俄羅斯雅庫特Khorobut流域灌溉系統(tǒng)土渠熱力學研究及建設建議

魯?shù)婪颉じダ琢_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(qū)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(qū)水文和水利工程聯(lián)合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；5.東北聯(lián)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(shù)年的研究，其中包括Khorobut流域灌溉系統(tǒng)。本文對Khorobut流域灌溉系統(tǒng)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(tǒng)

Khorobut流域灌溉系統(tǒng)是薩哈共和國中部最原始的灌溉系統(tǒng)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(qū)“Krasnaya Zvezda”國營農(nóng)場區(qū)域內。

Zhang、Ivanov與Sloeve的論文詳細介紹了該流域灌溉系統(tǒng)所在區(qū)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(tǒng)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(wěn)定性，直到1989—1990年，流域灌溉系統(tǒng)重新投入運行。

Khorobut流域灌溉系統(tǒng)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(jiān)測中，洼地灌渠的參數(shù)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(fā)(冷凝)潛熱，kJ/kg；E為蒸發(fā)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(shù)，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(shù)，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?yōu)?1 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?yōu)? 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?yōu)?0 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(tǒng)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(qū)，控制河床的融化深度以創(chuàng)造最佳的作業(yè)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(chuàng)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(wěn)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(fā)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(guī)范性的規(guī)章制度，也就是設計的法律依據(jù)。目前的研究涵蓋了渠道運營的某些地質學方面。在施工經(jīng)驗分析和現(xiàn)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(tǒng)：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(tài)。這些特征決定了季節(jié)性凍融土層在土壤溫度狀態(tài)形成和河床穩(wěn)定性方面的作用。

(2)運行期間溫度和濕度狀態(tài)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(qū)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(fā)生形變的機理基于發(fā)生在與環(huán)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(huán)境條件，該凍融層的厚度為30～40 cm，導致可用非永久凍土區(qū)的計算方法計算出河道的橫截面尺寸。

(5)在自然條件下發(fā)現(xiàn)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(tài)，基于這種預測可以使用某些工程技術來提高渠道的穩(wěn)定性。

(7)缺乏有關設計的規(guī)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(qū)的現(xiàn)行標準和規(guī)范，并考慮區(qū)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(tǒng)時，應遵循以下主要規(guī)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(qū)域，但如果必須在有冰楔的區(qū)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(jié)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(tǒng)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(nóng)業(yè)機械可通過的溝渠線布置在季節(jié)性凍融層中。

(14)渠道寬度根據(jù)工作生產(chǎn)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(jù)永久凍土區(qū)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(qū)的灌渠，有必要組織監(jiān)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(qū)，控制河床的融化深度以創(chuàng)造最佳的作業(yè)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(chuàng)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。