習阿幸, 劉志輝,3,4, 盧文君

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊830046; 2.新疆大學 教育部綠洲生態(tài)重點實驗室, 烏魯木齊830046;3.新疆大學 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心, 烏魯木齊830046)

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干旱區(qū)季節(jié)性凍土凍融狀況及對融雪徑流的影響

習阿幸1,2, 劉志輝1,2,3,4, 盧文君1,2

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊830046; 2.新疆大學 教育部綠洲生態(tài)重點實驗室, 烏魯木齊830046;3.新疆大學 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心, 烏魯木齊830046)

利用天山北坡季節(jié)性凍土區(qū)的軍塘湖流域觀測場2013年和2014年凍融期凍土深度及各層土壤的溫濕度數據，研究季節(jié)性凍土的凍融規(guī)律及凍融過程中土壤含水量的變化特征，探討各層土壤水分分布及遷移特征對融雪徑流的影響。結果表明：凍融過程中凍土深度會發(fā)生變化，且溫度不同凍融速率不一；土壤水分的遷移受制于土壤溫度的變化，特別是表層10 cm土壤溫濕度相關性極大；對比2013年，2014年數據，土壤表層10 cm內的含水量變化會對融雪水的下滲有調控作用，從而影響下墊面的徑流量。研究季節(jié)性凍土凍融過程及對融雪徑流的影響，會對準確預報融雪性洪水有重要意義。

季節(jié)性凍土; 凍融過程; 水分運移; 融雪徑流

凍土在我國分布較為廣泛，約占陸地總面積的70%，分為季節(jié)性凍土和多年凍土。季節(jié)性凍土是一種溫度在0℃或以下，且含冰晶的特殊土水體系，一般存在冬季凍結到春季或夏季融化的過程，通常被認為是不透水層[1]。季節(jié)性凍土水文的復雜性從性質上改變了土層結構和土壤水分的運移規(guī)律[2]，特別是在凍融過程中，凍土深度的變化、土壤溫濕度的變化、水分的遷移等都會一定程度影響凍土水熱狀況，改變凍土區(qū)水循環(huán)過程，會對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定影響[3]。在我國西北干旱區(qū)，積雪覆蓋下的季節(jié)性凍土普遍存在，由于它的不透水性，所以在周期性的凍融中會改變融雪水的下滲，進而改變土壤里的水熱平衡狀態(tài)[4]，影響積雪—土壤界面的水分運移過程，會造成流域產匯流的不穩(wěn)定，既而對洪水的形成與發(fā)展有很大的作用，會造成一定程度的融雪性洪水災害。所以，研究干旱區(qū)季節(jié)性凍土凍融狀況對融雪徑流的影響是非常重要的，對建立分布式融雪徑流模型ARRSSVM中凍土模塊有一定理論參考[5-6]，并能準確確定其模型參數，從而可提高融雪徑流量模擬的準確性，對洪水預警預報提供決策支持。

目前凍土的研究正越來越得到國內外學者的關注，已有一定的基礎。Kane等[7]常年對北美亞極地凍土區(qū)融雪徑流進行觀測研究，發(fā)現由于凍土存在，融化期徑流系數高達0.7～0.8；Niu等[8]提出季節(jié)性凍土中由于冰的存在，其水文與熱力學特性發(fā)生改變，使得凍融期土壤入滲能力降低；楊針娘等[9]在祁連山冰溝流域進行凍土觀測試驗，首次指出凍土存在會對流域產流量有一定調節(jié)作用；肖迪芳等[10]通過試驗研究季節(jié)性凍土水分運移規(guī)律、地下水分割等，指出凍土具有不透水性和蓄水調節(jié)作用，并提出凍土存在下降水與徑流的關系；付強等[11]采用土壤水動力學建立積雪覆蓋下的季節(jié)性凍土水分遷移模型，模擬了冬季土壤凍結條件下水分的動態(tài)遷移。劉楊等[12]利用SHAW水文模型對凍土層土壤的水熱遷移狀況進行模擬研究，效果較好；張偉等[13]用CoupModel水文模型對積雪和土壤層影響下的多年凍土層水熱運移狀況進行了研究。以上學者對凍土存在下的影響已有突出的研究，由于凍土層深度的不同以及其對外界條件的敏感性，使得凍土凍融過程中水分運移具有一定的復雜性，且土壤水分變化會對凍土層和地表層有較大的影響。但是目前在這方面的研究相對較少，特別是對于水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱的西北干旱區(qū)，在季節(jié)性凍土對融雪洪水的調控方面尚缺乏深入認識。

