胡仁強，李治軍，趙 悅，李 鐸

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院, 哈爾濱 150080; 2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所,哈爾濱 150080)

我國東北部絕大多數(shù)地區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，氣候條件具有周期性的變化，所以導(dǎo)致土水體系的季節(jié)性凍融[1]。土壤和巖石孔隙中的水在低溫條件下凍結(jié)會使土的力學(xué)性質(zhì)、滲透性質(zhì)以及熱學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，水分、熱量等方面的遷移和變化與非凍結(jié)土壤存在很大區(qū)別[2]。低溫與凍融作用使寒區(qū)水文循環(huán)機理變得較復(fù)雜。如果將應(yīng)用于非寒區(qū)的相對理論方法不加改變地應(yīng)用于寒區(qū)，水文循環(huán)就會出現(xiàn)很多問題，主要原因在于凍土水理性質(zhì)的不同[3,4]。

1 研究背景及意義

凍土是指溫度低于0 ℃并含有冰的土壤和巖石[5]。而凍土層作為一種特殊的區(qū)域性隔水層或弱透水層，其存在及其對全球變化的響應(yīng)改變了寒區(qū)的地表徑流和水系模式，對寒區(qū)地下水的形成、運移過程、分布格局和循環(huán)方式更起到了決定性作用[6]。另外，凍土的水理性質(zhì)與非凍土相比也發(fā)生了本質(zhì)的變化，表現(xiàn)為凍層的相對無滲透性滯留了融雪水的入滲以及凍土條件下持水性的加大[7]。近幾年對土壤水理特性的研究絕大部分集中于土壤水動力學(xué)、凍土學(xué)科等[8]，對于凍土條件下水理特性的研究較少，有關(guān)文獻也相對匱乏。本項研究以寒區(qū)低溫條件為主要特色，以尋求測試凍土水理參數(shù)的低冰點液體作為創(chuàng)新點進行研究，對于寒區(qū)春季水利計算和節(jié)水灌溉技術(shù)以及寒區(qū)冬季地下水溢流有著重要意義。

2 低冰點惰性液體的選取

2.1 試驗?zāi)繕?biāo)

土壤水分入滲是地面上的水轉(zhuǎn)化成為地下水的重要途徑，根據(jù)寒區(qū)的自然地理狀況和季節(jié)性凍層土壤的特征等因素分析，凍結(jié)土壤的水理特性與非凍結(jié)土壤的水理特性具有很大的差別。凍結(jié)土壤有抑制蒸發(fā)、調(diào)節(jié)蓄水以及不透水的水文特性，但是要在凍土條件下保證土壤滲流，必須要確保滲流液體在低溫條件下不凍結(jié)且黏滯性與水相近。通過本項試驗選出適合用于凍結(jié)土壤基本參數(shù)測定的液體，要求所選液體的凍結(jié)溫度小于零下20 ℃，性質(zhì)穩(wěn)定且無污染。

2.2 試驗初始液體選取

對于選定的液體，需要滿足溶液性質(zhì)穩(wěn)定且無毒無污染，酸堿類溶液具有一定的腐蝕性，對土壤及植被包括一些土壤微生物都有不同程度的危害，不建議選取使用。甲醇、乙醇、丙酮溶液均易燃、易揮發(fā)且?guī)в写碳ば詺馕?，該實驗也不建議選取。鹽類溶液性質(zhì)穩(wěn)定，無毒無污染，黏滯系數(shù)與水相近，且不同濃度下的凍結(jié)溫度(冰點)也不同。乙二醇是防凍劑的主要原料，能與水以任意比例混合，不易揮發(fā)，故可以配置成不同濃度的溶液進行試驗。

根據(jù)選取要求，本次試驗初始液體選取20%濃度氯化鈉溶液、25%濃度氯化鈉溶液、 20%濃度氯化鉀溶液、25%濃度氯化鉀溶液、 20%濃度氯化鈣溶液 、30%濃度氯化鈣溶液、5%濃度碳酸氫鈉溶液、20%濃度碳酸氫鉀溶液、30%濃度乙二醇溶液、40%濃度乙二醇溶液、45%濃度乙二醇溶液、50%濃度乙二醇溶液共12種溶液。

2.3 試驗數(shù)據(jù)整理分析

本次試驗將選取的液體置于低溫環(huán)境下充分制冷，實時監(jiān)測溶液溫度，觀察并記錄凍結(jié)溫度。試驗數(shù)據(jù)整理見表1。

表1 低冰點試驗記錄

通過表1可知，滿足要求在-20 ℃不結(jié)冰的液體有30%濃度氯化鈣溶液、40%濃度乙二醇溶液、45%濃度乙二醇溶液和50%濃度乙二醇溶液，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制凍結(jié)時間～溫度曲線，見圖1～圖4。

圖1 30%濃度氯化鈣溶液凍結(jié)時間～溫度曲線

圖2 40%濃度乙二醇溶液凍結(jié)時間～溫度曲線

圖3 45%濃度乙二醇溶液凍結(jié)時間～溫度曲線

圖4 50%濃度乙二醇溶液凍結(jié)時間～溫度曲線

3 融冰性試驗

土壤中含有一定量的結(jié)合水和自由水，水的熱脹冷縮是反常的，在低于4 ℃時水是熱縮冷脹，水在低溫條件下凍結(jié)成冰，這就有了寒區(qū)水文特有的現(xiàn)象----土的凍脹。凍土中含冰量的多少直接影響到凍土分類、凍土環(huán)境以及寒區(qū)條件下的工程建設(shè)。凍土中的冰是區(qū)別于凍土和非凍土的顯著特征，所以，在研究凍土水理特性的過程中必須要考慮到冰的因素，也要考慮到外界條件因素對凍土中冰的融化作用。

