俄羅斯雅庫特Khorobut流域灌溉系統土渠熱力學研究及建設建議

魯道夫·弗拉基米羅維奇·張 著；戴長雷，李夢宇，王 羽，于 淼,5 譯

(1.俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，俄羅斯 雅庫茨克 677010；2.黑龍江大學 寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.黑龍江大學 中俄寒區水文和水利工程聯合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；5.東北聯邦大學，俄羅斯 雅庫茨克 677000)

俄羅斯對于土質溉渠的研究始于1985年，并在薩哈共和國(雅庫特)的各種灌溉對象上進行了數年的研究，其中包括Khorobut流域灌溉系統。本文對Khorobut流域灌溉系統土質灌渠渠道與水流之間的熱量交換進行研究，并對類土質灌渠的建設提供實際性建設建議。

1 Khorobut流域灌溉系統

Khorobut流域灌溉系統是薩哈共和國中部最原始的灌溉系統之一。它由Rosgiprovodhoz設計，始建于1958年，并于1966年完工。它位于RS(Y)Megino-Kangalassky地區“Krasnaya Zvezda”國營農場區域內。

Zhang、Ivanov與Sloeve的論文詳細介紹了該流域灌溉系統所在區域的地質與水文地質條件、水工建筑物的結構及其運行情況[1-3]。

到1980年，該流域灌溉系統的所有引水工程與排水工程都已停用。之后對項目進行了加固及重建，以保證所有結構的穩定性，直到1989—1990年，流域灌溉系統重新投入運行。

Khorobut流域灌溉系統干渠長達7000 m，輸水能力為10 m3/s，建在洼地和內陸平原的底部。在1969—1970年的原位監測中，洼地灌渠的參數為：寬度為2.5～3.0 m、深度1.0～1.5 m、坡度比為1；在內陸平原：河渠寬度為3～4 m、深度為5～6 m、坡度比為3～4。

2 土質渠道和水流之間的熱交換研究

渠道與大氣和水流的熱相互作用，可用熱平衡方程表達如式(1)所示[4-5]：

Qf=[Qx(1-A)-Jef-Pt-LE]τ1+Qwτ2

(1)

式中：Qf為進入孔隙體的熱量，W·s/m2；Qx=Qdir-Qdif為太陽總輻射，W/m2；Qdir和Qdif為短波直射和散射的太陽輻射，W/m2；Jef=Ja-Je為有效的長波輻射，W/m2；Ja和Je為大氣輻射和外向的地球輻射，W/m2；Рt為與大氣湍流的熱交換，W/m2；L為蒸發(冷凝)潛熱，kJ/kg；E為蒸發速率，g/(cm2·s)；Qw為從水到土壤的熱流，W/m2；τ1,τ2為太陽輻射和水流直接影響孔隙質量的時間，s。

熱平衡觀測旨在研究在春季短時間內水流與河床的熱相互作用。除了測量影響熱平衡的一般因素外，還對“水流-河床”邊界處的熱流進行了觀測。這極大地簡化了確定河床土壤解凍深度的問題的解決方案。

通過凍融層，從水到凍土塊的熱流可以通過公式(2)計算:

(2)

式中：q為流向凍融土壤的熱流量，W/m2；αw為水流和土壤之間的熱交換系數，W/(m2·℃)；Tw為水溫，℃；Ts為土壤表面溫度，℃；T0為解凍邊界溫度(0 ℃)，℃；λ為解凍土壤的導熱系數，W/(m2·℃)；h為解凍層厚度，m。

公式(2)的左邊是水流傳遞到河床的熱量，右邊是通過凍融層傳遞到凍土塊的熱量。

試驗研究表明，熱流對土壤解凍的影響取決于注水深度和凍融層的厚度，如圖1所示。由圖可以看出，凍融層厚度的增加，會導致流入土塊的熱量急劇減少。

在4月下旬至5月上旬隨著干坡土壤的解凍深度從O點增加到5 cm處，熱流量從85 W/m2變為51 W/m2。解凍深度增至30 cm的時，熱流量降低至32 W/m2，即降低了約20 W/m2。由圖1從水深對土壤的熱量的影響的分析可以看出，水的存在會額外且非常明顯地降低熱流量。在5～10 cm 的水深處，熱流量變化了十倍，從80 W/m2變為8 W/m2。水深進一步增加至1.9～2.0 m時熱流量降低至0.01 W/m2，這意味著幾乎所有來自大氣的熱量都聚集在水流中。

從圖2水深對土壤的熱量的影響的分析可以看出，水的存在會額外且非常明顯地降低熱流量。在5～10 cm的水深處，熱流量減少了了一倍，從40 W/m2變為20 W/m2。水深進一步增加至1.9～2.0 m時熱流量降低至0.01 W/m2，這意味著幾乎所有來自大氣的熱量都聚集在水流中。

