俄羅斯薩哈共和國(guó)典型寒區(qū)土渠監(jiān)測(cè)與分析
——以阿姆金斯基地區(qū)斯特羅達(dá)州農(nóng)場(chǎng)的Khalaany盆地灌溉系統(tǒng)為例

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長(zhǎng)雷，李卉玉 譯

(1. 俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國(guó) 雅庫(kù)茨克 677010； 2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

俄羅斯薩哈共和國(guó)典型寒區(qū)土渠監(jiān)測(cè)與分析
——以阿姆金斯基地區(qū)斯特羅達(dá)州農(nóng)場(chǎng)的Khalaany盆地灌溉系統(tǒng)為例

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張1著；戴長(zhǎng)雷2,3，李卉玉2,4譯

(1. 俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國(guó) 雅庫(kù)茨克 677010； 2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

寒區(qū)土體河渠的研究對(duì)寒區(qū)土渠灌溉系統(tǒng)具有重要的影響，也對(duì)國(guó)家農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大的意義。通過(guò)對(duì)俄羅斯薩哈共和國(guó)典型寒區(qū)土渠進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，對(duì)Khorobut、Khalaany、Dadaar和Shestakovskaya四個(gè)灌溉體系的觀測(cè)研究結(jié)果分別進(jìn)行論述與分析。在本文中主要論述Khalaany流域灌溉系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與分析成果，指出：(1)Khalaany灌溉系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的地下冰可以分為冰水泥、紋理形成冰和冰沉積物，主要的低溫過(guò)程是凍脹、熱融、熱蝕和凍縮開(kāi)裂；(2)針對(duì)Khalaany灌溉系統(tǒng)中土壤物理性質(zhì)，進(jìn)行季節(jié)性解凍深度的周期動(dòng)態(tài)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)引會(huì)發(fā)塑性指數(shù)變化，從而影響邊坡穩(wěn)定性；(3)Aryy灌區(qū)地質(zhì)條件與Khalaany灌溉系統(tǒng)相同，實(shí)驗(yàn)站包括地面管網(wǎng)、三個(gè)灌溉渠和一個(gè)排灌渠。

寒區(qū)；Khalaany灌渠；特征參數(shù)；薩哈(雅庫(kù)特)共和國(guó)

土體灌溉渠道的研究始于1985年，并在薩哈共和國(guó)(雅庫(kù)特)的各種灌溉對(duì)象上進(jìn)行了數(shù)年的研究。對(duì)雅庫(kù)特Khorobut、Butekhdyakh、Khalaany、Shestakovskaya、Khos-Yuryakh、Dadaar、Orosuno-Negedyakh灌溉體系75 000多米的灌渠系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)研究。

文獻(xiàn)[1]對(duì)Khorobut灌溉體系的觀測(cè)研究結(jié)果進(jìn)行論述與分析。本文主要論述Khalaany流域灌溉系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與分析結(jié)果。

1 Khalaany灌溉系統(tǒng)

Khalaany灌溉系統(tǒng)位于阿姆加河左岸羅達(dá)州農(nóng)場(chǎng)領(lǐng)土內(nèi)，距離雅庫(kù)茨克268 km。灌溉面積及其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。灌溉面積為336.4 hm2，灌溉源是Khalaany河。該系統(tǒng)是1980—1981年根據(jù)“雅庫(kù)吉波羅沃德霍夫斯研究所”項(xiàng)目建造的。

在地理學(xué)上，Soloviev和Katasonov對(duì)Leno-Amginskoe河間地領(lǐng)域進(jìn)行了非常好的研究[2-3]。Катасонов Е М、Базылев В А、Зигерт Х對(duì)盆地灌溉系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行了研究[4]。

300～400 m厚的永久凍土持續(xù)延伸。根據(jù)區(qū)域類(lèi)型永久凍土在零深度的溫度，年度波動(dòng)從-1.5～-5.5 ℃不等[5]。

