俄罗斯雅库特Khorobut流域灌溉系统土渠热力学研究及建设建议

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，李梦宇，王 羽，于 淼,5 译

(1.俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，俄罗斯 雅库茨克 677010；2.黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；4.黑龙江大学 中俄寒区水文和水利工程联合实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；5.东北联邦大学，俄罗斯 雅库茨克 677000)

俄罗斯对于土质溉渠的研究始于1985年，并在萨哈共和国(雅库特)的各种灌溉对象上进行了数年的研究，其中包括Khorobut流域灌溉系统。本文对Khorobut流域灌溉系统土质灌渠渠道与水流之间的热量交换进行研究，并对类土质灌渠的建设提供实际性建设建议。

1 Khorobut流域灌溉系统

Khorobut流域灌溉系统是萨哈共和国中部最原始的灌溉系统之一。它由Rosgiprovodhoz设计，始建于1958年，并于1966年完工。它位于RS(Y)Megino-Kangalassky地区“Krasnaya Zvezda”国营农场区域内。

Zhang、Ivanov与Sloeve的论文详细介绍了该流域灌溉系统所在区域的地质与水文地质条件、水工建筑物的结构及其运行情况[1-3]。

到1980年，该流域灌溉系统的所有引水工程与排水工程都已停用。之后对项目进行了加固及重建，以保证所有结构的稳定性，直到1989—1990年，流域灌溉系统重新投入运行。

Khorobut流域灌溉系统干渠长达7000 m，输水能力为10 m3/s，建在洼地和内陆平原的底部。在1969—1970年的原位监测中，洼地灌渠的参数为：宽度为2.5～3.0 m、深度1.0～1.5 m、坡度比为1；在内陆平原：河渠宽度为3～4 m、深度为5～6 m、坡度比为3～4。

2 土质渠道和水流之间的热交换研究

渠道与大气和水流的热相互作用，可用热平衡方程表达如式(1)所示[4-5]：

Qf=[Qx(1-A)-Jef-Pt-LE]τ1+Qwτ2

(1)

式中：Qf为进入孔隙体的热量，W·s/m2；Qx=Qdir-Qdif为太阳总辐射，W/m2；Qdir和Qdif为短波直射和散射的太阳辐射，W/m2；Jef=Ja-Je为有效的长波辐射，W/m2；Ja和Je为大气辐射和外向的地球辐射，W/m2；Рt为与大气湍流的热交换，W/m2；L为蒸发(冷凝)潜热，kJ/kg；E为蒸发速率，g/(cm2·s)；Qw为从水到土壤的热流，W/m2；τ1,τ2为太阳辐射和水流直接影响孔隙质量的时间，s。

热平衡观测旨在研究在春季短时间内水流与河床的热相互作用。除了测量影响热平衡的一般因素外，还对“水流-河床”边界处的热流进行了观测。这极大地简化了确定河床土壤解冻深度的问题的解决方案。

通过冻融层，从水到冻土块的热流可以通过公式(2)计算:

(2)

式中：q为流向冻融土壤的热流量，W/m2；αw为水流和土壤之间的热交换系数，W/(m2·℃)；Tw为水温，℃；Ts为土壤表面温度，℃；T0为解冻边界温度(0 ℃)，℃；λ为解冻土壤的导热系数，W/(m2·℃)；h为解冻层厚度，m。

公式(2)的左边是水流传递到河床的热量，右边是通过冻融层传递到冻土块的热量。

试验研究表明，热流对土壤解冻的影响取决于注水深度和冻融层的厚度，如图1所示。由图可以看出，冻融层厚度的增加，会导致流入土块的热量急剧减少。

在4月下旬至5月上旬随着干坡土壤的解冻深度从O点增加到5 cm处，热流量从85 W/m2变为51 W/m2。解冻深度增至30 cm的时，热流量降低至32 W/m2，即降低了约20 W/m2。由图1从水深对土壤的热量的影响的分析可以看出，水的存在会额外且非常明显地降低热流量。在5～10 cm 的水深处，热流量变化了十倍，从80 W/m2变为8 W/m2。水深进一步增加至1.9～2.0 m时热流量降低至0.01 W/m2，这意味着几乎所有来自大气的热量都聚集在水流中。

从图2水深对土壤的热量的影响的分析可以看出，水的存在会额外且非常明显地降低热流量。在5～10 cm的水深处，热流量减少了了一倍，从40 W/m2变为20 W/m2。水深进一步增加至1.9～2.0 m时热流量降低至0.01 W/m2，这意味着几乎所有来自大气的热量都聚集在水流中。

图2 Khorobut流域灌溉系统总干渠5月份热流量、解冻深度以及水深随时间的变化

因此，在雅库特中部地区，控制河床的融化深度以创造最佳的作业方式是可能的。首先，这种控制包括在输水之前为河床融化层的固结创造条件。其次是形成热阻，以防止河床下方的多年冻土融化。