圖2 Khorobut流域灌溉系統總干渠5月份熱流量、解凍深度以及水深隨時間的變化

因此，在雅庫特中部地區，控制河床的融化深度以創造最佳的作業方式是可能的。首先，這種控制包括在輸水之前為河床融化層的固結創造條件。其次是形成熱阻，以防止河床下方的多年凍土融化。

3 關于土質渠道建設的建議

雅庫特復雜的工程地質條件給設計者帶來了很多問題，主要問題是考慮其工作的水文、水文地質、地質學和水力學特性，設計穩定的土質灌渠道剖面，需要對施工和運營過程中渠道底部基礎土壤中發生的過程進行的深入研究。這解釋了涉及土渠設計，施工和運營的規范性的規章制度，也就是設計的法律依據。目前的研究涵蓋了渠道運營的某些地質學方面。在施工經驗分析和現場分析研究的基礎上，可以針對土質灌渠的結構提出以下結論和建議：

(1)雅庫特灌渠的具體特征：灌渠為定期運行的導水系統：1 a中在春季短時間(15～20 d)內有水，而在其余時間內保持無水狀態。這些特征決定了季節性凍融土層在土壤溫度狀態形成和河床穩定性方面的作用。

(2)運行期間溫度和濕度狀態形成的具體特征，并評估了影響溫度場和濕度場性質的主要因素，如積雪等。例如，對于雅庫特中部地區灌渠20 a的運營而言，河道上的積雪厚度的增加，導致1 a內原本平均溫度為0 ℃的位置溫度增長至1.0～1.5 ℃。

(3)渠道發生形變的機理基于發生在與環境相互作用的河床土壤中的地質過程。

(4)通過控制渠道的供水，可以在河床處形成凍融層；一方面，它可作為一種隔熱材料，防止熱量進入下面的多年凍土層；另一方面，它具有一定強度，可以保護河床不受侵蝕。對于中部和南部雅庫特的環境條件，該凍融層的厚度為30～40 cm，導致可用非永久凍土區的計算方法計算出河道的橫截面尺寸。

(5)在自然條件下發現了亞砂土和亞黏土的主要強度特性：剪切強度。該特性可用于河道的斷面設計。

(6)預測了雅庫特各種地質和氣候條件下灌渠的基礎溫度狀態，基于這種預測可以使用某些工程技術來提高渠道的穩定性。

(7)缺乏有關設計的規范性文件和勘察工作，需要進一步改進研究和計算方法以及渠道的施工和運營。

(8)灌渠的設計應基于非永久凍土區的現行標準和規范，并考慮區域特有的特征，例如熱巖溶，熱侵蝕，熱剝蝕，凍脹，融凍泥流，以及由于反復凍融等引起的土壤物理力學性質的變化。

(9)在設計流域灌溉系統時，應遵循以下主要規定進行渠道設計：①排水口和導水渠必須使用天然水道和山谷線到達谷底；②必須沿直線穿過高原。

(10)相對于自然地基表面，可以將河床進行挖方，填方和半挖半填。

(11)避開附近有冰楔的區域，但如果必須在有冰楔的區域建造一條渠道，則必須采用某種方式進行設計，以使運營中的河床下方的季節性融化邊界不會與冰楔接觸。渠道建設分為兩個階段：在第一個階段中，渠道建設將按照設計的路線進行挖方，并運行2～3 a，在此期間，地下冰楔將部分融化。在第二階段，斜坡進行平整之后，通過填方直到設計的坡度。春季的渠道運營只有在一部分凍土解凍之后才開始，以最大程度的減少水流流向河床的熱量。在特殊情況下，可以使用軋制合成防滲材料。

(12)設計流域灌溉系統的渠道和垂直渠道的排水渠的結合時，必須考慮到由于解凍過程中凍土沉降而引起的水位變化。

(13)導水渠道的橫截面必須為梯形，斜邊斜率為3到6。排水渠的橫截面必須沿著農業機械可通過的溝渠線布置在季節性凍融層中。

(14)渠道寬度根據工作生產條件計算。

(15)以下兩種情況需要進行渠道的水力計算：①在設計渠道剖面時；②運行時期，考慮到地質過程和植被生長而引起的局部變化。根據永久凍土區常用的研究方法，在熱力計算的基礎上，確定了凍土融化和沉降后的橫斷面變化。

(16)在渠道施工中可以使用以下技術：①土壤解凍時逐層開挖；②冬季土壤凍結時使用特殊的挖掘設備和炸藥開挖凍土；③利用水流對渠道的自侵蝕。

(17)為了成功建設多年凍土區的灌渠，有必要組織監測工作。

4 結 論

(1)測量了影響熱平衡的一般因素，并對“水流-河床”邊界處的熱流進行了觀測。實驗研究表明，熱流對土壤解凍的影響取決于注水深度和凍融層的厚度。

(2)在雅庫特中部地區，控制河床的融化深度以創造最佳的作業方式是可能的。首先，這種控制包括在輸水之前為河床融化層的固結創造條件。其次是形成熱阻，以防止河床下方的永久多年凍土融化。