為此，本文以新疆天山北坡為例，通過2013年和2014年兩年的凍結期和融雪期土壤性質的野外試驗，對比分析了積雪覆蓋下土壤凍融過程的特征，包括凍融深度、土壤溫度和土壤液態(tài)水含量的變化特征，進而探討土壤水分分布特征和運移特征，并主要研究其對融雪徑流形成過程的影響，以期為融雪期的洪水預報提供理論支持，為推進這一領域的研究具有重要意義。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

本文以新疆呼圖壁縣境內的軍塘湖流域為研究區(qū)，該流域發(fā)源地為天山北坡中段，位于塔西河與呼圖壁河間的中低山帶,主體高程為1 000～1 500 m，山勢較平緩。流域面積為841 km2，地表覆蓋主要以裸地和農田為主；土壤類型從海拔高到低依次為高山草甸土、灰褐土、黑鈣土、栗鈣土及棕鈣土，且有季節(jié)性凍土存在。此次試驗選擇研究區(qū)中段一封閉的小流域(86°28′30″E，43°51′44″N)作為研究的觀測點，平均海拔1 080 m。試驗場土壤類型主要為粉壤土，每年11月積雪覆蓋，季節(jié)性凍土出現于積雪覆蓋前后至次年3月融化，平均最大凍結深度為1.3 m。每年2月底氣溫開始回升，隨之積雪和凍土開始逐漸融化，融雪水不斷形成徑流。該流域水資源大部分為季節(jié)性融雪水補給，具有明顯的干旱區(qū)河流水文特性，且多年年平均徑流量為3.89億m3。

1.2數據獲取與方法

本研究團隊已在此流域有多年的研究基礎，每年選用自動氣象儀CR23X和DL2e定點測量氣象數據和土壤數據(分別架設在試驗場流域的出口處和溝谷中間位置)，包括太陽輻射、空氣溫濕度等，以及利用其采集器的探頭測量各層土壤溫濕度和未動水含量，埋深為每隔5，10，20，30，40 cm。觀測期為每年的3月至4月份融雪期，期間最高氣溫可達16.78℃，最低氣溫為-15.55℃。為了研究凍結期土壤特征，每年11月將美國Decagon公司EM50采集器自土表層以下5，10，20，40，60以及80 cm深處埋下，自動采集土壤溫濕度和未凍水含量。土壤凍融的測定是每年11月凍結期前在試驗場流域中心位置安裝LQX-DT凍土器，每天測量記錄土壤凍結深度和融化深度。

2　結果與分析

2.1凍融過程凍土深度與溫度的變化

季節(jié)性凍土凍融過程的一個重要指標就是凍土深度，由于季節(jié)性凍土的活動層接近于地表，對溫度的變化較為敏感，反映較迅速，所以凍土深度能夠表征土壤受外界因素的影響作用[14]。本研究試驗以2012年11月到2013年3月中旬為一期，以2013年11月到2014年3月為第二期，分別用兩年的數據進行對比分析。圖1為不同時期軍塘湖流域觀測場的地溫等值線圖，橫坐標為凍結期到融雪期的時間，縱坐標為土壤深度，等值線圖表征了2013年和2014年不同時期不同土壤深度各層的土壤溫度變化特征，圖2為試驗場凍土凍融過程中受地溫影響下凍結及融化深度隨時間的變化曲線。

