魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長雷，李卉玉，于 淼 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 雅庫茨克 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)灌渠的溫度狀態(tài)是影響其穩(wěn)定性的重要因素。因此，我們考慮土壤含水量和積雪動態(tài)等因素對寒區(qū)灌渠的溫度狀態(tài)的影響，從理論和實際監(jiān)測上進行了大量的研究與分析。旨在為解決目前寒區(qū)灌渠出現(xiàn)的問題提供思路與參照。本文對俄羅斯薩哈共和國典型寒區(qū)灌溉系統(tǒng)土基的含水特征、積雪動態(tài)變化和溫度的監(jiān)測與分析等方面來進行論述。

1 土基含水特征監(jiān)測與分析

在雅庫特的灌溉系統(tǒng)中，土壤含水量動態(tài)變化反映了周期性的淹沒和年度凍融循環(huán)。橫斷面水分分布是成軸對稱分布的，反映了渠道中水流運行過程中渠道底部和邊坡的淹水和欠水的特點[1]。在Khorobut盆地灌溉系統(tǒng)的渠道監(jiān)測中得到：多年凍土土壤含水量為10%～40%，春季季節(jié)性凍融土壤的淹沒水位(底坡和下部斜坡)，以及未淹沒水位(上部斜坡)，并給出了現(xiàn)場觀測的日期與典型時段的濕度場(如圖1)。

分析結(jié)果表明，在上層未凍土層中，季節(jié)性融化土壤的含水量取決于降水量，而且這些土壤在夏季會經(jīng)受嚴重干旱的影響。該層含水量為1%～2%，最大深度為0.2 m。渠道底部土壤的含水量和斜坡的淹水部分清晰地反映了春季洪水和冬季土壤凍結(jié)狀況。深度范圍在0.2～0.3 m時，土壤含水量增加到30%～40%，比初始值高出10%～20%。

上述含水率動態(tài)及其他因素和地表條件對灌渠土基溫度場的形成有重要影響。

圖1 Khorobut流域灌溉系統(tǒng)PC 1+63干渠土基的水分分布

2 積雪動態(tài)監(jiān)測與分析

從1986—1989年4 a時間研究了Khorobut和Khalaany流域灌溉系統(tǒng)的積雪動態(tài)。10月上旬，形成穩(wěn)定的積雪，整個冬季積雪厚度不斷增加。冬季剛開始的時候，沿著整個渠道積雪下降均勻。在強風(fēng)的條件下(2下旬—3上旬)積雪深度分布變化不大，表1包含Khorobut和Khalaany灌溉系統(tǒng)中干渠的平均積雪深度和密度值。表2給出多年測量的最大值。

表1 1986—1989年期間Khorobut和Khalaany灌溉系統(tǒng)干渠積雪深度和密度的平均值

表2 1986—1989年期間Khorobut和Khalaany灌溉系統(tǒng)干渠積雪深度和密度的最大值

觀察表明，在干渠積雪的深度和密度均在長期平均水平，平均深度為32.5 cm，密度0.14 g/cm3。多年來，在Khorobut最大積雪深度在12月達到了56 cm，密度為0.084 g/cm3。在觀測期間，Khorobut的雪深和密度的平均值分別為48.3 cm和0.15 g/cm3，而在Khalaany分別為49.8 cm和0.13 g/cm3。

渠道中的積雪從5月份開始融化。積雪雖然變薄，但仍起著隔熱的作用。在河床下面的地表熱力系統(tǒng)的動態(tài)證明了這一點，如下所述。

3 溫度特征監(jiān)測與分析

Khorobut灌溉系統(tǒng)渠道溫度狀況的監(jiān)測自1986年4月以來已經(jīng)開始運行20 a，在2個10 m深的鉆孔中，5個2～3 m深的鉆孔和1969年20 m深的4號鉆孔，對季節(jié)性凍融層的溫度狀況進行了詳細研究，其中河道與環(huán)境的相互作用最為活躍。在深井中，圖2和圖3顯示的是來自深孔的溫譜圖和溫度場，其中從1986—1990年，來自4號鉆孔的熱分析圖呈現(xiàn)出一個年度周期。

