戴長雷，常龍艷，孫思淼，呂雅潔，劉月，黃集華

（1.黑龍江大學(xué)a.水利電力學(xué)院；b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080；2.伯明翰大學(xué) 地理地球環(huán)境科學(xué)學(xué)院，英國 伯明翰；3.中冶焦耐工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116065）

0 引言

凍土層是季節(jié)性凍土區(qū)土壤中特有的土層，一般位于土壤包氣帶中。其水理性質(zhì)（容水性質(zhì)、持水性質(zhì)、給水性質(zhì)、透水性質(zhì)）所表現(xiàn)出的不透水作用、蓄水調(diào)節(jié)作用和抑制蒸發(fā)作用，使凍融期降水下滲、土壤含水率的變化狀態(tài)和降雨、徑流、蒸發(fā)的“三水”轉(zhuǎn)換關(guān)系均具有不同于無凍條件下的動態(tài)規(guī)律和特點(diǎn)［1－3］。在寒區(qū)，低溫與凍融作用使水文循環(huán)機(jī)理與過程更加復(fù)雜，將非寒區(qū)理論和方法應(yīng)用于寒區(qū)水文循環(huán)存在諸多問題［4－6］，其中突出問題之一就是春季融雪水在包氣帶凍土層的入滲過程與機(jī)理［7－8］。春季融雪水在包氣帶凍土層的入滲是寒區(qū)水循環(huán)的特有現(xiàn)象之一［9－11］，由于低溫凍土層的存在，其入滲機(jī)理及影響因素更加復(fù)雜，用非寒區(qū)常規(guī)滲流理論解釋這個過程效果較差［12］。因此，研究寒區(qū)凍土層水理性質(zhì)對于凍土區(qū)土壤的含水率的儲存和變化研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過梳理相關(guān)凍土層的水理性質(zhì)相關(guān)概念及特征參數(shù)、凍土層水理性質(zhì)相關(guān)研究、融雪水入滲相關(guān)研究和凍土保墑相關(guān)研究，為寒區(qū)流域產(chǎn)匯流計算、寒區(qū)地下水資源評價、寒區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉和墑情分析等方面研究提供理論依據(jù)。

1 相關(guān)概念及特征參數(shù)

季節(jié)性凍土的水文過程是指水分在季節(jié)凍土凍結(jié)層以下的巖層和土壤內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化和相變的過程，是一種基于凍融土壤為主要下墊面類型的特殊陸面水文過程，其水文特點(diǎn)隨著土壤凍融過程中的不同階段，相應(yīng)地發(fā)生改變?！皟鐾羶鋈谶^程可分為不穩(wěn)定凍結(jié)期、穩(wěn)定凍結(jié)期、不穩(wěn)定融化期、穩(wěn)定融化期，水文特點(diǎn)與非凍土地區(qū)相比有著顯著的區(qū)別［13］”。凍層水理性質(zhì)也隨著凍融期不同階段呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，其各階段對寒區(qū)水資源的影響也各不相同。

基于多孔介質(zhì)滲流理論與常溫條件下巖土水理性質(zhì)理論，將寒區(qū)地下凍土層視為特殊條件下（主要是低溫含冰環(huán)境）的多孔滲流介質(zhì)，從容水性質(zhì)、持水性質(zhì)、給水性質(zhì)、透水性質(zhì)、含冰性質(zhì)5個方面系統(tǒng)描述其與水的儲存與運(yùn)移相關(guān)的物理性質(zhì)；定義容水度、持水度、給水度、滲透系數(shù)、含冰率5個特征參數(shù)。凍層水理性質(zhì)及特征參數(shù)見表1。

表1 凍層水理性質(zhì)及特征參數(shù)Table 1 Characteristics parameters and physical properties of freezing layer water

凍層水理性質(zhì)有關(guān)參數(shù)的正確取用是分析其對寒區(qū)水資源影響中的重要環(huán)節(jié)，也是進(jìn)行地下水賦存分析的重要影響因素。參數(shù)確定及取舍的好壞直接影響著分析結(jié)果的優(yōu)劣，因此相關(guān)參數(shù)的選取顯的尤為重要。