圖1　不同時期軍塘湖觀測場土壤層地溫等值線

圖2　凍融過程凍土深度隨時間的變化曲線

從圖1中可以看出，2012年11月土壤整體溫度逐漸降低，且上層土壤比下層土壤溫度低，隨著時間的持續(xù)，表層土壤溫度越來越低，一直持續(xù)到2013年1月底，且從上到下溫度梯度差逐漸增大，到3月初隨著氣溫的上升，土壤表層溫度也逐漸增大。再到2013年11月土壤溫度又開始降低，土壤凍結繼續(xù)，一直持續(xù)到2014年3月10日左右，土壤溫度上升此時土壤消融開始。土壤溫度的這種循環(huán)變化是因為在凍結初期，空氣逐漸降溫，土壤層內部的熱量由底層傳輸至地表，地表由于放熱冷卻溫度逐漸降低。隨著地溫降低和雪層厚度的積累土壤凍結持續(xù)，各層土壤的溫度也逐漸降至最低點。之后，由于氣溫的升高，地表溫度逐漸增大，土壤各層的溫度也較之前增大，從圖1中可以明顯看到。這是因為隨著溫度的升高，土壤的熱量又由地表傳輸至下層，所以土壤各層溫度升高。此過程中凍土的凍結深度一直發(fā)生著變化，在凍結期，由于地溫的逐漸降低，土壤從表層開始凍結，且凍結速率較大凍深不斷增加。但之后由于積雪的覆蓋影響地溫，在進入融雪期前凍土凍結速度會逐漸減小，凍深增加緩慢，隨之達到最大深度，至此地表土壤完全凍結。由圖2可知，土壤凍結過程從上年11月持續(xù)到下年2月，2013年最大凍土深度為20 cm出現在2月4日，2014年最大凍土深度出現于2月16日左右，為18 cm。3月初氣溫開始快速升溫，此時進入融雪期，積雪也開始融化，其低導熱性對凍土的影響也漸弱，凍土層中的冰體從表層開始快速融化，且下界面土壤又受到底部地熱的作用也開始融化。如圖2所示，土壤從上下兩界面同時融化，且上界面速度相對較快，主要原因是土壤上層得到傳輸的熱通量較大，加快了凍土融化。

然而，在積雪覆蓋下，日平均氣溫不同，各層地溫不同，凍土消融的時間也就會不同，如圖2所示，2013年比2014年土壤融化的時間短、速度快。這是由于2013年從3月4日至3月10日左右，氣溫迅速升高，地表溫度逐漸增大，熱量由地表向下傳輸時致土壤消融速度加快，而2014年融雪期前期從2月底到3月初，雖然溫度在升高但平均氣溫上升速率持續(xù)較低，土壤消融速度相對較慢，在3月8日之后隨著地溫不斷增加，土壤開始不斷融化。所以，氣溫對凍土深度有正反饋影響作用，即凍土的融化過程受控于從地表層傳輸到消融界面的熱量。

2.2土壤凍融過程中水分變化特征

季節(jié)性凍土在凍融過程中不僅凍深會發(fā)生改變，其土壤的干濕和熱量狀況還會顯著改變，是因為在凍融過程中受到外界條件的制約，土壤水分存在使得土壤自身特性發(fā)生改變，其中包括水力學和熱力學特征，從而改變土壤水熱平衡[15-16]。通常是用土壤含水量來表征土壤水分，凍結期的土壤含水量為土壤的未凍水量，融化期的土壤含水量是指土層中總水量。土壤含水量的多少會影響土壤的凍融狀況以及土壤各層熱量的分布。所以說，土壤含水量是表征土壤凍融過程中水分遷移的重要因子[17-18]。

