混凝土襯砌渠道表面溫度分布研究

馬瑞忠（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局　新疆　阿克蘇　843000）

混凝土襯砌渠道表面溫度分布研究

馬瑞忠
（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局新疆阿克蘇843000）

本文從太陽熱輻射角度出發(fā)，建立了渠道表面太陽能計算方法，分析了陰坡、陽坡、渠底太陽能輻射的差異。以太熱輻射計算值為基礎(chǔ)，利用反演方法得出了混凝土襯砌渠道表面溫度分布，計算結(jié)果可用于研究渠道凍脹情況。目前，對于渠道襯砌凍脹量受太陽輻射影響的研究還不多見，為此建立梯形渠道太陽能輻射計算模型，對研究渠道凍脹量分布具有重要意義。希望為今后渠道凍脹研究提供參考。

混凝土襯砌；渠道；太陽輻射；溫度分布

1　引言

我國季凍區(qū)渠道凍脹破壞較為嚴重，使我國北方地區(qū)渠道防滲效果變差，灌溉效率降低，制約著北方地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

太陽輻射屬于全球性清潔能源，對地表溫度場分布影響重大，全國各地氣候差異的根本原因是太陽能分布不均［1-2］。由于太陽能的重要性，眾多學者致力于太陽能輻射量計算模型研究。我國北方地區(qū)多為季節(jié)性凍土區(qū)域，冬季渠道凍脹破壞較為嚴重，凍土融化后渠道防滲效果變差，灌溉效率降低，嚴重制約著北方地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展［3］。研究表明：渠道凍脹的主要影響因素有土壤成分、水分含量、溫度、外部載荷等［4］。渠道凍脹水平受太陽輻射影響較大，通常情況下：陰坡的渠道凍脹量＞渠底凍脹量＞陽坡凍脹量。資料顯示，某東西走向渠道陰坡凍脹量是渠底凍脹量的1.35倍，是陽坡凍脹量的1.8倍［5］。

2　渠道太陽輻射模型

太陽輻射是一種電磁波，包括直接輻射和散射。受渠道走向、傾角、緯度等因素的影響，陰坡和陽坡接受太陽輻射量區(qū)別較大，東西走向渠道差異最大。渠道襯砌接收的太陽輻射受：入射角、地形、海拔、云量、混凝土材料等因素綜合影響。太陽輻射是導(dǎo)致地表溫度分布不均的直接因素，由于陰坡和陽坡所受太陽輻射強度不同，因此兩個邊坡的凍深差距較大，溫度場分布極不均勻。為了預(yù)測渠道溫度變化，建立梯形渠道邊坡太陽能輻射量計算模型，根據(jù)入射角、光線夾角、太陽能輻射量等因素計算邊坡接收的總太陽能輻射量。國內(nèi)外學者已經(jīng)提出了許多關(guān)于太陽輻射的經(jīng)驗計算式，但這些模型中很少有針對水利工程的［6］。綜合研究現(xiàn)狀可知，影響渠道表面溫度分布的主要因素有：太陽輻射強度、入射角、光照時間、環(huán)境溫度、環(huán)境風速、土體性能等。本文利用MATLAB軟件，建立了渠道太陽輻射模型，得出了渠道表明太陽能輻射量的計算方法。

由于日地距離很遠，近似認為太陽光束是平行入射的，假設(shè)太陽光束的入射角為i，則太陽光傾斜照射在平面上的光伏強度為：In=Isini。太陽輻射到達渠道襯砌的總輻射量為：Gt=G0（I1+I2）。梯形渠道結(jié)構(gòu)較為簡單，將其簡化為平面進行二維研究，由于陰坡對太陽輻射具有遮擋，因此隨著太陽高度角α不斷變化，渠道表面的太陽能輻射量也一直在變化［7］。

太陽輻射計算式為：

式中：Ln為渠道斷面上太陽能輻射長度；α為太陽高度角；β為渠道坡角；m為渠道底部寬度；h為渠道深度。

根據(jù)計算模型，通過計算渠道斷面上太陽能輻射長度就可得出渠道太陽輻射情況，運用MATLAB軟件建立梯形渠道太陽能輻射量計算成型，計算周期根據(jù)太陽高度角α確定，當太陽東升西落時，cosα剛好從1下降到0，隨后又上升到1。MATLAB程序流程見圖1。

圖1　MATLAB程序流程

3　渠道表面溫度分布

本文選擇研究對象原型是塔里木河流域阿克蘇總干渠“U”形渠觀測段，梯形渠道坡度為1∶1.5，渠底長度2m，坡底長度3.75m，渠道深度為2.6m，凍結(jié)期為每年12月至次年2月。該渠道各部位月平均溫度見表1。

