俄罗斯萨哈共和国典型寒区土渠监测与分析——以阿姆金斯基地区斯特罗达州农场的Khalaany盆地灌溉系统为例

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
——以阿姆金斯基地区斯特罗达州农场的Khalaany盆地灌溉系统为例

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进行监测与分析，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。在本文中主要论述Khalaany流域灌溉系统的监测与分析成果，指出：(1)Khalaany灌溉系统区域内的地下冰可以分为冰水泥、纹理形成冰和冰沉积物，主要的低温过程是冻胀、热融、热蚀和冻缩开裂；(2)针对Khalaany灌溉系统中土壤物理性质，进行季节性解冻深度的周期动态观测，发现冻融循环引会发塑性指数变化，从而影响边坡稳定性；(3)Aryy灌区地质条件与Khalaany灌溉系统相同，实验站包括地面管网、三个灌溉渠和一个排灌渠。

寒区；Khalaany灌渠；特征参数；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。

文献[1]对Khorobut灌溉体系的观测研究结果进行论述与分析。本文主要论述Khalaany流域灌溉系统的监测与分析结果。

1 Khalaany灌溉系统

Khalaany灌溉系统位于阿姆加河左岸罗达州农场领土内，距离雅库茨克268 km。灌溉面积及其结构示意图如图1所示。灌溉面积为336.4 hm2，灌溉源是Khalaany河。该系统是1980—1981年根据“雅库吉波罗沃德霍夫斯研究所”项目建造的。

在地理学上，Soloviev和Katasonov对Leno-Amginskoe河间地领域进行了非常好的研究[2-3]。Катасонов Е М、Базылев В А、Зигерт Х对盆地灌溉系统领域进行了研究[4]。

300～400 m厚的永久冻土持续延伸。根据区域类型永久冻土在零深度的温度，年度波动从-1.5～-5.5 ℃不等[5]。

图1 Khalaany盆地灌溉系统示意图

每个地势因素中均可发现地下冰。它们分为三种主要类型：冰水泥、纹理形成冰和冰沉积物，形式为厚透镜、地层和岩脉。Khalaany河谷大部分是厚度达20 m的冰楔。承重层富含冰，并且，根据我们的数据(表1、表2)，直到2.5 m深度的粉质砂壤土水分超过100%，直到7 m深度的含砂带的黏土水分平均为70%。由Zigert K进行的研究表明，研究地区主导的低温纹理是透镜状的，具有各种变体。Khalaany河谷由冰沉积物构成，上层(至2.5 m)呈现为黏土，下层(至7 m)呈现为含有泥沙的黏土，最底层呈现为卵石。

Khalaany盆地灌溉系统存在的低温过程分别为冻胀、热融、热蚀和冻缩开裂。Khalaany河谷是具有多边形地势和热融湖泊的热侵蚀性凹陷。在山谷左侧，热融过程清晰可见。多边形地势各不相同。四边形和五边形的多边形轮廓鲜明。多边形的边为6～8 m，凹槽的深度为0.3～0.5 m。未受干扰地点的季节性解冻深度为1.6 m。

在这个系统中，有1条主河渠、2个土体堤坝和6条排水渠。

该系统的主河渠长3.7 km，它建在河流阶地的最低点，在第一个运行阶段，它作为一个排水系统。规划的河渠具有以下参数：25%洪水概率的承载能力为7.46 m3/s，纵坡为0.005，底部河渠宽度为2～3 m，深度为1.0～1.6 m，坡度比为2.5～3.0，顶部宽度为8～11 m。在PC 28 + 45处建造了一座堤坝，将河渠分为两部分——供应和排放。除主河渠外，还有6条排水渠，总长3.3 km。排水渠以及主河渠均采用E-304 B型挖掘机制造。排水渠横截面为0.5～0.8 m深，0.9 m宽的沟渠。

2 监测与分析

在1985—1986年期间，以下工作在此进行：对系统内的河渠进行目测和器测；针对物理性质研究进行土壤取样；组织和进行季节性解冻温度和深度的周期动态观察。

表1 斯特罗达州农场Khalaany盆地灌溉系统中土壤的岩土描述(根据1985年4月的数据)

表2 Khalaany盆地灌溉系统供应渠道横截面的黏性土壤描述(根据“雅库特项目”研究所的数据)

续表2

图2显示了现场IM(PC 27)处和PC 36泄洪道后面的主河渠。如图2所示，河渠充满了水，斜坡是拉伸的大型岩块。5月15—20日，3 m×1 m的岩块在解冻后立即开始塌陷入水中。必须注意的是，南侧的斜坡经历了最大的变形。虽然北坡也变形了，但却更加稳定。在这里，以及在Khorobut，可以观察到稳定的斜坡上覆盖着草皮的场景，如图2(b)所示。

