混凝土襯砌渠道表面溫度分布研究

馬瑞忠（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局　新疆　阿克蘇　843000）

混凝土襯砌渠道表面溫度分布研究

馬瑞忠
（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局新疆阿克蘇843000）

本文從太陽(yáng)熱輻射角度出發(fā)，建立了渠道表面太陽(yáng)能計(jì)算方法，分析了陰坡、陽(yáng)坡、渠底太陽(yáng)能輻射的差異。以太熱輻射計(jì)算值為基礎(chǔ)，利用反演方法得出了混凝土襯砌渠道表面溫度分布，計(jì)算結(jié)果可用于研究渠道凍脹情況。目前，對(duì)于渠道襯砌凍脹量受太陽(yáng)輻射影響的研究還不多見，為此建立梯形渠道太陽(yáng)能輻射計(jì)算模型，對(duì)研究渠道凍脹量分布具有重要意義。希望為今后渠道凍脹研究提供參考。

混凝土襯砌；渠道；太陽(yáng)輻射；溫度分布

1　引言

我國(guó)季凍區(qū)渠道凍脹破壞較為嚴(yán)重，使我國(guó)北方地區(qū)渠道防滲效果變差，灌溉效率降低，制約著北方地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

太陽(yáng)輻射屬于全球性清潔能源，對(duì)地表溫度場(chǎng)分布影響重大，全國(guó)各地氣候差異的根本原因是太陽(yáng)能分布不均［1-2］。由于太陽(yáng)能的重要性，眾多學(xué)者致力于太陽(yáng)能輻射量計(jì)算模型研究。我國(guó)北方地區(qū)多為季節(jié)性凍土區(qū)域，冬季渠道凍脹破壞較為嚴(yán)重，凍土融化后渠道防滲效果變差，灌溉效率降低，嚴(yán)重制約著北方地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展［3］。研究表明：渠道凍脹的主要影響因素有土壤成分、水分含量、溫度、外部載荷等［4］。渠道凍脹水平受太陽(yáng)輻射影響較大，通常情況下：陰坡的渠道凍脹量＞渠底凍脹量＞陽(yáng)坡凍脹量。資料顯示，某東西走向渠道陰坡凍脹量是渠底凍脹量的1.35倍，是陽(yáng)坡凍脹量的1.8倍［5］。

2　渠道太陽(yáng)輻射模型

太陽(yáng)輻射是一種電磁波，包括直接輻射和散射。受渠道走向、傾角、緯度等因素的影響，陰坡和陽(yáng)坡接受太陽(yáng)輻射量區(qū)別較大，東西走向渠道差異最大。渠道襯砌接收的太陽(yáng)輻射受：入射角、地形、海拔、云量、混凝土材料等因素綜合影響。太陽(yáng)輻射是導(dǎo)致地表溫度分布不均的直接因素，由于陰坡和陽(yáng)坡所受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不同，因此兩個(gè)邊坡的凍深差距較大，溫度場(chǎng)分布極不均勻。為了預(yù)測(cè)渠道溫度變化，建立梯形渠道邊坡太陽(yáng)能輻射量計(jì)算模型，根據(jù)入射角、光線夾角、太陽(yáng)能輻射量等因素計(jì)算邊坡接收的總太陽(yáng)能輻射量。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了許多關(guān)于太陽(yáng)輻射的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，但這些模型中很少有針對(duì)水利工程的［6］。綜合研究現(xiàn)狀可知，影響渠道表面溫度分布的主要因素有：太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、入射角、光照時(shí)間、環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、土體性能等。本文利用MATLAB軟件，建立了渠道太陽(yáng)輻射模型，得出了渠道表明太陽(yáng)能輻射量的計(jì)算方法。

由于日地距離很遠(yuǎn)，近似認(rèn)為太陽(yáng)光束是平行入射的，假設(shè)太陽(yáng)光束的入射角為i，則太陽(yáng)光傾斜照射在平面上的光伏強(qiáng)度為：In=Isini。太陽(yáng)輻射到達(dá)渠道襯砌的總輻射量為：Gt=G0（I1+I2）。梯形渠道結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，將其簡(jiǎn)化為平面進(jìn)行二維研究，由于陰坡對(duì)太陽(yáng)輻射具有遮擋，因此隨著太陽(yáng)高度角α不斷變化，渠道表面的太陽(yáng)能輻射量也一直在變化［7］。