2 凍層水分遷移相關(guān)研究

包氣帶水分運(yùn)移屬于水文地質(zhì)學(xué)科的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，而在凍融作用與凍土層條件下，其水鹽運(yùn)移過程涉及冰、水、氣、土壤顆粒等更多影響因素，呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的現(xiàn)象和機(jī)理［14－16］。

凍融條件下包氣帶水分遷移的理論基礎(chǔ)仍是基于達(dá)西定律和土壤水分非穩(wěn)定運(yùn)動基本方程（Richards方程）。國內(nèi)外凍層水分遷移相關(guān)研究見表2。

表2 凍層水分遷移相關(guān)研究Table 2 Related research on water exchange

然而，上述研究都是針對凍土層自身水分遷移規(guī)律進(jìn)行的，而未將凍土層放在宏觀環(huán)境中視為特殊的多孔介質(zhì)進(jìn)行研究，難以表述、反映及最終量化凍土層水理性質(zhì)入滲的完整過程。

從整體上看，少量可檢索到的文獻(xiàn)都集中在凍土滲透能力研究方面，且明顯存在實(shí)驗(yàn)土壤種類過少、溫控條件不良等不足之處，影響了結(jié)果的代表性和普適性；至于綜合研究凍土水理性質(zhì)研究的文獻(xiàn)則十分少見。

3 融雪水入滲相關(guān)研究

季凍區(qū)存在著積雪和凍土，在凍融期融雪水的入滲對農(nóng)田土壤墑情有著重要的影響。融雪水入滲相關(guān)研究見表3。

表3 融雪水入滲相關(guān)研究Table 3 Related research on snowmelt infiltration

從上述研究中看出，關(guān)于融雪水入滲相關(guān)研究主要停留在對這一現(xiàn)象的描述層面，對于規(guī)律和機(jī)理的研究還有待加強(qiáng)。

若將凍土層作為融雪水入滲過程中的水分交換通道與水分賦存空間［52－53］，凍土層水理性質(zhì)的認(rèn)識和研究是解決這一問題的關(guān)鍵。融雪入滲過程中凍土層作為融雪入滲的交換通道相關(guān)研究見表4。

表4 融雪入滲過程中凍土層作為融雪入滲的交換通道相關(guān)研究Table 4 Related research on frozen soil layer as exchange passageway of snowmelt infiltration

4 凍土保墑相關(guān)研究

“凍土保墑”就是在凍融條件下，凍土層保持土壤水分的作用。除了凍土本身所具有的不透水性、蓄水調(diào)節(jié)、抑制蒸發(fā)作用外，其它因素如溫度、凍層埋深、凍層厚度、分布范圍、連續(xù)性等也會使土壤水分不至于過快入滲或蒸發(fā)而把水分保持在土壤中。

凍土保墑是季節(jié)性凍土區(qū)特有的一種水文現(xiàn)象，在我國東北寒區(qū)有一句諺語“十澇九丟、十旱九收”，其機(jī)理和影響因素的分析對合理高效利用有限的土壤水資源量有重要的意義。凍土保墑機(jī)理：①凍層的弱透水性或不透水性阻礙了融雪水和上層土壤水的入滲，使這部分水分保留在農(nóng)作物主要生長的耕作層中；②凍層自身也在融化，這也為非飽和的耕作層提供了一定量的水分。耕作層水分在春季為植物發(fā)芽、生長提供了較好的水分來源［63］，而這部分水分如果過多則會造成“春澇”現(xiàn)象。凍土保墑相關(guān)研究見表5。

表5 凍土保墑相關(guān)研究Table 5 Related research on frozen soil moisture conservation

以上研究中較一致的看法是，凍土的存在對于土壤墑情的保持有正作用。

5 地下水溢流積冰模型分析

地下水溢流積冰是高緯度高寒地區(qū)普遍發(fā)生的一種現(xiàn)象，同時也是寒區(qū)凍土層水理性質(zhì)的重要表現(xiàn)。在我國，溢流積冰問題最嚴(yán)重的地區(qū)位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)的加格達(dá)奇。在嚴(yán)寒的氣候條件下，凍結(jié)與溢流相伴而生，并在漫長的冬季里擠損護(hù)坡、拔高橋基、破壞兩岸民居。加格達(dá)奇年平均氣溫為－1.2℃，1月平均氣溫－25.5℃，1月平均最高氣溫－16.1℃，歷史最低氣溫－45.4℃，無霜期為85～130d。冬季從9月到次年5月結(jié)束。年平均降水量為494.8mm，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。春秋分明，冬長夏短。因此加格達(dá)奇可以作為地下水溢流積冰問題典型的研究對象。