图2 Khalaany盆地灌溉系统主河渠的大型岩块变形

1986年5月的监测表明，河渠宽度没有增加，斜坡侵蚀过程已经停止，在边界和斜坡上存在带有裂缝的冰。

3 同类灌区(“Aryy”灌区)的监测与分析

灌溉区域“Aryy”位于距阿姆加河左岸的Khalaany灌溉系统2 km处，如图3所示。灌溉面积为147.7 hm2，其中喷雾灌溉面积为110 hm2。供水源是阿姆加河。该系统建于1984—1985年，由“雅库吉波罗沃德霍夫斯”研究所设计。地质条件与Khalaany系统相同。

“Aryy”区域是列宁全联盟农业科学院西伯利亚分院的实验站。起初计划在那里建一个封闭的灌溉网络，所以挖沟渠引入了钢筋混凝土环的检查井，但最后决定在地面上建造。这是由于在雅库特州缺乏运行封闭式灌溉系统的经验。

除上述直径为300 mm的地面管网外，还有三个带有出水口的灌溉渠和一个排灌渠。

计划对各种灌溉机械进行实验测试：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型号的开沟机制造了承载能力为0.13 m3/s的土体灌溉河渠。灌溉河渠具有以下参数：0～1、0～2和0～3各为500 m长；轮廓接近抛物线；顶部宽度为2 m；深度为0.8 m；河渠之间的距离为120 m。水被运送到河渠的特殊入口处。

灌溉河渠0～3和0～2区域平坦，至少坡度足够平缓，可以通过灌溉机械。河渠0～1区域是事先设计的，即在300 m的区域内(从PC 1～PC 4)，去除0.6～1.0 m厚的土层。

1985年5月对灌溉河渠的观察显示，情况良好。但在秋季，河渠0～1区域已经沿着冰楔出现了一些变形。

1986年3月，登记了0～1区域河渠的以下参数：应变区顶部的河渠宽度为2.5 m(最初为2 m)；冰融化地方的底部沉降了50～ 60 cm，斜坡由于岩块滑落而变形。每8～10 m(冰楔多边形的宽度)观察到凹陷。未受干扰地方的雪盖厚度为25～28 cm，运河处为30～80 cm。

1986年5月，当雪融化时，对系统再次进行观测。图4显示的是河渠0～1区域条件的照片。同时在三条河渠处进行土壤取样见表3。5月18日，河渠水深20～5 cm。在进水口的混凝土板下方，底部解冻至20 cm，斜坡解冻至30～5 cm。运河0～1区域季节解冻的秋季测量见表4。

两年期间对系统的观测显示，以抛物线形式或坡度比接近3.0的等级线建造的河渠在季节性解冻层中不发生变形。如果冰楔上的保护层被去除，并且永久冻土与大气的热力学平衡受到干扰，则河渠表面会发生变形。

推荐Amga移动机械事业部运用机械恢复河渠0～1。先使2～3 a的地下冰层融化，再用土壤填满，最后再次截断河渠。

图3 1986年5月，阿雅加河“Aryy”stow 和运河 图4 1986年5月，阿雅加河实验区灌溉计划

取样位置土壤类型采样深度/m水分含量/%容重/(g·cm-3)液限塑限塑性指数土壤中植物残留/%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(护坡)均质砂壤土0157601553942761180415133517144-灌溉渠-1(护坡)轻亚黏土0149401594262811450317170492175-Khalaany(排水管)轻粉砂壤土-011122575383192-0105204496175MCPI区域(干旱坡地)均质砂壤土-4480170608467141-0105105516202

表4 在阿姆金斯基地区的斯特罗达州的农场“Aryy”灌溉系统的灌溉渠0～1在土壤解冻时的深度(根据1986年秋天Mandarov A A的数据)

4 结 论

(1)对Khalaany灌渠不同深度的区段渠道变形特征进行了分析，随着深度的增加，特征参数均发生变化。

(2)针对Khalaany灌溉系统内土壤的物理性质进行季节性解冻深度的周期动态观测，发现冻融循环会引发塑性指数变化，从而影响边坡稳定性。

(3)以抛物线形式或坡度比接近3.0的等级线建造的河渠在季节性解冻层中不发生变形。如果冰楔上的保护层被去除，并且永久冻土与大气的热力学平衡受到干扰，则河渠表面会发生变形。与Khalaany灌溉系统同一地质条件下的“Aryy”灌区，不同坡度比建造的灌溉渠在季节性解冻层会发生不同的形变。

[1] 鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张，戴长雷，李卉玉.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[J].黑龙江水利，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

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，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。

S277

A

2096-0506(2017)10-0026-07