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

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Khorobut灌渠為例

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)土渠監(jiān)測(cè)與分析，以Khorobut灌渠為例，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。而在本文中主要講述Khorobut流域灌溉體系。指出：(1)Khorobut流域灌溉土渠的建造歷史(是雅庫(kù)特最古老的灌溉體系之一)及其現(xiàn)狀；(2)土渠分別在1969—1970年、1983—1984年、1986年進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)的特征參數(shù)均發(fā)生變化；(3)對(duì)深度為2.5～4.0 m的主河渠(第一類河渠)，深度為1.5 m的供水排水河渠(第二類河渠)兩種類型的河渠不同區(qū)段渠道變形特征進(jìn)行分析。主河渠(第一類河渠)沿著阿拉斯洼地行進(jìn)，深度超過(guò)季節(jié)性解凍深度，其軌道經(jīng)歷了四個(gè)階段：Sytygan、Elesin、Ulakh和Ebe，變形的性質(zhì)通常相同；第二類河渠(供水和排水)的研究讓我們觀察了不同運(yùn)行階段河渠河床的形成。

寒區(qū)；Khorobut灌渠；特征參數(shù)；渠道變形特征；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。

接下來(lái)將對(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。在本文中主要講述Khorobut流域灌溉體系。

1 Khorobu灌渠工程

Khorobut流域灌溉體系是雅庫(kù)特最古老的灌溉體系之一。它建于1958—1966年，是由“Rosgiprovodhoz”設(shè)計(jì)的。它位于RS (Y) Megino-Kangalassky地區(qū)“Krasnaya Zvezda”國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)。

Иванов М С、Слоев Л Н、Чжан Р В的論文詳細(xì)介紹了該區(qū)域的地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)描述及其運(yùn)行情況[1-3]。

到1980年，該灌溉體系的所有出口工程結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)口部分，都已停用并開(kāi)始進(jìn)行重新建設(shè)。根據(jù)重建項(xiàng)目的要求，所有結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都是牢固的，到1989—1990年，重建體系投入運(yùn)行。應(yīng)該注意的是，水路運(yùn)輸土體河渠的底部只部分進(jìn)行清理。

長(zhǎng)達(dá)7000 m的干渠，輸水能力為10 m3/s，建在洼地和內(nèi)陸平原的底部。根據(jù)項(xiàng)目，內(nèi)陸平原的河渠深度各不相同，但河渠寬度2 m和坡度比1∶6均為固定的參數(shù)。

在1969—1970年的觀測(cè)中，洼地河渠參數(shù)為：寬度為2.5～3.0 m、深度1.0～1.5 m、坡度比為1∶1；在內(nèi)陸平原：河渠寬度為3～4 m、深度為5～6 m、坡度比為3∶4。

1989—1990年實(shí)現(xiàn)了重建工程，其中水廠設(shè)施的結(jié)構(gòu)以及第一和第三調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，第二和第四調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，同時(shí)，主河渠的水通過(guò)清除灌木和將運(yùn)河底部深化而在部分區(qū)域變得清澈潔凈。

2 特征參數(shù)監(jiān)測(cè)與分析

在1983—1984年又進(jìn)行了一次觀測(cè)。結(jié)果與1969—1970年的觀測(cè)結(jié)果相比[4]，即《凍融和水流對(duì)寒區(qū)土渠侵蝕試驗(yàn)分析與設(shè)計(jì)》中提到的1969—1970年的觀測(cè)結(jié)果，參數(shù)變化很大。例如，在PC 5、PC 6河渠寬度增加到6.0 m，PC 16、PC 17增加到5.8 ～11.0 m。圖1顯示了PC 4、PC 5、PC 13在1965—1986年的河渠剖面動(dòng)力學(xué)情況。圖2顯示了PC 22和PC 31中Khorobut盆地灌溉系統(tǒng)干渠斜坡大體積形變。

圖1 Khorobut盆地灌溉系統(tǒng),1965—1986年期間干渠橫斷面的變化

圖2 Khorobut盆地灌溉系統(tǒng)干渠斜坡大體積形變

鉆孔結(jié)果以及主河渠土壤的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果見(jiàn)表1～2。在PC 3、PC 4+50、PC 13處的特定景觀條件下在測(cè)量樁處劃分橫截面。每個(gè)橫截面有4～5處挖掘深度達(dá)5 m。1984年7月的融化深度為1.0～1.5 m。這些區(qū)段主河渠穿過(guò)土壤的特征表現(xiàn)為以下平均參數(shù)：總水分含量為11%～30%；干密度為1.3～1.8 kg/cm3，體積重量為2.68～2.79 kg/cm3，孔隙系數(shù)為0.48～1.12；內(nèi)聚力為0.011～0.051 MPa；內(nèi)摩擦角為11°～58°；塑性指數(shù)為7.2～10.4；黏土顆粒含量為16%～40%，漿狀顆粒含量為30%～58%，砂粒含量為23%～67%。