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

對于選定的低冰點惰性液體，不僅要保證化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定，而且還要確保該溶液在測定凍土水理參數(shù)的過程中不與凍土中的冰發(fā)生融冰現(xiàn)象，保證凍土中正常的穩(wěn)定滲流。所以，要對選定的低冰點惰性液體進行融冰性試驗，選取出一種不僅能夠在低溫條件下不凍結(jié)，而且不與土壤中的固態(tài)冰發(fā)生融冰現(xiàn)象的惰性液體。

3.2 融冰性試驗結(jié)果分析

為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次試驗全程置于冬季哈爾濱室外環(huán)境，充分模擬東北地區(qū)季節(jié)性凍土所處溫度環(huán)境。稱取冰塊質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)，具體試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 融冰性試驗結(jié)果 g

通過表2可知，30%濃度氯化鈣溶液和50%濃度乙二醇溶液都具有一定的融冰性；45%濃度乙二醇溶液和40%濃度乙二醇溶液融冰能力較弱。根據(jù)試驗可以得出4種溶液的融冰能力從小到大的排列為：40%濃度乙二醇溶液<45%濃度乙二醇溶液<50%濃度乙二醇溶液<30%濃度氯化鈣溶液。

雖然40%濃度乙二醇溶液融冰能力最弱，但是其冰點溫度為-23.6 ℃，而冬季東北地區(qū)的最低溫度可達(dá)-30 ℃，所以本次研究選用45%濃度乙二醇溶液作為凍土水理性質(zhì)的試驗液體。

4 土壤水理性質(zhì)測試

寒區(qū)是我國重要的地理分區(qū)，多年或季節(jié)性凍層土壤覆蓋了我國75%的國土[9]。凍層土壤所具有的不透水性、抑制蒸發(fā)作用、蓄水調(diào)節(jié)作用及調(diào)節(jié)產(chǎn)匯流作用，使寒區(qū)的水文循環(huán)機理與過程變得十分復(fù)雜。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， 其水理特征參數(shù)包括容水度、持水度、給水度、滲透系數(shù)、含冰率等，與非凍土存在著很大的差別，本項試驗主要是以凍土與非凍土滲透系數(shù)的測定為主要內(nèi)容。

4.1 滲透定律-達(dá)西定律

滲透系數(shù)的測定以滲透試驗為主要內(nèi)容，測試含水率為20%的凍結(jié)土樣和非凍結(jié)土樣的滲透系數(shù)，土樣的粒徑均小于等于2 mm。

根據(jù)線性滲透定律----達(dá)西定律，得到下列關(guān)系式：

進而得到滲透系數(shù)關(guān)系式：

式中：Q為滲透流量(出口處流量即為通過土柱各斷面的流量)；ω為過水?dāng)嗝婷娣e(相當(dāng)于土柱的橫斷面積)；H1、H2為上下游過水?dāng)嗝娴乃^；L為滲透途徑(上下游過水?dāng)嗝娴木嚯x)；K為滲透系數(shù)，cm/s。

4.2 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

本次試驗所使用達(dá)西儀的過水?dāng)嗝婷娣eω=100 cm2，上下游過水?dāng)嗝娴木嚯xL=10 cm，凍土試驗的情況下要保證土樣的充分冷凍，并保證選取的惰性液體與土樣溫度相同，防止實驗出現(xiàn)較大誤差。

對于凍結(jié)土壤進行多次滲流試驗后取平均值作為最終結(jié)果，具體試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 凍土水理性質(zhì)測試試驗結(jié)果

取與凍結(jié)土樣相同標(biāo)準(zhǔn)的非凍結(jié)土樣進行滲透試驗，多次試驗后取平均值作為最終結(jié)果，具體試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 非凍土水理性質(zhì)測試試驗結(jié)果

通過計算試驗數(shù)據(jù)，計算平均值，求得最終滲透系數(shù)，凍結(jié)土壤的滲透系數(shù)K1=0.010 85 cm/s，非凍結(jié)土壤的滲透系數(shù)K2=0.018 65 cm/s，根據(jù)試驗結(jié)果可知，凍土的滲透性要小于非凍土的滲透性。

5 結(jié) 論

本項研究以東北地區(qū)冬季凍土為主要研究對象，以探求適合凍土水理特性的低冰點惰性液體為主要內(nèi)容。在進行低冰點惰性液體的試驗中，對于初步選定的12種液體進行低溫制冷試驗和融冰性試驗，最終選擇出45%濃度乙二醇溶液作為試驗液體。此液體結(jié)冰點遠(yuǎn)低于-20 ℃，且融冰能力較差，符合本試驗的選取要求。

以45%濃度乙二醇溶液作為滲流液體進行滲流試驗，測出含水率為20%的凍結(jié)土壤和含水率為20%的 非凍結(jié)土壤的滲透系數(shù)，測得凍土的滲透系數(shù)為0.01085cm/s，非凍土的滲透系數(shù)為0.01865cm/s。此試驗結(jié)果可以判斷出凍土的滲透性要小于非凍土的滲透性。另外本項試驗存在一定的誤差，可以通過改善實驗儀器來減小誤差。

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