魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長雷，李卉玉 譯

(1. 俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 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.黑龍江省寒地建筑科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

俄羅斯薩哈共和國典型寒區(qū)土渠監(jiān)測與分析
——以阿姆金斯基地區(qū)斯特羅達州農場的Khalaany盆地灌溉系統(tǒng)為例

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張1著；戴長雷2,3，李卉玉2,4譯

(1. 俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 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.黑龍江省寒地建筑科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

寒區(qū)土體河渠的研究對寒區(qū)土渠灌溉系統(tǒng)具有重要的影響，也對國家農業(yè)經濟的發(fā)展具有重大的意義。通過對俄羅斯薩哈共和國典型寒區(qū)土渠進行監(jiān)測與分析，對Khorobut、Khalaany、Dadaar和Shestakovskaya四個灌溉體系的觀測研究結果分別進行論述與分析。在本文中主要論述Khalaany流域灌溉系統(tǒng)的監(jiān)測與分析成果，指出：(1)Khalaany灌溉系統(tǒng)區(qū)域內的地下冰可以分為冰水泥、紋理形成冰和冰沉積物，主要的低溫過程是凍脹、熱融、熱蝕和凍縮開裂；(2)針對Khalaany灌溉系統(tǒng)中土壤物理性質，進行季節(jié)性解凍深度的周期動態(tài)觀測，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)引會發(fā)塑性指數(shù)變化，從而影響邊坡穩(wěn)定性；(3)Aryy灌區(qū)地質條件與Khalaany灌溉系統(tǒng)相同，實驗站包括地面管網(wǎng)、三個灌溉渠和一個排灌渠。

寒區(qū)；Khalaany灌渠；特征參數(shù)；薩哈(雅庫特)共和國

土體灌溉渠道的研究始于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。對雅庫特Khorobut、Butekhdyakh、Khalaany、Shestakovskaya、Khos-Yuryakh、Dadaar、Orosuno-Negedyakh灌溉體系75 000多米的灌渠系統(tǒng)進行觀測研究。

文獻[1]對Khorobut灌溉體系的觀測研究結果進行論述與分析。本文主要論述Khalaany流域灌溉系統(tǒng)的監(jiān)測與分析結果。

1 Khalaany灌溉系統(tǒng)

Khalaany灌溉系統(tǒng)位于阿姆加河左岸羅達州農場領土內，距離雅庫茨克268 km。灌溉面積及其結構示意圖如圖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)“雅庫吉波羅沃德霍夫斯研究所”項目建造的。

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

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

圖1 Khalaany盆地灌溉系統(tǒng)示意圖

每個地勢因素中均可發(fā)現(xiàn)地下冰。它們分為三種主要類型：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深度的粉質砂壤土水分超過100%，直到7 m深度的含砂帶的黏土水分平均為70%。由Zigert K進行的研究表明，研究地區(qū)主導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)存在的低溫過程分別為凍脹、熱融、熱蝕和凍縮開裂。Khalaany河谷是具有多邊形地勢和熱融湖泊的熱侵蝕性凹陷。在山谷左側，熱融過程清晰可見。多邊形地勢各不相同。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。未受干擾地點的季節(jié)性解凍深度為1.6 m。

在這個系統(tǒng)中，有1條主河渠、2個土體堤壩和6條排水渠。

該系統(tǒng)的主河渠長3.7 km，它建在河流階地的最低點，在第一個運行階段，它作為一個排水系統(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——供應和排放。除主河渠外，還有6條排水渠，總長3.3 km。排水渠以及主河渠均采用E-304 B型挖掘機制造。排水渠橫截面為0.5～0.8 m深，0.9 m寬的溝渠。

2 監(jiān)測與分析

在1985—1986年期間，以下工作在此進行：對系統(tǒng)內的河渠進行目測和器測；針對物理性質研究進行土壤取樣；組織和進行季節(jié)性解凍溫度和深度的周期動態(tài)觀察。

表1 斯特羅達州農場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)供應渠道橫截面的黏性土壤描述(根據(jù)“雅庫特項目”研究所的數(shù)據(jù))

續(xù)表2

圖2顯示了現(xiàn)場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始塌陷入水中。必須注意的是，南側的斜坡經歷了最大的變形。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)測表明，河渠寬度沒有增加，斜坡侵蝕過程已經停止，在邊界和斜坡上存在帶有裂縫的冰。

3 同類灌區(qū)(“Aryy”灌區(qū))的監(jiān)測與分析

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“雅庫吉波羅沃德霍夫斯”研究所設計。地質條件與Khalaany系統(tǒng)相同。

“Aryy”區(qū)域是列寧全聯(lián)盟農業(yè)科學院西伯利亞分院的實驗站。起初計劃在那里建一個封閉的灌溉網(wǎng)絡，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。這是由于在雅庫特州缺乏運行封閉式灌溉系統(tǒng)的經驗。

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

計劃對各種灌溉機械進行實驗測試：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型號的開溝機制造了承載能力為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；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，可以通過灌溉機械。河渠0～1區(qū)域是事先設計的，即在300 m的區(qū)域內(從PC 1～PC 4)，去除0.6～1.0 m厚的土層。

1985年5月對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，運河處為30～80 cm。

1986年5月，當雪融化時，對系統(tǒng)再次進行觀測。圖4顯示的是河渠0～1區(qū)域條件的照片。同時在三條河渠處進行土壤取樣見表3。5月18日，河渠水深20～5 cm。在進水口的混凝土板下方，底部解凍至20 cm，斜坡解凍至30～5 cm。運河0～1區(qū)域季節(jié)解凍的秋季測量見表4。

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

推薦Amga移動機械事業(yè)部運用機械恢復河渠0～1。先使2～3 a的地下冰層融化，再用土壤填滿，最后再次截斷河渠。

圖3 1986年5月，阿雅加河“Aryy”stow 和運河 圖4 1986年5月，阿雅加河實驗區(qū)灌溉計劃

取樣位置土壤類型采樣深度/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(護坡)均質砂壤土0157601553942761180415133517144-灌溉渠-1(護坡)輕亞黏土0149401594262811450317170492175-Khalaany(排水管)輕粉砂壤土-011122575383192-0105204496175MCPI區(qū)域(干旱坡地)均質砂壤土-4480170608467141-0105105516202

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

4 結 論

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

(2)針對Khalaany灌溉系統(tǒng)內土壤的物理性質進行季節(jié)性解凍深度的周期動態(tài)觀測，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會引發(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。如果冰楔上的保護層被去除，并且永久凍土與大氣的熱力學平衡受到干擾，則河渠表面會發(fā)生變形。與Khalaany灌溉系統(tǒng)同一地質條件下的“Aryy”灌區(qū)，不同坡度比建造的灌溉渠在季節(jié)性解凍層會發(fā)生不同的形變。

[1] 魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張，戴長雷，李卉玉.俄羅斯薩哈共和國典型寒區(qū)土渠監(jiān)測與分析——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

凍土工程國家重點實驗室開放基金(SKLFSE201310)；黑龍江省水文局項目(2014230101000411)

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

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

S277

A

2096-0506(2017)10-0026-07