1986年的觀測(cè)包括以下的工作內(nèi)容：在PC 1+63和PC 4+14處組織熱平衡剖面；鉆孔底部和橫截面的平整；根據(jù)上述橫截面控制調(diào)平；在各種永久凍土景觀土壤條件下，沿著所有主要的供水和排水渠的路線，進(jìn)行相應(yīng)的橫截面建設(shè)。巖土力學(xué)特性見(jiàn)表3。

表1 蘇奧拉河谷地區(qū)運(yùn)河干渠的黏性特征(根據(jù)1965年的鉆井?dāng)?shù)據(jù))

續(xù)表1

表2 原狀土壤描述的蘇奧拉河谷Khorobut盆地干渠灌溉系統(tǒng)(根據(jù)1985年的鉆井?dāng)?shù)據(jù))

續(xù)表2

表3 對(duì)Khorobut流域灌溉系統(tǒng)中干渠的巖土描述(根據(jù)1986年5月鉆井?dāng)?shù)據(jù))

續(xù)表3

3 不同區(qū)段渠道變形特征

通過(guò)一些相類似的變形來(lái)區(qū)分河渠軌道的以下部分：阿拉斯洼地、洼地間高原、排水渠調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)后的排水區(qū)域以及與蘇拉河結(jié)合的地方。

有兩種類型的河渠沿著阿拉斯洼地行進(jìn)，分別為：深度為2.5～4.0 m的主河渠，深度為1.5 m的供水排水河渠。

主河渠沿著阿拉斯洼地行進(jìn)，深度超過(guò)季節(jié)性解凍深度。一般來(lái)說(shuō)，變形的性質(zhì)和體積取決于軌道的凍土條件，水流的水力參數(shù)(包括水溫)，灌水性質(zhì)和通水時(shí)間，軌道的初始輪廓和幾何形狀，在河渠處存在的人造結(jié)構(gòu)物，使用的技術(shù)等。

主河渠的軌道經(jīng)歷了四個(gè)階段：Sytygan、Elesin、Ulakh和Ebe。變形的性質(zhì)通常相同，如下所示。PC 38處的河渠斜坡(圖3)分為大小1.0 m×1.5 m的巖塊，其他PC 33、PC 49分為10～20 m長(zhǎng)、0.5～1.0 m寬的縱長(zhǎng)夾層。具有以下參數(shù)：頂部寬度為10.6 m，深度為2.1 m，坡度比可變，取決于高度，為0.8～5.6，河渠形狀接近三角形。河渠的部分地區(qū)，斜坡上覆蓋著長(zhǎng)滿草的破碎巖塊。這些區(qū)域可以被認(rèn)為是穩(wěn)定的或接近穩(wěn)定的區(qū)域(圖4，PC 39+28、PC 49+44)。

圖3 PC 38Khorobut盆地灌溉系統(tǒng)的干渠堤壩變形

圖4 Khorobut灌溉系統(tǒng)干渠的穩(wěn)定部分

第二類河渠(供水和排水)的研究讓我們觀察了不同運(yùn)作階段河渠河床的形成。因此，在PC 26+44(圖5)處，已經(jīng)工作了30 a的供水和排水河渠流入主河渠。河渠具有以下參數(shù)：深度1.5 m、頂部寬度為13～15 m，坡度比為4.0，橫切截面形狀接近拋物線。

圖5 Khorobut盆地灌溉系統(tǒng)PC 26+44處的排水渠(排水口)

圖6(PC 100+50、PC 107)顯示的是工作了2～5 a的河渠。河渠要符合的條件從一開(kāi)始就是由建筑工作的質(zhì)量預(yù)先確定的，不符合任何考證。河渠的形狀是具有垂直墻壁的溝渠。

圖6 Khorobut盆地灌溉系統(tǒng)的支渠

對(duì)第二類河渠的觀察顯示，如果在季節(jié)性解凍層建造，其狀況幾十年仍然保持良好。但是，如果河渠是具有垂直墻壁的溝渠，穩(wěn)定的河床形成過(guò)程會(huì)持續(xù)多年，而且穩(wěn)定狀態(tài)僅由其具體形態(tài)而決定。

主河渠在6～7 m深的洼地處跨越洼地間高原。讓我們從頭部結(jié)構(gòu)開(kāi)始，觀察河渠條件。1983年6月8 —9日和1986年5月2日的縱向河渠剖面如圖7所示。河床上保持的痕跡以及河渠排空后仍有水的地方證明了河渠河床的平整；洞深達(dá)到1.6 m。運(yùn)河的形狀保持穩(wěn)定，直到PC 6處，然后它突然轉(zhuǎn)向東北，幾乎90°；右斜坡經(jīng)歷相當(dāng)大的變形。那些變形在圖8(a)中清晰可見(jiàn)。右邊的斜坡在南邊，所以它解凍的比較早。因此，在5月3日，解凍深度為26 ～ 29 cm，北坡仍然有雪。由于河渠的河床重新形成，出現(xiàn)底部的地面材料再沉淀以及淺灘的形成。

1983年，從PC 7～PC 20的主河渠的一部分進(jìn)一步加深。河渠的底部土壤沿邊界被挖掘和儲(chǔ)存。這是由于穩(wěn)定的、良好的覆草斜坡開(kāi)始移動(dòng)圖8(b)。在斜坡生長(zhǎng)的灌木沒(méi)有妨礙這一過(guò)程。