圖2 在Khorout流域灌溉系統(tǒng)的干渠溫度場的動態(tài)變化

圖3 Khorobut灌溉系統(tǒng)干渠PC 1+63對齊深井的溫譜圖

溫度體系的動態(tài)表明基礎(chǔ)土壤處于周期性循環(huán)的狀態(tài)。比較土基與未受干擾的場地的溫度分布，結(jié)果表明，渠道建設(shè)改變了自然條件下的溫度場。自然條件下溫度波動層的年平均溫度為3.3 ℃，在運河建成的20 a運行后，溫度上升到2.3 ℃，底部上升到1.4 ℃。溫度波動層的年平均溫度已經(jīng)從3.3 ℃變?yōu)?.0 ℃，而在渠道底部則變?yōu)?1.5 ℃。通道的熱影響距離軸線50～55 m的距離。

通過分析凍土層季節(jié)性凍融層的溫度狀況[2]，應(yīng)該指出的是，與其他因素一起，總體上形成了渠道基礎(chǔ)的溫度狀況。

雅庫特中部通常在4月下旬積雪開始融化。表3顯示了Khorobut灌溉系統(tǒng)干渠的融化深度，等溫線表征了底部和斜坡土壤的深度和融化速率，如圖4。河道底部解凍速率的一個典型特征是它明顯依賴于土壤的含水狀況和表面積雪的熱交換條件。因此，在1988—1989年Khorobut灌溉系統(tǒng)的干渠，與1986—1987年相比，季節(jié)性融化深度急劇下降。這是由1985—1986年的事實所解釋的。由于缺乏徑流，該渠道沒有得到水源。而在1987年的春夏季節(jié)，河道內(nèi)水量增加，導(dǎo)致土壤水分含量達到飽和。1987—1988年的冬天，由于在季節(jié)性融化層的土壤凍結(jié)過程中水分的遷移，濕度范圍增加到40%～45%。此外，1988年春季在河道中增加的水量也減緩了融化過程。觀察期(6月18—20日)內(nèi)土壤融化的速度幾乎相同，達到1 cm/d。而在1988—1989年這段時間急劇減緩，達到0.2～0.3 cm/d，這種趨勢一直持續(xù)到10月前10 d，也就是從表面開始凍結(jié)的時刻。從10月的第10天到11月的第20天之間，融化深度一直保持在1.4 m，然后從上面和下面開始急劇凍結(jié)[3]。在11月的最后10 d，季節(jié)層的凍結(jié)周期已經(jīng)完成。

表3 在Khorbut盆地灌溉系統(tǒng)主壩址(PC 1+63)處的土壤季節(jié)性凍融深度(根據(jù)探測數(shù)據(jù)1) m

續(xù)表3 m

孔號1989年05-2105-2205-2305-2405-2505-2605-2706-0606-2809-1110-1310-2010-2510-3040.550.700.720.741.961.9519.501.901.982.470.10～2.500.50～2.500.10～2.500.10～2.5050.350.490.500.660.670.700.700.951.452.000.50～2.000.75～2.000.75～1.500.75～1.5060.650.670.670.690.770.780.800.981.371.000.20～1.400.40～1.400.40～1.400.60～1.4070.480.480.490.490.410.580.731.222.000.20～2.000.50～2.000.50～2.000.50～2.0090.600.640.560.650.680.640.662.000.05～2.001.25～2.001.25～2.001.50～2.00

孔號1989年1990年11-0511-1011-1505-0505-1005-1505-2005-2505-3006-0507-04456780.60～1.400.750.80～1.401.00～2.001.20～1.401.00～2.000.200.200.300.300.501.501.503.000.150.200.300.300.300.750.752.000.100.300.400.400.500.600.701.200.100.200.300.500.500.750.752.500.050.200.300.500.500.750.752.50