圖1 Khalaany盆地灌溉系統(tǒng)示意圖

每個(gè)地勢(shì)因素中均可發(fā)現(xiàn)地下冰。它們分為三種主要類(lèi)型：冰水泥、紋理形成冰和冰沉積物，形式為厚透鏡、地層和巖脈。Khalaany河谷大部分是厚度達(dá)20 m的冰楔。承重層富含冰，并且，根據(jù)我們的數(shù)據(jù)(表1、表2)，直到2.5 m深度的粉質(zhì)砂壤土水分超過(guò)100%，直到7 m深度的含砂帶的黏土水分平均為70%。由Zigert K進(jìn)行的研究表明，研究地區(qū)主導(dǎo)的低溫紋理是透鏡狀的，具有各種變體。Khalaany河谷由冰沉積物構(gòu)成，上層(至2.5 m)呈現(xiàn)為黏土，下層(至7 m)呈現(xiàn)為含有泥沙的黏土，最底層呈現(xiàn)為卵石。

Khalaany盆地灌溉系統(tǒng)存在的低溫過(guò)程分別為凍脹、熱融、熱蝕和凍縮開(kāi)裂。Khalaany河谷是具有多邊形地勢(shì)和熱融湖泊的熱侵蝕性凹陷。在山谷左側(cè)，熱融過(guò)程清晰可見(jiàn)。多邊形地勢(shì)各不相同。四邊形和五邊形的多邊形輪廓鮮明。多邊形的邊為6～8 m，凹槽的深度為0.3～0.5 m。未受干擾地點(diǎn)的季節(jié)性解凍深度為1.6 m。

在這個(gè)系統(tǒng)中，有1條主河渠、2個(gè)土體堤壩和6條排水渠。

該系統(tǒng)的主河渠長(zhǎng)3.7 km，它建在河流階地的最低點(diǎn)，在第一個(gè)運(yùn)行階段，它作為一個(gè)排水系統(tǒng)。規(guī)劃的河渠具有以下參數(shù)：25%洪水概率的承載能力為7.46 m3/s，縱坡為0.005，底部河渠寬度為2～3 m，深度為1.0～1.6 m，坡度比為2.5～3.0，頂部寬度為8～11 m。在PC 28 + 45處建造了一座堤壩，將河渠分為兩部分——供應(yīng)和排放。除主河渠外，還有6條排水渠，總長(zhǎng)3.3 km。排水渠以及主河渠均采用E-304 B型挖掘機(jī)制造。排水渠橫截面為0.5～0.8 m深，0.9 m寬的溝渠。

2 監(jiān)測(cè)與分析

在1985—1986年期間，以下工作在此進(jìn)行：對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的河渠進(jìn)行目測(cè)和器測(cè)；針對(duì)物理性質(zhì)研究進(jìn)行土壤取樣；組織和進(jìn)行季節(jié)性解凍溫度和深度的周期動(dòng)態(tài)觀察。

表1 斯特羅達(dá)州農(nóng)場(chǎng)Khalaany盆地灌溉系統(tǒng)中土壤的巖土描述(根據(jù)1985年4月的數(shù)據(jù))

表2 Khalaany盆地灌溉系統(tǒng)供應(yīng)渠道橫截面的黏性土壤描述(根據(jù)“雅庫(kù)特項(xiàng)目”研究所的數(shù)據(jù))

續(xù)表2

圖2顯示了現(xiàn)場(chǎng)IM(PC 27)處和PC 36泄洪道后面的主河渠。如圖2所示，河渠充滿了水，斜坡是拉伸的大型巖塊。5月15—20日，3 m×1 m的巖塊在解凍后立即開(kāi)始塌陷入水中。必須注意的是，南側(cè)的斜坡經(jīng)歷了最大的變形。雖然北坡也變形了，但卻更加穩(wěn)定。在這里，以及在Khorobut，可以觀察到穩(wěn)定的斜坡上覆蓋著草皮的場(chǎng)景，如圖2(b)所示。

圖2 Khalaany盆地灌溉系統(tǒng)主河渠的大型巖塊變形

1986年5月的監(jiān)測(cè)表明，河渠寬度沒(méi)有增加，斜坡侵蝕過(guò)程已經(jīng)停止，在邊界和斜坡上存在帶有裂縫的冰。

3 同類(lèi)灌區(qū)(“Aryy”灌區(qū))的監(jiān)測(cè)與分析

灌溉區(qū)域“Aryy”位于距阿姆加河左岸的Khalaany灌溉系統(tǒng)2 km處，如圖3所示。灌溉面積為147.7 hm2，其中噴霧灌溉面積為110 hm2。供水源是阿姆加河。該系統(tǒng)建于1984—1985年，由“雅庫(kù)吉波羅沃德霍夫斯”研究所設(shè)計(jì)。地質(zhì)條件與Khalaany系統(tǒng)相同。

