，对气候变化带来的问题还不够重视。随着全球变暖趋势的加快，油气长输管道所面临的威胁将增多，因此，为保证已建油气长输管道和未来新建油气长输管道的安全运行，保障中国的能源供给，政府和相关部门应加紧采取防治措施。

一是，加强气候变化与油气长输管道的相关科学研究工作。在对气候变化近期预测研究（30～50年）的基础上，进一步加强对极端天气事件和气象灾害的研究工作，优化完善油气长输管道的防灾技术，制定防灾技术标准。采用先进可靠的新技术和新装备提高油气长输管道应对极端天气事件的能力，研究气象灾害发生后油气长输管道的快速恢复和重建机制。

二是，做好油气长输管道应对气候变化的前期规划与设计，开展气候变化对油气长输管道影响的专项评估。有些已建油气长输管道在规划阶段已经考虑了气象灾害的影响，但是，随着全球气候的变化，气象灾害的强度、频度和范围将随之发生变化，因此，要及时将科学研究得出的最新数据和成果应用到新建油气长输管道的规划和设计中，充分考虑气候变化的影响，进一步增强油气长输管道适应和应对气候变化带来的负面影响的能力。

三是，在油气长输管道工程规划实施前要召集相关部门、专家对方案进行反复论证，在规划实施后工程管理方要进行信息的收集与反馈，建立完善的监督检查机制，及时跟踪最新的气候变化科研成果，并对规划方案进行修正。

四是，修订适应未来气候变化的油气长输管道技术标准。在敏感的地质地貌地区适当提高设计标准，如：山区、河流穿越段等灾害易发地段，及时跟踪气候的变化情况和油气长输管道运行中存在的安全隐患，对标准中不适用的部分进行修订，将应对气候变化的工程技术标准修订工作做到及时化、常态化、超前化。

五是，对于已建油气长输管道需重新复核其应对极端天气事件的能力，加强其防御能力的建设，建立防御极端天气事件的长期战略机制，完善防灾减灾体系。同时，应采取措施尽可能地增加天然气的储备量，当油气长输管道发生意外不能正常输送时，可以调用储备的天然气，以保证天然气向下游用户的供给。加大对天然气地下储气库和LNG接收站的研究和建设，提高整个管网系统的抗风险能力。

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