太陽(yáng)輻射計(jì)算式為：

式中：Ln為渠道斷面上太陽(yáng)能輻射長(zhǎng)度；α為太陽(yáng)高度角；β為渠道坡角；m為渠道底部寬度；h為渠道深度。

根據(jù)計(jì)算模型，通過計(jì)算渠道斷面上太陽(yáng)能輻射長(zhǎng)度就可得出渠道太陽(yáng)輻射情況，運(yùn)用MATLAB軟件建立梯形渠道太陽(yáng)能輻射量計(jì)算成型，計(jì)算周期根據(jù)太陽(yáng)高度角α確定，當(dāng)太陽(yáng)東升西落時(shí)，cosα剛好從1下降到0，隨后又上升到1。MATLAB程序流程見圖1。

圖1　MATLAB程序流程

3　渠道表面溫度分布

本文選擇研究對(duì)象原型是塔里木河流域阿克蘇總干渠“U”形渠觀測(cè)段，梯形渠道坡度為1∶1.5，渠底長(zhǎng)度2m，坡底長(zhǎng)度3.75m，渠道深度為2.6m，凍結(jié)期為每年12月至次年2月。該渠道各部位月平均溫度見表1。

表1　　渠道各部位月平均溫度

將太陽(yáng)與地球的距離視為無(wú)窮遠(yuǎn)，認(rèn)為照射在渠道襯砌各部位的太陽(yáng)光束是平行的。由于太陽(yáng)光線時(shí)刻變化，因此各時(shí)刻的輻射量也不同，選擇12月15日、1月15日和2月15日作為研究對(duì)象，計(jì)算3個(gè)研究日的輻射總量，計(jì)算結(jié)果見圖2。通過計(jì)算結(jié)果看，三個(gè)研究日的輻射總量曲線基本一致，陽(yáng)坡的輻射總量最大，陰坡輻射總量最小。從曲線斜率看，陰坡斜率為0，陽(yáng)坡斜率較小，而渠底斜率最大，說(shuō)明陰坡對(duì)太陽(yáng)輻射具有遮擋作用，該處的總輻射量?jī)H為陽(yáng)坡的1/3。對(duì)于陽(yáng)坡，2月15日的太陽(yáng)照射角度為70°，幾乎為垂直照射；針對(duì)陰坡，2月15日的太陽(yáng)照射角度僅為10°，照射時(shí)間很短。2月15日陽(yáng)坡的照射時(shí)間為10h，陰坡為2h，渠底為4h，這就直接導(dǎo)致了各部位吸收太陽(yáng)輻射不均。

圖2　研究日的輻射總量分布

渠道自身對(duì)太陽(yáng)輻射也具有一定遮擋性，陽(yáng)坡的遮擋性最小，由于渠道為東西走向，陽(yáng)坡朝南，因此陽(yáng)坡的太陽(yáng)光束幾乎為垂直入射，其日總輻射量最大，可達(dá)5.6MJ/m2。由于渠底受到陰坡的遮蔽，光束與渠底襯砌板的夾角為30°左右，渠底總輻射日總量自陽(yáng)坡至陰坡直線下降，平均輻射量為3.4MJ/m2。陰坡被自身遮蔽，接收到的輻射總量較小，僅為1.6MJ/m2。從照射時(shí)間看，陰坡的光照時(shí)間僅為110h，陽(yáng)坡的光照時(shí)間為650h，渠底的光照時(shí)間為300h，渠道各部分照射時(shí)間的差異主要是自身遮擋導(dǎo)致的。為了進(jìn)一步分析研究日渠道襯砌溫度分布，表2給出了3個(gè)研究日不同時(shí)段的環(huán)境溫度。