“Aryy”區(qū)域是列寧全聯(lián)盟農(nóng)業(yè)科學(xué)院西伯利亞分院的實(shí)驗(yàn)站。起初計(jì)劃在那里建一個(gè)封閉的灌溉網(wǎng)絡(luò)，所以挖溝渠引入了鋼筋混凝土環(huán)的檢查井，但最后決定在地面上建造。這是由于在雅庫(kù)特州缺乏運(yùn)行封閉式灌溉系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。

除上述直徑為300 mm的地面管網(wǎng)外，還有三個(gè)帶有出水口的灌溉渠和一個(gè)排灌渠。

計(jì)劃對(duì)各種灌溉機(jī)械進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試：DDA-100 mA(30 L/s)，DKS-56“Volzhanka”(56 L/s)，DS-25/300(50 L/s)，TZT-67(16 L/s)。

1984年秋季，使用D-267 A型號(hào)的開(kāi)溝機(jī)制造了承載能力為0.13 m3/s的土體灌溉河渠。灌溉河渠具有以下參數(shù)：0～1、0～2和0～3各為500 m長(zhǎng)；輪廓接近拋物線；頂部寬度為2 m；深度為0.8 m；河渠之間的距離為120 m。水被運(yùn)送到河渠的特殊入口處。

灌溉河渠0～3和0～2區(qū)域平坦，至少坡度足夠平緩，可以通過(guò)灌溉機(jī)械。河渠0～1區(qū)域是事先設(shè)計(jì)的，即在300 m的區(qū)域內(nèi)(從PC 1～PC 4)，去除0.6～1.0 m厚的土層。

1985年5月對(duì)灌溉河渠的觀察顯示，情況良好。但在秋季，河渠0～1區(qū)域已經(jīng)沿著冰楔出現(xiàn)了一些變形。

1986年3月，登記了0～1區(qū)域河渠的以下參數(shù)：應(yīng)變區(qū)頂部的河渠寬度為2.5 m(最初為2 m)；冰融化地方的底部沉降了50～ 60 cm，斜坡由于巖塊滑落而變形。每8～10 m(冰楔多邊形的寬度)觀察到凹陷。未受干擾地方的雪蓋厚度為25～28 cm，運(yùn)河處為30～80 cm。

1986年5月，當(dāng)雪融化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)再次進(jìn)行觀測(cè)。圖4顯示的是河渠0～1區(qū)域條件的照片。同時(shí)在三條河渠處進(jìn)行土壤取樣見(jiàn)表3。5月18日，河渠水深20～5 cm。在進(jìn)水口的混凝土板下方，底部解凍至20 cm，斜坡解凍至30～5 cm。運(yùn)河0～1區(qū)域季節(jié)解凍的秋季測(cè)量見(jiàn)表4。

兩年期間對(duì)系統(tǒng)的觀測(cè)顯示，以拋物線形式或坡度比接近3.0的等級(jí)線建造的河渠在季節(jié)性解凍層中不發(fā)生變形。如果冰楔上的保護(hù)層被去除，并且永久凍土與大氣的熱力學(xué)平衡受到干擾，則河渠表面會(huì)發(fā)生變形。

推薦Amga移動(dòng)機(jī)械事業(yè)部運(yùn)用機(jī)械恢復(fù)河渠0～1。先使2～3 a的地下冰層融化，再用土壤填滿，最后再次截?cái)嗪忧?/p>

圖3 1986年5月，阿雅加河“Aryy”stow 和運(yùn)河 圖4 1986年5月，阿雅加河實(shí)驗(yàn)區(qū)灌溉計(jì)劃

取樣位置土壤類(lèi)型采樣深度/m水分含量/%容重/(g·cm-3)液限塑限塑性指數(shù)土壤中植物殘留/%0505～025025～0101～005005～001001～00050005干旱坡地粉砂壤土0111901454613411230324155524175-灌溉渠-1(底部)粉砂壤土014170168466298148021250619182-灌溉渠-1(護(hù)坡)均質(zhì)砂壤土0157601553942761180415133517144-灌溉渠-1(護(hù)坡)輕亞黏土0149401594262811450317170492175-Khalaany(排水管)輕粉砂壤土-011122575383192-0105204496175MCPI區(qū)域(干旱坡地)均質(zhì)砂壤土-4480170608467141-0105105516202