1—1987年凍土邊界 2—1989年凍土邊界圖4 Khorobut灌溉系統(tǒng)中干渠PC1+63季節(jié)性凍融層的溫度場動態(tài)變化

在運河缺水的年份(1986年)，解凍速度為1 cm/d一直保持到8月底(融化深度為200 cm)。從8月底到10月上旬，解凍速率減慢，最后達到零值，解凍深度為230 cm。

渠道邊坡土壤年復(fù)一年的解凍過程是以相同的速率進行的，并且通過其熱濕狀態(tài)對邊坡進行調(diào)節(jié)。沒有詳細描述解凍過程的細節(jié)，如圖4所示，我們注意到在渠道運作期間，斜坡并沒有長時間受到水浸影響。在5月中旬觀測6～7 d的鉆孔中，地下水充滿了水分，這對斜坡的水分狀況沒有顯著影響。因此，該地區(qū)土壤的凍融過程是典型的。

渠道底部解凍層的溫度狀況反映了春夏時期的淹沒狀況。因此，1990年5月15日水進入河道前，50 cm解凍層平均溫度為7.0 ℃，5月20日水進入運河時，該層溫度急劇下降至1.8 ℃，解凍層60 cm處在5月30日時溫度達到7.0 ℃。5月20—27日這段時間，水位從5 cm上漲到210 cm，之后水位逐漸下降，直至6月5日達到50 cm。此時，在75 cm深度的解凍層，平均溫度上升了1.4 ℃，達到8.4 ℃。在此期間的平均水溫是13.8 ℃。這些數(shù)據(jù)表明，大部分太陽能在水流中發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從而降低了土壤解凍的速度。

渠道土壤的季節(jié)性凍結(jié)始于9月下旬10月初。根據(jù)冬季土壤的濕度和雪的厚度，也形成了該層的溫度狀況。所以，在1985—1986年的干旱年份，3月份底層平均溫度為10 ℃，1987—1989年潮濕，在同一時期只有2.1 ℃。冬季渠道的季節(jié)性凍結(jié)層的溫度狀況具有逐年穩(wěn)定的特點。深度土壤的平均溫度是：1月8.4～8.7 ℃，2月11.0～12.0 ℃，3月12.9～12.3 ℃和4月8.2～8.9 ℃。

這就是雅庫特中部季節(jié)性融化凍土層的溫度狀況的動態(tài)，它們是在春夏時期的周期性情況下監(jiān)測得到。

4 結(jié) 論

(1)渠底土壤的含水量和斜坡的淹水部分清晰地反映了春季洪水和冬季土壤凍結(jié)狀況，這些含水率動態(tài)及其他因素和地表條件對灌渠土基溫度場形成有重要影響。

(2)多年研究表明，渠道內(nèi)積雪的深度和密度均長期處在平均水平，積雪融化后雖然厚度變薄，但仍起著隔熱的作用。

(3)對季節(jié)性凍融層的溫度狀況進行了研究，發(fā)現(xiàn)河道與環(huán)境的相互作用最為活躍。

(4)數(shù)據(jù)表明，渠道底部解凍層的溫度狀況反映了灌渠春夏時期的淹沒狀況，而凍結(jié)層的溫度狀況是根據(jù)冬季土壤的濕度和雪的厚度得到的。

[1] Богословский П А. Температурное состояние после длительной эксплуатации нефильтрующей земляной плотины, основанной на многолетнемерзлых грунтах (Предельное температурное состояние) // Материалы по инженерному мерзлотоведению[M]. Москва: Изд-во Академии наук СССР, 1959.

[2] Богословский П А. О строительстве земляных плотин в районах распространения многолетнемерзлых грунтов[С]//Труды Горьковского инженерного строительного института им. В П Чкалова.Нижний Новгород:1957：3-34.

[3] Балобаев В Т. Протаивание мерзлых горных пород при взаимодействии с атмосферой Тепло- и массообмен в мерзлых горных толщах земной коры[M]. Москва:Изд-во АН СССР, 1963.