圖3為2012年至2014年不同時期凍結到融化時土壤含水量隨土壤深度變化的等值線圖，對比土壤凍融深度圖可以看出，在2013年和2014年凍結初期土壤凍結深度較淺，未凍水含量較大，隨著時間的持續(xù)，在土壤溫度梯度的影響下凍結鋒面發(fā)生改變，土壤中的未凍水從凍結界面下層遷移至凍結界面，使凍結界面處含水量較大，未凍水在溫度影響下凍結成冰。且土壤溫度越低，凍結速度越快，所以此時等值線圖較為緊密，是因為在凍結期隨著土壤溫度的不斷降低，含水量變化劇烈，特別是表層土壤，不斷的放熱冷卻與外界發(fā)生著能量的交換，致使土壤含水量變化較為顯著。之后，土壤各層的含水量較穩(wěn)定，基本保持不變的狀態(tài)，這時凍土層完全凍結。但此時在土壤溫度梯度下土壤中少量的未凍水有明顯向上層運移的趨勢，也就是說，從整體上看土壤上層含水量較下層含水量多。在2013年2月底和2014年3月初隨著溫度的升高，進入融雪期，此時較厚的積雪層開始融化，凍土層由于吸熱也開始從上下界面慢慢融化，則上層土壤和下層土壤含水量逐漸變化，之后氣溫增溫較快影響土溫急劇上升，含水量的等值線圖又重新緊密，意味著凍土層中冰快速融化，土壤含水量明顯增大。再加上大量的積雪融化水在重力下下滲至土壤層，土壤的液態(tài)水及下滲的融雪水隨著融化層的變化不斷向下運移，所以土壤中的液態(tài)水含量較多且存在向下運移的趨勢，以到達完全融化狀態(tài)，之后土壤含水量不斷增大至飽和到達一定穩(wěn)定狀態(tài)。而對比2013年和2014年，融化前期土壤含水量2014年比2013年整體較小，且等值線圖也未達到2013年緊密程度，是因為溫度的影響使得2014年凍結期持續(xù)較長，土壤含水量先逐漸減小達到穩(wěn)定，在3月10日左右才逐漸增大，且此時融雪期積雪已開始慢慢融化，但溫度上升速度持續(xù)較低，土壤融化速度較慢，大量融雪水下滲至土壤表層時，受到凍土中未融化層的阻隔導致雪水下滲量極少且大部分遷移至地表形成徑流。所以，土層中的含水量不多且變化較小。

圖3　不同時期軍塘湖觀測場各層土壤含水量等值線

對比分析2013年和2014年凍融階段土壤含水量的變化特征，可以得出，凍結期溫度降低，土壤中水分不斷凍結成冰，少量未凍水由于土壤內部溫度梯度的形成有向上層運移的趨勢。所以土壤溫度狀況決定了土壤水分的相變[19]，融化期土壤水分和融雪水的遷移受制于溫度變化下的凍土融化程度，遷移量的多少也受到積雪層厚度的影響。

土壤水分的這種變化特征與土壤各層的溫度有較大的相關性[20]，如圖4所示，2013年和2014年各層土壤溫度和土壤含水量的變化特征。從整體上看，土壤各層的溫度以及含水量的變化趨勢基本相似，通過相關分析且在0.01顯著性水平下檢驗，如表1結果顯示，土壤含水量與土溫整體相關性較高，特別是在淺層10 cm處相關性系數達到最高，2013年為0.924，2014年10 cm相關系數為0.908，而隨著深度的增加，相關系數有明顯減少的趨勢，也就是說，10 cm土壤溫度對土壤含水量影響最大，之后土層越深土溫對土壤水分影響漸漸減弱。是因為土壤層受到外界大氣與地表間的能量和水分平衡的影響土壤濕度發(fā)生變化，以及積雪融化時的下滲量對土壤水分的影響等因素，使得凍融過程中土壤溫度對含水量的變化有大的影響[21-22]，且各因素綜合下導致10 cm土壤層含水量受到土溫的影響最大。結果表明，土壤含水量的變化與土壤溫度的變化緊密相關。