東北地區(qū)大小興安嶺山前地帶第四系孔隙含水層埋深淺、厚度小，當(dāng)山區(qū)地下水沿著淺薄的含水層向下泄流的過程中遇到弱透水凍土層時，溢流便在連底凍的河床上發(fā)生了。特別是加格達(dá)奇地區(qū)，地下水埋深為0.65～1.80 m，地下水年變化幅度為1.00～2.00 m，地下含水層淺薄，一般5～7 m，最厚14 m。而凍層厚度大，地形切割達(dá)到含水層隔水底板，地下水被迫從兩層接觸處出露成溢流泉，在冬季冰封的冰蓋下面突出，迫使冰面破裂鼓起。

目前對加格達(dá)奇地下水溢流積冰的研究主要采用飽和滲流模型和基于窄縫模型的物理模型等各類數(shù)學(xué)模型方法。通過模型研究可對高寒地區(qū)地下水溢流積冰災(zāi)害進(jìn)行定量評價及為溢流積冰的治理方案提供設(shè)計參數(shù)。研究以大興安嶺地區(qū)加格達(dá)奇實(shí)例調(diào)查與分析的具體情況，和補(bǔ)給水分來源與數(shù)量、溢流通道與溢流強(qiáng)度、冰形成時間地點(diǎn)與規(guī)模、災(zāi)害類型與程度等關(guān)鍵物理量等為基礎(chǔ)，主要考慮結(jié)構(gòu)、功能、輸入輸出、邊界環(huán)境等參數(shù)。其中，結(jié)構(gòu)參數(shù)包括范圍和厚度，功能參數(shù)包括儲水系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)，輸入輸出參數(shù)包括山前側(cè)向補(bǔ)給強(qiáng)度、冰泉溢出強(qiáng)度、承壓水頭等，邊界環(huán)境參數(shù)包括山前側(cè)補(bǔ)斷面、補(bǔ)給山區(qū)匯水量等。

6 俄羅斯科學(xué)院凍土所的相關(guān)研究

鑒于在寒冷地區(qū)，冬季地下水溢流積冰對護(hù)坡等建筑物及兩岸民居的重要影響國內(nèi)外許多學(xué)者圍繞溢流積冰問題做了許多研究工作，其中俄羅斯憑借地理位置的優(yōu)勢，許多機(jī)構(gòu)的學(xué)者對寒區(qū)地下水溢流積冰問題有較深的研究，研究成果處于國際領(lǐng)地位。俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所（麥爾尼科夫凍土研究所（MELNIKOV PERMAFROST INSTITUTE）起源于1941 年，是俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院的重要部門之一，其凍土研究水平居國際一流位置）是俄羅斯寒區(qū)地下水相關(guān)研究的典型代表，其研究的內(nèi)容主要涉及：凍土區(qū)地下水基本概念，包括自然水循環(huán)及其在水文地質(zhì)和凍土地質(zhì)過程中的作用，地下水和凍土之間的關(guān)系，地下水水文地質(zhì)分類等；凍結(jié)層上水的起源、分布與消亡，永凍土對凍結(jié)層上水起源的影響；凍結(jié)層上水的補(bǔ)給，包括降水入滲，凍結(jié)含水層上部包氣帶的水汽凝結(jié)，地表水入滲和其它補(bǔ)給源；天然條件下凍結(jié)層上水的水文情勢，主要有凍結(jié)層上水的運(yùn)動，凍結(jié)層上水的動態(tài)特征，凍結(jié)層上水的水化學(xué)特征，凍結(jié)層上水的凍結(jié)過程）等；人類活動對凍結(jié)層上水的影響，主要有人類活動對補(bǔ)給的影響，人類活動對水文情勢的影響，實(shí)用凍結(jié)層上水排水工程技術(shù)等方面。