表1　　渠道各部位月平均溫度

將太陽與地球的距離視為無窮遠，認為照射在渠道襯砌各部位的太陽光束是平行的。由于太陽光線時刻變化，因此各時刻的輻射量也不同，選擇12月15日、1月15日和2月15日作為研究對象，計算3個研究日的輻射總量，計算結(jié)果見圖2。通過計算結(jié)果看，三個研究日的輻射總量曲線基本一致，陽坡的輻射總量最大，陰坡輻射總量最小。從曲線斜率看，陰坡斜率為0，陽坡斜率較小，而渠底斜率最大，說明陰坡對太陽輻射具有遮擋作用，該處的總輻射量僅為陽坡的1/3。對于陽坡，2月15日的太陽照射角度為70°，幾乎為垂直照射；針對陰坡，2月15日的太陽照射角度僅為10°，照射時間很短。2月15日陽坡的照射時間為10h，陰坡為2h，渠底為4h，這就直接導(dǎo)致了各部位吸收太陽輻射不均。

圖2　研究日的輻射總量分布

渠道自身對太陽輻射也具有一定遮擋性，陽坡的遮擋性最小，由于渠道為東西走向，陽坡朝南，因此陽坡的太陽光束幾乎為垂直入射，其日總輻射量最大，可達5.6MJ/m2。由于渠底受到陰坡的遮蔽，光束與渠底襯砌板的夾角為30°左右，渠底總輻射日總量自陽坡至陰坡直線下降，平均輻射量為3.4MJ/m2。陰坡被自身遮蔽，接收到的輻射總量較小，僅為1.6MJ/m2。從照射時間看，陰坡的光照時間僅為110h，陽坡的光照時間為650h，渠底的光照時間為300h，渠道各部分照射時間的差異主要是自身遮擋導(dǎo)致的。為了進一步分析研究日渠道襯砌溫度分布，表2給出了3個研究日不同時段的環(huán)境溫度。

綜合3個典型日輻射總量測量值來看，陽坡的輻射總量比陰坡和渠底大的多。雖然陰坡的照射時間小于渠底的照射時間，但是渠底的散射量較大，且渠底當量長度比陰坡、陽坡小的多，因此渠底吸收的輻射量小于陰坡。從表2來看，渠道月平均溫度測量結(jié)果為：陽坡最大，陰坡次之，渠底最小。利用太陽輻射總量分布和環(huán)境溫度，對梯形混凝土襯砌渠道進行反演計算，得到3個研究日的溫度分布情況［8］。渠道襯砌接收的太陽輻射總量由MATLAB程序計算得出，圖3和圖4分別給出了12月15日和2月15日渠道陰坡、陽坡、渠道的溫度分布情況。

圖3　12月15日渠道溫度分布

圖4　2月15日渠道溫度分布

從計算結(jié)果看，渠道各部分溫度呈現(xiàn)白天高夜間低的特性，但是夜間渠底、陰坡、陽坡三條曲線重合，這與現(xiàn)場測量結(jié)果并不相同，究其原因是計算中忽略了混凝土吸收率和儲熱能力。12月15日表示剛剛進入凍結(jié)期，白天的陰坡、陽坡、渠底溫度均能達到零上；2月15日表示凍結(jié)期結(jié)束，因此白天的陰坡、陽坡、渠底溫度均能達到零上；但1月15日氣溫很低，土壤凍結(jié)較為嚴重，因此陰坡溫度全體都在0℃以下，陽坡溫度在下午2點前后可以達到零上。

由圖3和圖4可知，早上7點左右，各坡面開始吸收太陽輻射，表面溫度開始升高。對比發(fā)現(xiàn)，陽坡表面溫度上升較快，陰坡的溫度上升速度最慢。由于大部分時間陰坡只能接收到陽坡和渠底的散射，因此溫度一直較低。在午后2點左右，渠道溫度達到當日最大值，比環(huán)境最高氣溫滯后1個小時。隨后，太陽輻射量逐漸減小，渠道溫度開始下降。

研究表明，混凝土襯砌渠道表面溫度分布與當?shù)丨h(huán)境溫度變化基本一致，夜間降低白天上升，當早上7點后受到太陽輻射時，渠道各部分溫度明顯上升，但3條線并沒有立刻分離；在10點左右，陽坡受到的太陽輻射更多，因此溫度上升較快，在這一時刻3條線開始分離；混凝土襯砌板具有溫度滯后性，在太陽輻射出現(xiàn)最大值后2個小時，襯砌板表面溫度才達到最大值。渠道凍脹水平受太陽輻射影響較大，陰坡的渠道凍脹量＞渠底凍脹量＞陽坡凍脹量。

表2　　研究日不同時段的環(huán)境溫度（℃）

4　結(jié)語

渠道凍脹水平受太陽輻射影響較大，通常情況下：陰坡的渠道凍脹量＞渠底凍脹量＞陽坡凍脹量。目前，對于渠道襯砌凍脹量受太陽輻射影響的研究還不多見。以新疆阿克蘇干渠為例，從太陽熱輻射角度出發(fā)，建立了渠道表面太陽能計算方法，分析了陰坡、陽坡、渠底太陽能輻射的差異。以太熱輻射計算值為基礎(chǔ)，利用反演方法得出了混凝土襯砌渠道表面溫度分布。研究表明：陰坡對太陽輻射具有遮擋作用，該處的總輻射量僅為陽坡的1/3；混凝土襯砌渠道表面溫度分布與當?shù)丨h(huán)境溫度變化基本一致；混凝土襯砌板具有溫度滯后性。陜西水利

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（責任編輯：唐紅云）

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