圖4　軍塘湖觀測場各層土壤溫度水分變化特征

土壤深度/cm51020302013年相關系數0.821790.9241530.9129760.7982782114年相關系數0.866520.9078810.8425000.7801

2.3土壤凍融過程對融雪徑流的影響

季節(jié)性凍土在凍融過程中的凍深的變化、水分特征的變化都會影響融雪水的運移。在不同的融雪期，土壤凍結狀況不同，且在溫度影響下的土壤消融程度不同，都會影響融雪水的下滲，最終影響融雪徑流及區(qū)域生態(tài)環(huán)境[23-24]。圖5a為2013年土壤各層含水量與融雪徑流量的關系圖，可以看出，在3月3日至3月7日，5—20 cm土壤含水量變化較為明顯，這是因為積雪在氣溫增溫下融化較快，再加上凍土大部分消融使得融雪水從土壤表層向較深層下滲，從一定程度上改變了土壤中的水分含量特別是表層，與此同時減少了融雪水的產流量，從而減少地表徑流量致使洪水發(fā)生幾率較小。但在此之后，由于雪水完全下滲致界面，使土壤含水量達到飽和即形成蓄滿產流，所以會形成小洪峰，但卻沒發(fā)生融雪性洪水，說明凍土的消融速度較快增加了融雪水的下滲量。特別是10 cm以下凍土的消融與融雪水入滲有很大的關系。圖5b為2014年土壤各層含水量與融雪徑流量的關系圖，由圖可知，從3月10日左右開始，土壤層5—10 cm含水量變化顯著，是因為積雪大部分已經開始融化，但還有一部分凍土未消融，融雪水下滲至土壤表層后受阻，其余融雪水形成地表徑流，易形成小洪峰。之后隨著時間的持續(xù)，溫度升高，土壤逐漸消融此時有部分融雪水下滲，土壤表層含水量增大，但當土壤含水量達到飽和時融雪水不在下滲且大部分形成地表徑流，稱為蓄滿產流。再加上之前積累的大量融雪水，融雪徑流量較大容易形成大的洪水，如圖5b。其主要原因是由于地溫影響下凍土消融時間比積雪消融時間晚，導致凍融深度不同及融雪水的下滲量不同。

圖5　融雪期觀測場土壤各層含水量與融雪徑流量的關系

對比2013年和2014年融雪期土壤含水量與流量關系圖可知，融雪水的下滲受到了土壤的調蓄作用。因為凍土的不透水性致使凍結土壤如隔水層一樣會阻止融雪水的下滲，或者當溫度升高時影響凍土消融使得融雪水大量下滲，都影響著土壤各層含水量，特別是表層10 cm以內，進而影響洪水發(fā)生。也就是說，土壤溫度及土壤水分遷移在10 cm內變化較明顯時，會對洪水的調控有很大的影響作用。所以在融雪期，了解凍土的消融狀況是非常重要的。一方面，凍土未消融但積雪大量融化時，融雪水受下滲調蓄作用小，即易在地表形成超滲產流，徑流量較大時容易形成大的融雪性洪水，如2014年所示；另一方面，當凍土已經大部分消融時，融雪水下滲至土壤層，改變了表層含水量，且在積雪凍土界面形成蓄滿產流，一般情況下融雪徑流量較少，消減了洪峰，不易形成較大的融雪性洪水，如2013年所示。

3　結 論

(1) 在凍結期11月，由于空氣氣溫較低，土壤層內部的熱量由底層傳輸至地表，地表由于放熱冷卻溫度逐漸降低，此時土壤從表層開始凍結，且凍結速率較大凍深不斷增加。在2月底或3月初融化期，由于表層地溫和底部地熱的作用土壤從上下層同時融化，且2013年和2014年融化的速率不一。也就是說不同時期氣溫不同，各層地溫不同，凍土消融的時間也就會不同。所以，凍融過程中地溫對凍土深度有很大的影響作用。