3 关于土质渠道建设的建议

雅库特复杂的工程地质条件给设计者带来了很多问题，主要问题是考虑其工作的水文、水文地质、地质学和水力学特性，设计稳定的土质灌渠道剖面，需要对施工和运营过程中渠道底部基础土壤中发生的过程进行的深入研究。这解释了涉及土渠设计，施工和运营的规范性的规章制度，也就是设计的法律依据。目前的研究涵盖了渠道运营的某些地质学方面。在施工经验分析和现场分析研究的基础上，可以针对土质灌渠的结构提出以下结论和建议：

(1)雅库特灌渠的具体特征：灌渠为定期运行的导水系统：1 a中在春季短时间(15～20 d)内有水，而在其余时间内保持无水状态。这些特征决定了季节性冻融土层在土壤温度状态形成和河床稳定性方面的作用。

(2)运行期间温度和湿度状态形成的具体特征，并评估了影响温度场和湿度场性质的主要因素，如积雪等。例如，对于雅库特中部地区灌渠20 a的运营而言，河道上的积雪厚度的增加，导致1 a内原本平均温度为0 ℃的位置温度增长至1.0～1.5 ℃。

(3)渠道发生形变的机理基于发生在与环境相互作用的河床土壤中的地质过程。

(4)通过控制渠道的供水，可以在河床处形成冻融层；一方面，它可作为一种隔热材料，防止热量进入下面的多年冻土层；另一方面，它具有一定强度，可以保护河床不受侵蚀。对于中部和南部雅库特的环境条件，该冻融层的厚度为30～40 cm，导致可用非永久冻土区的计算方法计算出河道的横截面尺寸。

(5)在自然条件下发现了亚砂土和亚黏土的主要强度特性：剪切强度。该特性可用于河道的断面设计。

(6)预测了雅库特各种地质和气候条件下灌渠的基础温度状态，基于这种预测可以使用某些工程技术来提高渠道的稳定性。

(7)缺乏有关设计的规范性文件和勘察工作，需要进一步改进研究和计算方法以及渠道的施工和运营。

(8)灌渠的设计应基于非永久冻土区的现行标准和规范，并考虑区域特有的特征，例如热岩溶，热侵蚀，热剥蚀，冻胀，融冻泥流，以及由于反复冻融等引起的土壤物理力学性质的变化。

(9)在设计流域灌溉系统时，应遵循以下主要规定进行渠道设计：①排水口和导水渠必须使用天然水道和山谷线到达谷底；②必须沿直线穿过高原。

(10)相对于自然地基表面，可以将河床进行挖方，填方和半挖半填。

(11)避开附近有冰楔的区域，但如果必须在有冰楔的区域建造一条渠道，则必须采用某种方式进行设计，以使运营中的河床下方的季节性融化边界不会与冰楔接触。渠道建设分为两个阶段：在第一个阶段中，渠道建设将按照设计的路线进行挖方，并运行2～3 a，在此期间，地下冰楔将部分融化。在第二阶段，斜坡进行平整之后，通过填方直到设计的坡度。春季的渠道运营只有在一部分冻土解冻之后才开始，以最大程度的减少水流流向河床的热量。在特殊情况下，可以使用轧制合成防渗材料。

(12)设计流域灌溉系统的渠道和垂直渠道的排水渠的结合时，必须考虑到由于解冻过程中冻土沉降而引起的水位变化。

(13)导水渠道的横截面必须为梯形，斜边斜率为3到6。排水渠的横截面必须沿着农业机械可通过的沟渠线布置在季节性冻融层中。

(14)渠道宽度根据工作生产条件计算。

(15)以下两种情况需要进行渠道的水力计算：①在设计渠道剖面时；②运行时期，考虑到地质过程和植被生长而引起的局部变化。根据永久冻土区常用的研究方法，在热力计算的基础上，确定了冻土融化和沉降后的横断面变化。

(16)在渠道施工中可以使用以下技术：①土壤解冻时逐层开挖；②冬季土壤冻结时使用特殊的挖掘设备和炸药开挖冻土；③利用水流对渠道的自侵蚀。

(17)为了成功建设多年冻土区的灌渠，有必要组织监测工作。

4 结 论

(1)测量了影响热平衡的一般因素，并对“水流-河床”边界处的热流进行了观测。实验研究表明，热流对土壤解冻的影响取决于注水深度和冻融层的厚度。

(2)在雅库特中部地区，控制河床的融化深度以创造最佳的作业方式是可能的。首先，这种控制包括在输水之前为河床融化层的固结创造条件。其次是形成热阻，以防止河床下方的永久多年冻土融化。