俄国斯萨哈共和国寒区灌渠积雪和土基温度监测与分析

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，李卉玉，于 淼 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)

寒区灌渠的温度状态是影响其稳定性的重要因素。因此，我们考虑土壤含水量和积雪动态等因素对寒区灌渠的温度状态的影响，从理论和实际监测上进行了大量的研究与分析。旨在为解决目前寒区灌渠出现的问题提供思路与参照。本文对俄罗斯萨哈共和国典型寒区灌溉系统土基的含水特征、积雪动态变化和温度的监测与分析等方面来进行论述。

1 土基含水特征监测与分析

在雅库特的灌溉系统中，土壤含水量动态变化反映了周期性的淹没和年度冻融循环。横断面水分分布是成轴对称分布的，反映了渠道中水流运行过程中渠道底部和边坡的淹水和欠水的特点[1]。在Khorobut盆地灌溉系统的渠道监测中得到：多年冻土土壤含水量为10%～40%，春季季节性冻融土壤的淹没水位(底坡和下部斜坡)，以及未淹没水位(上部斜坡)，并给出了现场观测的日期与典型时段的湿度场(如图1)。

分析结果表明，在上层未冻土层中，季节性融化土壤的含水量取决于降水量，而且这些土壤在夏季会经受严重干旱的影响。该层含水量为1%～2%，最大深度为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冻结状况。深度范围在0.2～0.3 m时，土壤含水量增加到30%～40%，比初始值高出10%～20%。

上述含水率动态及其他因素和地表条件对灌渠土基温度场的形成有重要影响。

图1 Khorobut流域灌溉系统PC 1+63干渠土基的水分分布

2 积雪动态监测与分析

从1986—1989年4 a时间研究了Khorobut和Khalaany流域灌溉系统的积雪动态。10月上旬，形成稳定的积雪，整个冬季积雪厚度不断增加。冬季刚开始的时候，沿着整个渠道积雪下降均匀。在强风的条件下(2下旬—3上旬)积雪深度分布变化不大，表1包含Khorobut和Khalaany灌溉系统中干渠的平均积雪深度和密度值。表2给出多年测量的最大值。

表1 1986—1989年期间Khorobut和Khalaany灌溉系统干渠积雪深度和密度的平均值

表2 1986—1989年期间Khorobut和Khalaany灌溉系统干渠积雪深度和密度的最大值

观察表明，在干渠积雪的深度和密度均在长期平均水平，平均深度为32.5 cm，密度0.14 g/cm3。多年来，在Khorobut最大积雪深度在12月达到了56 cm，密度为0.084 g/cm3。在观测期间，Khorobut的雪深和密度的平均值分别为48.3 cm和0.15 g/cm3，而在Khalaany分别为49.8 cm和0.13 g/cm3。

渠道中的积雪从5月份开始融化。积雪虽然变薄，但仍起着隔热的作用。在河床下面的地表热力系统的动态证明了这一点，如下所述。

3 温度特征监测与分析

Khorobut灌溉系统渠道温度状况的监测自1986年4月以来已经开始运行20 a，在2个10 m深的钻孔中，5个2～3 m深的钻孔和1969年20 m深的4号钻孔，对季节性冻融层的温度状况进行了详细研究，其中河道与环境的相互作用最为活跃。在深井中，图2和图3显示的是来自深孔的温谱图和温度场，其中从1986—1990年，来自4号钻孔的热分析图呈现出一个年度周期。

图2 在Khorout流域灌溉系统的干渠温度场的动态变化

图3 Khorobut灌溉系统干渠PC 1+63对齐深井的温谱图

温度体系的动态表明基础土壤处于周期性循环的状态。比较土基与未受干扰的场地的温度分布，结果表明，渠道建设改变了自然条件下的温度场。自然条件下温度波动层的年平均温度为3.3 ℃，在运河建成的20 a运行后，温度上升到2.3 ℃，底部上升到1.4 ℃。温度波动层的年平均温度已经从3.3 ℃变为2.0 ℃，而在渠道底部则变为-1.5 ℃。通道的热影响距离轴线50～55 m的距离。