(2) 不同階段的土壤水分運移特征不同，在凍結期少量未凍水由于土壤內部溫度梯度的形成有向上層運移的趨勢，在融化期凍土層中的冰融化成的液態(tài)水及下滲的融雪水隨著土壤中融化層的變化不斷向下運移至完全融化狀態(tài)，之后土壤含水量不斷增大至飽和，土壤水分到達一定穩(wěn)定狀態(tài)。由2013年和2014年土壤各層含水量的不同得出土壤水分遷移量的多少與凍土的凍融深度及融雪水的下滲量有關。土壤水分的這種變化特征與土壤溫度變化趨勢相似且相關性較大，土壤水分的分布會影響地熱的傳輸，土壤溫度又反過來影響水分的遷移。特別是表層10 cm，對其進行相關分析得出2013年土壤層10 cm的水分與溫度相關系數為0.924，2014年相關系數為0.908。所以，土壤含水量的變化與土壤溫度的變化具有明顯的相關性。

(3) 土壤層10 cm內的凍土消融狀況及土壤溫濕度的變化會對融雪徑流量有一定的反饋作用。由于地溫的影響2013年凍土先于大量積雪融化，之后融雪水下滲增加了表層濕度且調蓄了融雪產流量，減少了洪水發(fā)生的機率。而2014年大量積雪先于凍土融化，融雪水下滲到土壤表層由于部分凍土的存在阻擋了大量融雪水，地表徑流量較多，容易形成洪水。之后凍土消融融雪水下滲，再加上土壤層中的液態(tài)水至土壤含水量達到飽和，此時融雪水不再下滲，形成蓄滿產流，這時全部積雪融化后除過極少量蒸發(fā)，全部形成地表徑流則造成更大的洪水。

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Processes of Seasonal Frozen Soil Freezing-thawing and Impact on Snowmelt Runoff in Arid Area

XI Axing1,2, LIU Zhihui1,2,3,4, LU Wenjun1,2

(1.School of Resources and Environment Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.InstituteofEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 4.InternationalCenterforDesertAffairs-ResearchonSustainableDevelopmentinAridandSemi-aridLands,Urumqi830046,China)

The freezing thawing process and variation of soil moisture were analyzed with the measured data of temperature and soil depth with each layer in Juntang Lake Basin on the northern slope of Tianshan Mountains in seasonal frozen soil area during the period from 2013 to 2014. Both freezing and thawing process within seasonal frozen soil was investigated, and the effect of soil moisture distribution and migration characteristics in different layers on the snowmelt runoff was examined. The results showed that the process of freezing and thawing permafrost depth changed, and the temperature of different freezing and thawing rate was not a subject; migration of soil moisture and soil temperature was subject to change, correlation between soil temperature and humidity in surface 10 cm was significant; the correlation between the ground temperature in 10 cm above snow surface and soil moisture in 10 cm depth was analyzed in 2013 (R=0.924), and 2014 (R=0.908). Compared to the data of 2013 and 2014, the changes in seasonal frozen soil surfer moisture played the regulatory role in water infiltration, soil moisture transferred between the surface and underground, in the meantime, the migration of soil water had the impact on the seasonal freezing-thawing process, and resulted in the generation of snowmelt flood. The results revealed that there was the significant correlation between these factors. So study on freezing and thawing process of seasonal frozen soil and effects on snowmelt runoff has the important significance to forecast snowmelt flood, and the results can be used for the modeling and prediction of spring snowmelt flood in the Juntang River Basin.

seasonal frozen soil; freezing-thawing process; migration of soil moisture; snowmelt runoff

2014-09-29

2014-10-24

國家自然科學基金面上項目(41171023);水利部公益性項目(201301103)

習阿幸(1989—),女,陜西咸陽人,碩士研究生,主要研究方向:地理信息系統(tǒng)及水文水資源。E-mail:xiaxing19890224@126.com

劉志輝(1957—),男,新疆石河子市人，教授,博士,研究方向:水文水資源。E-mail:lzh@xju.edu.cn

P642.14

A

1005-3409(2016)02-0333-07