俄罗斯萨哈共和国典型寒区土渠监测与分析——以Khorobut灌渠为例

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，李卉玉 译

(1. 俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，萨哈共和国 雅库茨克 677010； 2.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；4.黑龙江省寒地建筑科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

俄罗斯萨哈共和国典型寒区土渠监测与分析
——以Khorobut灌渠为例

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张1著；戴长雷2,3，李卉玉2,4译

(1. 俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，萨哈共和国 雅库茨克 677010； 2.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；4.黑龙江省寒地建筑科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

寒区土体河渠的研究对寒区土渠灌溉系统具有重要的影响，也对国家农业经济的发展具有重大的意义。通过对俄罗斯萨哈共和国典型寒区土渠监测与分析，以Khorobut灌渠为例，对Khorobut、Khalaany、Dadaar和Shestakovskaya四个灌溉体系的观测研究结果分别进行论述与分析。而在本文中主要讲述Khorobut流域灌溉体系。指出：(1)Khorobut流域灌溉土渠的建造历史(是雅库特最古老的灌溉体系之一)及其现状；(2)土渠分别在1969—1970年、1983—1984年、1986年进行监测，其监测的特征参数均发生变化；(3)对深度为2.5～4.0 m的主河渠(第一类河渠)，深度为1.5 m的供水排水河渠(第二类河渠)两种类型的河渠不同区段渠道变形特征进行分析。主河渠(第一类河渠)沿着阿拉斯洼地行进，深度超过季节性解冻深度，其轨道经历了四个阶段：Sytygan、Elesin、Ulakh和Ebe，变形的性质通常相同；第二类河渠(供水和排水)的研究让我们观察了不同运行阶段河渠河床的形成。

寒区；Khorobut灌渠；特征参数；渠道变形特征；萨哈(雅库特)共和国

土体灌溉渠道的研究始于1985年，并在萨哈共和国(雅库特)的各种灌溉对象上进行了数年的研究。对雅库特Khorobut、Butekhdyakh、Khalaany、Shestakovskaya、Khos-Yuryakh、Dadaar、Orosuno-Negedyakh灌溉体系75 000多米的灌渠系统进行观测研究。

接下来将对Khorobut、Khalaany、Dadaar和Shestakovskaya四个灌溉体系的观测研究结果分别进行论述与分析。在本文中主要讲述Khorobut流域灌溉体系。

1 Khorobu灌渠工程

Khorobut流域灌溉体系是雅库特最古老的灌溉体系之一。它建于1958—1966年，是由“Rosgiprovodhoz”设计的。它位于RS (Y) Megino-Kangalassky地区“Krasnaya Zvezda”国营农场区域内。

Иванов М С、Слоев Л Н、Чжан Р В的论文详细介绍了该区域的地质条件、结构描述及其运行情况[1-3]。

到1980年，该灌溉体系的所有出口工程结构，包括进口部分，都已停用并开始进行重新建设。根据重建项目的要求，所有结构的设计都是牢固的，到1989—1990年，重建体系投入运行。应该注意的是，水路运输土体河渠的底部只部分进行清理。

长达7000 m的干渠，输水能力为10 m3/s，建在洼地和内陆平原的底部。根据项目，内陆平原的河渠深度各不相同，但河渠宽度2 m和坡度比1∶6均为固定的参数。

在1969—1970年的观测中，洼地河渠参数为：宽度为2.5～3.0 m、深度1.0～1.5 m、坡度比为1∶1；在内陆平原：河渠宽度为3～4 m、深度为5～6 m、坡度比为3∶4。

1989—1990年实现了重建工程，其中水厂设施的结构以及第一和第三调节机构的结构设计为现浇钢筋混凝土结构，第二和第四调节机构的结构设计为预制混凝土结构，同时，主河渠的水通过清除灌木和将运河底部深化而在部分区域变得清澈洁净。