通过分析冻土层季节性冻融层的温度状况[2]，应该指出的是，与其他因素一起，总体上形成了渠道基础的温度状况。

雅库特中部通常在4月下旬积雪开始融化。表3显示了Khorobut灌溉系统干渠的融化深度，等温线表征了底部和斜坡土壤的深度和融化速率，如图4。河道底部解冻速率的一个典型特征是它明显依赖于土壤的含水状况和表面积雪的热交换条件。因此，在1988—1989年Khorobut灌溉系统的干渠，与1986—1987年相比，季节性融化深度急剧下降。这是由1985—1986年的事实所解释的。由于缺乏径流，该渠道没有得到水源。而在1987年的春夏季节，河道内水量增加，导致土壤水分含量达到饱和。1987—1988年的冬天，由于在季节性融化层的土壤冻结过程中水分的迁移，湿度范围增加到40%～45%。此外，1988年春季在河道中增加的水量也减缓了融化过程。观察期(6月18—20日)内土壤融化的速度几乎相同，达到1 cm/d。而在1988—1989年这段时间急剧减缓，达到0.2～0.3 cm/d，这种趋势一直持续到10月前10 d，也就是从表面开始冻结的时刻。从10月的第10天到11月的第20天之间，融化深度一直保持在1.4 m，然后从上面和下面开始急剧冻结[3]。在11月的最后10 d，季节层的冻结周期已经完成。

表3 在Khorbut盆地灌溉系统主坝址(PC 1+63)处的土壤季节性冻融深度(根据探测数据1) m

续表3 m

孔号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

孔号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年冻土边界 2—1989年冻土边界图4 Khorobut灌溉系统中干渠PC1+63季节性冻融层的温度场动态变化

在运河缺水的年份(1986年)，解冻速度为1 cm/d一直保持到8月底(融化深度为200 cm)。从8月底到10月上旬，解冻速率减慢，最后达到零值，解冻深度为230 cm。

渠道边坡土壤年复一年的解冻过程是以相同的速率进行的，并且通过其热湿状态对边坡进行调节。没有详细描述解冻过程的细节，如图4所示，我们注意到在渠道运作期间，斜坡并没有长时间受到水浸影响。在5月中旬观测6～7 d的钻孔中，地下水充满了水分，这对斜坡的水分状况没有显著影响。因此，该地区土壤的冻融过程是典型的。

渠道底部解冻层的温度状况反映了春夏时期的淹没状况。因此，1990年5月15日水进入河道前，50 cm解冻层平均温度为7.0 ℃，5月20日水进入运河时，该层温度急剧下降至1.8 ℃，解冻层60 cm处在5月30日时温度达到7.0 ℃。5月20—27日这段时间，水位从5 cm上涨到210 cm，之后水位逐渐下降，直至6月5日达到50 cm。此时，在75 cm深度的解冻层，平均温度上升了1.4 ℃，达到8.4 ℃。在此期间的平均水温是13.8 ℃。这些数据表明，大部分太阳能在水流中发生了转变，从而降低了土壤解冻的速度。

渠道土壤的季节性冻结始于9月下旬10月初。根据冬季土壤的湿度和雪的厚度，也形成了该层的温度状况。所以，在1985—1986年的干旱年份，3月份底层平均温度为10 ℃，1987—1989年潮湿，在同一时期只有2.1 ℃。冬季渠道的季节性冻结层的温度状况具有逐年稳定的特点。深度土壤的平均温度是：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 ℃。

这就是雅库特中部季节性融化冻土层的温度状况的动态，它们是在春夏时期的周期性情况下监测得到。

4 结 论

(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冻结状况，这些含水率动态及其他因素和地表条件对灌渠土基温度场形成有重要影响。

(2)多年研究表明，渠道内积雪的深度和密度均长期处在平均水平，积雪融化后虽然厚度变薄，但仍起着隔热的作用。

(3)对季节性冻融层的温度状况进行了研究，发现河道与环境的相互作用最为活跃。

(4)数据表明，渠道底部解冻层的温度状况反映了灌渠春夏时期的淹没状况，而冻结层的温度状况是根据冬季土壤的湿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.