綜合3個(gè)典型日輻射總量測(cè)量值來(lái)看，陽(yáng)坡的輻射總量比陰坡和渠底大的多。雖然陰坡的照射時(shí)間小于渠底的照射時(shí)間，但是渠底的散射量較大，且渠底當(dāng)量長(zhǎng)度比陰坡、陽(yáng)坡小的多，因此渠底吸收的輻射量小于陰坡。從表2來(lái)看，渠道月平均溫度測(cè)量結(jié)果為：陽(yáng)坡最大，陰坡次之，渠底最小。利用太陽(yáng)輻射總量分布和環(huán)境溫度，對(duì)梯形混凝土襯砌渠道進(jìn)行反演計(jì)算，得到3個(gè)研究日的溫度分布情況［8］。渠道襯砌接收的太陽(yáng)輻射總量由MATLAB程序計(jì)算得出，圖3和圖4分別給出了12月15日和2月15日渠道陰坡、陽(yáng)坡、渠道的溫度分布情況。

圖3　12月15日渠道溫度分布

圖4　2月15日渠道溫度分布

從計(jì)算結(jié)果看，渠道各部分溫度呈現(xiàn)白天高夜間低的特性，但是夜間渠底、陰坡、陽(yáng)坡三條曲線重合，這與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果并不相同，究其原因是計(jì)算中忽略了混凝土吸收率和儲(chǔ)熱能力。12月15日表示剛剛進(jìn)入凍結(jié)期，白天的陰坡、陽(yáng)坡、渠底溫度均能達(dá)到零上；2月15日表示凍結(jié)期結(jié)束，因此白天的陰坡、陽(yáng)坡、渠底溫度均能達(dá)到零上；但1月15日氣溫很低，土壤凍結(jié)較為嚴(yán)重，因此陰坡溫度全體都在0℃以下，陽(yáng)坡溫度在下午2點(diǎn)前后可以達(dá)到零上。

由圖3和圖4可知，早上7點(diǎn)左右，各坡面開始吸收太陽(yáng)輻射，表面溫度開始升高。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)坡表面溫度上升較快，陰坡的溫度上升速度最慢。由于大部分時(shí)間陰坡只能接收到陽(yáng)坡和渠底的散射，因此溫度一直較低。在午后2點(diǎn)左右，渠道溫度達(dá)到當(dāng)日最大值，比環(huán)境最高氣溫滯后1個(gè)小時(shí)。隨后，太陽(yáng)輻射量逐漸減小，渠道溫度開始下降。

研究表明，混凝土襯砌渠道表面溫度分布與當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度變化基本一致，夜間降低白天上升，當(dāng)早上7點(diǎn)后受到太陽(yáng)輻射時(shí)，渠道各部分溫度明顯上升，但3條線并沒有立刻分離；在10點(diǎn)左右，陽(yáng)坡受到的太陽(yáng)輻射更多，因此溫度上升較快，在這一時(shí)刻3條線開始分離；混凝土襯砌板具有溫度滯后性，在太陽(yáng)輻射出現(xiàn)最大值后2個(gè)小時(shí)，襯砌板表面溫度才達(dá)到最大值。渠道凍脹水平受太陽(yáng)輻射影響較大，陰坡的渠道凍脹量＞渠底凍脹量＞陽(yáng)坡凍脹量。

表2　　研究日不同時(shí)段的環(huán)境溫度（℃）

4　結(jié)語(yǔ)

渠道凍脹水平受太陽(yáng)輻射影響較大，通常情況下：陰坡的渠道凍脹量＞渠底凍脹量＞陽(yáng)坡凍脹量。目前，對(duì)于渠道襯砌凍脹量受太陽(yáng)輻射影響的研究還不多見。以新疆阿克蘇干渠為例，從太陽(yáng)熱輻射角度出發(fā)，建立了渠道表面太陽(yáng)能計(jì)算方法，分析了陰坡、陽(yáng)坡、渠底太陽(yáng)能輻射的差異。以太熱輻射計(jì)算值為基礎(chǔ)，利用反演方法得出了混凝土襯砌渠道表面溫度分布。研究表明：陰坡對(duì)太陽(yáng)輻射具有遮擋作用，該處的總輻射量?jī)H為陽(yáng)坡的1/3；混凝土襯砌渠道表面溫度分布與當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度變化基本一致；混凝土襯砌板具有溫度滯后性。陜西水利

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（責(zé)任編輯：唐紅云）

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