2 特征参数监测与分析

在1983—1984年又进行了一次观测。结果与1969—1970年的观测结果相比[4]，即《冻融和水流对寒区土渠侵蚀试验分析与设计》中提到的1969—1970年的观测结果，参数变化很大。例如，在PC 5、PC 6河渠宽度增加到6.0 m，PC 16、PC 17增加到5.8 ～11.0 m。图1显示了PC 4、PC 5、PC 13在1965—1986年的河渠剖面动力学情况。图2显示了PC 22和PC 31中Khorobut盆地灌溉系统干渠斜坡大体积形变。

图1 Khorobut盆地灌溉系统,1965—1986年期间干渠横断面的变化

图2 Khorobut盆地灌溉系统干渠斜坡大体积形变

钻孔结果以及主河渠土壤的实验研究结果见表1～2。在PC 3、PC 4+50、PC 13处的特定景观条件下在测量桩处划分横截面。每个横截面有4～5处挖掘深度达5 m。1984年7月的融化深度为1.0～1.5 m。这些区段主河渠穿过土壤的特征表现为以下平均参数：总水分含量为11%～30%；干密度为1.3～1.8 kg/cm3，体积重量为2.68～2.79 kg/cm3，孔隙系数为0.48～1.12；内聚力为0.011～0.051 MPa；内摩擦角为11°～58°；塑性指数为7.2～10.4；黏土颗粒含量为16%～40%，浆状颗粒含量为30%～58%，砂粒含量为23%～67%。

1986年的观测包括以下的工作内容：在PC 1+63和PC 4+14处组织热平衡剖面；钻孔底部和横截面的平整；根据上述横截面控制调平；在各种永久冻土景观土壤条件下，沿着所有主要的供水和排水渠的路线，进行相应的横截面建设。岩土力学特性见表3。

表1 苏奥拉河谷地区运河干渠的黏性特征(根据1965年的钻井数据)

续表1

表2 原状土壤描述的苏奥拉河谷Khorobut盆地干渠灌溉系统(根据1985年的钻井数据)

续表2

表3 对Khorobut流域灌溉系统中干渠的岩土描述(根据1986年5月钻井数据)

续表3

3 不同区段渠道变形特征

通过一些相类似的变形来区分河渠轨道的以下部分：阿拉斯洼地、洼地间高原、排水渠调节机构后的排水区域以及与苏拉河结合的地方。

有两种类型的河渠沿着阿拉斯洼地行进，分别为：深度为2.5～4.0 m的主河渠，深度为1.5 m的供水排水河渠。

主河渠沿着阿拉斯洼地行进，深度超过季节性解冻深度。一般来说，变形的性质和体积取决于轨道的冻土条件，水流的水力参数(包括水温)，灌水性质和通水时间，轨道的初始轮廓和几何形状，在河渠处存在的人造结构物，使用的技术等。

主河渠的轨道经历了四个阶段：Sytygan、Elesin、Ulakh和Ebe。变形的性质通常相同，如下所示。PC 38处的河渠斜坡(图3)分为大小1.0 m×1.5 m的岩块，其他PC 33、PC 49分为10～20 m长、0.5～1.0 m宽的纵长夹层。具有以下参数：顶部宽度为10.6 m，深度为2.1 m，坡度比可变，取决于高度，为0.8～5.6，河渠形状接近三角形。河渠的部分地区，斜坡上覆盖着长满草的破碎岩块。这些区域可以被认为是稳定的或接近稳定的区域(图4，PC 39+28、PC 49+44)。

图3 PC 38Khorobut盆地灌溉系统的干渠堤坝变形

图4 Khorobut灌溉系统干渠的稳定部分

第二类河渠(供水和排水)的研究让我们观察了不同运作阶段河渠河床的形成。因此，在PC 26+44(图5)处，已经工作了30 a的供水和排水河渠流入主河渠。河渠具有以下参数：深度1.5 m、顶部宽度为13～15 m，坡度比为4.0，横切截面形状接近抛物线。

图5 Khorobut盆地灌溉系统PC 26+44处的排水渠(排水口)

图6(PC 100+50、PC 107)显示的是工作了2～5 a的河渠。河渠要符合的条件从一开始就是由建筑工作的质量预先确定的，不符合任何考证。河渠的形状是具有垂直墙壁的沟渠。