基于對以上內(nèi)容的研究，麥爾尼科夫凍土研究所的V.V.Shepelev 教授編寫，R.V.Zhang 教授編輯的 《寒區(qū)凍結(jié)層上水》［68－69］一書已于2011年由俄羅斯新西伯利亞的地球科學(xué)學(xué)術(shù)出版社出版發(fā)行。針對地球科學(xué)界提出的一個新研究領(lǐng)域——寒區(qū)水文地質(zhì)學(xué)，該書介紹了其概念、分類方案、主要影響因素、水的化學(xué)組成特性、持水系統(tǒng)的水動力特征以及它們對技術(shù)影響的響應(yīng)等。全書包含了作者及其團(tuán)隊(duì)多年來對俄羅斯地區(qū)凍結(jié)層上水的形成規(guī)律、區(qū)域邊界特征、相變特征等進(jìn)行系統(tǒng)觀測所得到的大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行系統(tǒng)分析所得到的研究結(jié)果，具有很好的應(yīng)用參考價值。對于寒區(qū)凍層水理性質(zhì)的研究，《寒區(qū)凍結(jié)層上水》一書的相關(guān)成果在理論和實(shí)踐上都有較高的借鑒意義。

7 結(jié)論與討論

由于寒區(qū)環(huán)境的惡劣性、寒區(qū)地下水問題的復(fù)雜性，使得寒區(qū)凍層水理性質(zhì)的研究基礎(chǔ)還相對薄弱。目前對寒區(qū)凍層水理性質(zhì)的研究籠統(tǒng)地采用非寒區(qū)常規(guī)方法并無法取得合理的結(jié)果，寒區(qū)水理性質(zhì)研究的整體水平尚處于對此概念的理論認(rèn)識和基礎(chǔ)監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累階段。因此通過試驗(yàn)和監(jiān)測手段進(jìn)行寒區(qū)凍層水理性質(zhì)實(shí)質(zhì)性研究是必要且迫切的。

本文通過梳理國內(nèi)外凍層水理性質(zhì)相關(guān)研究方法、數(shù)據(jù)及模型等成果，得出如下結(jié)論與討論：

1）表征凍土層水理性質(zhì)特征參數(shù)主要有容水度、持水度、給水度、滲透系數(shù)、含冰率5個特征參數(shù)。相關(guān)研究中監(jiān)測對象大部分偏向于對滲透系數(shù)、含水率、溫度的監(jiān)測，滲透系數(shù)的監(jiān)測無論在理論上還是方法上都是比較成熟和可靠的。而其它參數(shù)特別是含冰率的監(jiān)測研究則較少。

2）凍層水理性質(zhì)相關(guān)研究的內(nèi)容主要集中在凍融期土壤入滲能力的研究及土壤水熱鹽耦合監(jiān)測研究。雪被覆蓋下的凍土入滲規(guī)律研究及凍土保墑研究也比較多。較一致的結(jié)論是凍層弱透水性對土壤入滲有抑制作用，由于積雪覆蓋導(dǎo)致土壤各層含水率隨時間變化波動較為均勻，有利于維持土壤含水率的穩(wěn)定，同時使土壤含水率有增加的趨勢；又由于凍層對土壤與大氣之間的熱交換具有阻滯作用，所以土壤凍融對土壤蓄水保墑、防止春旱具有十分顯著的作用。

3）地下水溢流積冰模型研究以我國東北部典型寒區(qū)加格達(dá)奇為例，從地理位置、溢流積冰形成原因、研究方法3方面進(jìn)行梳理與分析。地下水依賴積冰是由于地形切割達(dá)到含水層隔水底板，地下水被迫從兩層接觸面處出露成溢流泉，在冬季冰封的冰蓋下面突出，迫使冰面破裂鼓起。由于地下水積冰溢流問題所帶來的災(zāi)害顯著，加強(qiáng)對其研究和災(zāi)害的防治是十分必要的。俄羅斯地處高緯度寒區(qū)，存在大面積的凍土。其特殊的地理位置，孕育出眾多的俄羅斯寒區(qū)研究的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)。其中最著名的是俄羅斯西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，其凍土研究水平居國際一流位置，是俄羅斯寒區(qū)地下水相關(guān)研究的典型代表。通過對兩個典型寒區(qū)的相關(guān)研究內(nèi)容和研究程度介紹可為其它典型寒區(qū)凍土及地下水資源研究提供參考。

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