我們應(yīng)該注意到，在大多數(shù)情況下，沿著洼地間高原行進(jìn)的河渠軌道都改變了方向。這就是為什么每個(gè)部分的變形具有相似的性質(zhì)，并且與上述PC 6處的變形沒(méi)有區(qū)別。

結(jié)構(gòu)后面的河渠部分具有由下游池塘的液壓引起的自身具體特征。這是一個(gè)復(fù)雜的具體問(wèn)題，是水利工程的獨(dú)立部分。在這里，我們注意到，在沒(méi)有長(zhǎng)期凍土的情況下，下游池塘的特征是存在下沉盆地。圖9、圖10顯示了在排水渠調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)后在下游池塘處的河渠剖面。檢查結(jié)果顯示，距離機(jī)構(gòu)距離為100～200 m的主河渠部分已經(jīng)形成了頂部寬度達(dá)到50～60 m的截面(圖9，PC 142)。這證實(shí)了水文和水力計(jì)算必須更精確。

圖7 Khorobu盆地灌溉系統(tǒng)干渠縱剖面圖

圖8 PC 13的Khorobut盆地灌溉系統(tǒng)干渠的坍落度變形

圖9 出口工廠設(shè)施重建后的Khorobut灌溉系統(tǒng)干渠形變

圖10 PC 67+80后的調(diào)壓器No3后面的Khorobut盆地灌溉系統(tǒng)干渠下游池塘

4 結(jié) 論

(1)Khorobut流域灌溉體系是雅庫(kù)特最古老的灌溉體系之一。

(2)Khorobut流域灌溉土渠分別在1969—1970年、1983—1984年、1986年監(jiān)測(cè)的特征參數(shù)均發(fā)生變化。

(3)對(duì)深度為2.5～4.0 m的主河渠(第一類河渠)，深度為1.5 m的供水排水河渠(第二類河渠)兩種類型的河渠不同區(qū)段渠道變形特征進(jìn)行了分析。

(4)主河渠沿著阿拉斯洼地行進(jìn)，深度超過(guò)季節(jié)性解凍深度，其軌道經(jīng)歷了四個(gè)階段：Sytygan、Elesin、Ulakh和Ebe，變形的性質(zhì)通常相同。

(5)第二類河渠(供水和排水)的研究讓我們觀察了不同運(yùn)作階段河渠河床的形成。結(jié)果顯示：如果在季節(jié)性解凍層建造，其狀況幾十年仍然保持良好。但是，如果河渠是具有垂直墻壁的溝渠，穩(wěn)定的河床形成過(guò)程會(huì)持續(xù)多年，而且穩(wěn)定狀態(tài)僅由其具體形態(tài)而決定。

[1] Иванов М С. Геокриологическая характеристика территории Хоробутской мелиоративной системы // Вопросы географии Якутии[M]. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1973.

[2] Слоев Л. Н. Вопросы проектирования водозаборных узлов лиманного орошения в Центральной Якутии[M].Якутск: Якут. книжн. изд-во, 1968.

[3] Чжан Р. В. Водно-тепловой режим земляных плотин лиманного назначения [C]//Труды ЯНИИСХ СО ВАСХНИЛ.Якутск，1972：93-101.

[4] 魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張，戴長(zhǎng)雷，李卉玉.凍融和水流對(duì)寒區(qū)土渠侵蝕試驗(yàn)分析與設(shè)計(jì)[J].黑龍江水利，2017,3(8)：30-31.

Monitoring and analysis of earthen irrigation canals in typical cold area of the Russian Republic of Saha ——Khorobut irrigation channel 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 study of the cold area has an important influence on the irrigation system in the cold area, and it is also of great significance to the development of the national agricultural economy. Through the monitoring and analysis of the canal in the typical cold areas of the Russian Republic of Saha (taking the Khorobut irrigation channel as an example). Below are given the observation results of 4 irrigation systems: the Khorobut, Khalaany, Dadaar and Shestakovskaya ones. In this paper, the Khorobut watershed irrigation system is mainly described .It points out: ①The history of the construction of the Khorobut River Irrigation Canal (one of Yakutsk 's oldest irrigation systems) and its status；②The survey was conducted in 1969-1970, 1983-1984, 1986, and the characteristic parameters of the monitoring were changed；③Canals of 2 types run along alas depressions: the main canal with the depth from 2.5 to 4.0 m(the first type) and water supply-discharge canal with the depth to 1.5 m(the second type): The main canal goes through alas depressions along the low places, which depth exceeds the depth of seasonal thawing. The main canal’s track goes through 4 alases: Sytygan, Elesin, Ulakh and Ebe. Studies of the canals of the second type (water supply and discharge ones) let us observe the canals bed formation at variouS periods of operation.

cold region; Khorobut irrigation channel; characteristic parameters; channel deformation characteristics; Saha (Yakutsk) Republic permafrost

S277

A

2096-0506(2017)09-0035-11

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，博士，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。