图6 Khorobut盆地灌溉系统的支渠

对第二类河渠的观察显示，如果在季节性解冻层建造，其状况几十年仍然保持良好。但是，如果河渠是具有垂直墙壁的沟渠，稳定的河床形成过程会持续多年，而且稳定状态仅由其具体形态而决定。

主河渠在6～7 m深的洼地处跨越洼地间高原。让我们从头部结构开始，观察河渠条件。1983年6月8 —9日和1986年5月2日的纵向河渠剖面如图7所示。河床上保持的痕迹以及河渠排空后仍有水的地方证明了河渠河床的平整；洞深达到1.6 m。运河的形状保持稳定，直到PC 6处，然后它突然转向东北，几乎90°；右斜坡经历相当大的变形。那些变形在图8(a)中清晰可见。右边的斜坡在南边，所以它解冻的比较早。因此，在5月3日，解冻深度为26 ～ 29 cm，北坡仍然有雪。由于河渠的河床重新形成，出现底部的地面材料再沉淀以及浅滩的形成。

1983年，从PC 7～PC 20的主河渠的一部分进一步加深。河渠的底部土壤沿边界被挖掘和储存。这是由于稳定的、良好的覆草斜坡开始移动图8(b)。在斜坡生长的灌木没有妨碍这一过程。

我们应该注意到，在大多数情况下，沿着洼地间高原行进的河渠轨道都改变了方向。这就是为什么每个部分的变形具有相似的性质，并且与上述PC 6处的变形没有区别。

结构后面的河渠部分具有由下游池塘的液压引起的自身具体特征。这是一个复杂的具体问题，是水利工程的独立部分。在这里，我们注意到，在没有长期冻土的情况下，下游池塘的特征是存在下沉盆地。图9、图10显示了在排水渠调节机构后在下游池塘处的河渠剖面。检查结果显示，距离机构距离为100～200 m的主河渠部分已经形成了顶部宽度达到50～60 m的截面(图9，PC 142)。这证实了水文和水力计算必须更精确。

图7 Khorobu盆地灌溉系统干渠纵剖面图

图8 PC 13的Khorobut盆地灌溉系统干渠的坍落度变形

图9 出口工厂设施重建后的Khorobut灌溉系统干渠形变

图10 PC 67+80后的调压器No3后面的Khorobut盆地灌溉系统干渠下游池塘

4 结 论

(1)Khorobut流域灌溉体系是雅库特最古老的灌溉体系之一。

(2)Khorobut流域灌溉土渠分别在1969—1970年、1983—1984年、1986年监测的特征参数均发生变化。

(3)对深度为2.5～4.0 m的主河渠(第一类河渠)，深度为1.5 m的供水排水河渠(第二类河渠)两种类型的河渠不同区段渠道变形特征进行了分析。

(4)主河渠沿着阿拉斯洼地行进，深度超过季节性解冻深度，其轨道经历了四个阶段：Sytygan、Elesin、Ulakh和Ebe，变形的性质通常相同。

(5)第二类河渠(供水和排水)的研究让我们观察了不同运作阶段河渠河床的形成。结果显示：如果在季节性解冻层建造，其状况几十年仍然保持良好。但是，如果河渠是具有垂直墙壁的沟渠，稳定的河床形成过程会持续多年，而且稳定状态仅由其具体形态而决定。

[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] 鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张，戴长雷，李卉玉.冻融和水流对寒区土渠侵蚀试验分析与设计[J].黑龙江水利，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

冻土工程国家重点实验室开放基金(SKLFSE201310)；黑龙江省水文局项目(2014230101000411)

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张(1941-)，男，俄罗斯萨哈共和国雅库茨克市人，博士，教授，主要从事冻土工程和寒区水利工程相关方向的科研和教学工作。

译者简介：戴长雷(1978-)，男，山东郓城人，教授，主要从事寒区地下水及国际河流方向的教学和科研工作。E-mail：daichanglei@126.com。