表4 在阿姆金斯基地區(qū)的斯特羅達(dá)州的農(nóng)場(chǎng)“Aryy”灌溉系統(tǒng)的灌溉渠0～1在土壤解凍時(shí)的深度(根據(jù)1986年秋天Mandarov A A的數(shù)據(jù))

4 結(jié) 論

(1)對(duì)Khalaany灌渠不同深度的區(qū)段渠道變形特征進(jìn)行了分析，隨著深度的增加，特征參數(shù)均發(fā)生變化。

(2)針對(duì)Khalaany灌溉系統(tǒng)內(nèi)土壤的物理性質(zhì)進(jìn)行季節(jié)性解凍深度的周期動(dòng)態(tài)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會(huì)引發(fā)塑性指數(shù)變化，從而影響邊坡穩(wěn)定性。

(3)以拋物線形式或坡度比接近3.0的等級(jí)線建造的河渠在季節(jié)性解凍層中不發(fā)生變形。如果冰楔上的保護(hù)層被去除，并且永久凍土與大氣的熱力學(xué)平衡受到干擾，則河渠表面會(huì)發(fā)生變形。與Khalaany灌溉系統(tǒng)同一地質(zhì)條件下的“Aryy”灌區(qū)，不同坡度比建造的灌溉渠在季節(jié)性解凍層會(huì)發(fā)生不同的形變。

[1] 魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張，戴長(zhǎng)雷，李卉玉.俄羅斯薩哈共和國(guó)典型寒區(qū)土渠監(jiān)測(cè)與分析——以Khorobut灌渠為例[J].黑龍江水利，2017,3(9)：35-45.

[2] Соловьев П А. Криолитозона северной части Лено-Амгинского междуречья[M].Москва.: Изд-во АН СССР, 1959.

[3] Катасонов Е М, Иванов М С. Криолитология Центральной Якутии (путеводитель)[M].Якутск:Издательство ин-та мерзлотоведения СО АН СССР, 1973.

[4] Катасонов Е М, Базылев В А, Зигерт Х. Криолитологическая оценка земель района Амгинского научно-производственного стационара Якутского НИИ сельского хозяйства СО ВАСХНИЛ[M]. Якутск:Издательство ин-та мерзлотоведения СО АН СССР，1984.

[5] SidorenkoГидрогеология СССР[M]. Москва: Недра，1970.

Monitoring and analysis of earthen irrigation canals in typical cold area of the Russian Republic of Sakha——Khalaany earth canal as an exampleWritten by Rudolf

Vladimirovich Zhang1；Translated by DAI Changlei2,3, LI Huiyu2,4

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.InstituteofArchitectureScienceinColdRegion,Heilongjiang,Harbin150080,China)

The research of cold soil channel has an important influence on the cold and canal irrigation system, the development of the national agricultural economy is of great significance. Through the monitoring and analysis of Russia, the Republic of the typical cold regions of Khorobut Khalaany, the canal, observation of Dadaar and Shestakovskaya four respectively irrigation system are discussed and analyzed. In this paper mainly discusses the Khalaany basin irrigation system monitoring and analysis of results，point out：(1)The underground ice in Khalaany irrigation system can be divided into ice cement, texture forming ice and ice sediment, and the main low temperature processes are frost heave, thermal thawing, thermal corrosion and freezing shrinkage cracking;(2)In view of the soil physical properties of Khalaany irrigation system, the seasonal dynamic observation of thawing depth was conducted, and it was found that the freezing thawing cycle led to the change of plastic index, thus affecting the slope stability;(3)Aryy in the same geological conditions and Khalaany irrigation system, including ground experiment station network, three earth canal and an irrigation channel.

cold region; Khalaany earth canal; characteristic parameters; Sakha (Yakutsk) Republic permafrost

凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SKLFSE201310)；黑龍江省水文局項(xiàng)目(2014230101000411)

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張(1941-)，男，俄羅斯薩哈共和國(guó)雅庫(kù)茨克市人，教授，主要從事凍土工程和寒區(qū)水利工程相關(guān)方向的科研和教學(xué)工作。

譯者簡(jiǎn)介：戴長(zhǎng)雷(1978-)，男，山東鄆城人，教授，主要從事寒區(qū)地下水及國(guó)際河流方向的教學(xué)和科研工作。E-mail：daichanglei@126.com。

S277

A

2096-0506(2017)10-0026-07