宋文宇，胡怡然，王 維，李炳熙

(1.中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，建筑供暖空調(diào)能耗量巨大。國(guó)家發(fā)展改革委等六部門在《關(guān)于加快淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用促進(jìn)北方采暖地區(qū)燃煤減量替代的通知》中要求：淺層地?zé)崮茉谔娲裼蒙⒚汗岱矫姘l(fā)揮積極作用，區(qū)域供熱用能結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化[1]。在采用土壤源熱泵供熱時(shí)，地埋管周圍的土壤會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象[2]。凍土物理性質(zhì)不穩(wěn)定，受溫度變化影響大，凍融狀態(tài)下強(qiáng)度[3]和熱物性參數(shù)差異明顯[4]。如果對(duì)土壤水熱遷移過程管理不善，會(huì)導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)效能降低[5]，甚至出現(xiàn)土壤鹽漬化[6]、凍脹或融沉等問題，對(duì)自然環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生不利影響[7]。采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)土壤凍融水熱遷移特性的研究可分為原位實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。原位實(shí)驗(yàn)對(duì)土壤擾動(dòng)小，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，但受外界氣候變化影響較大，結(jié)果多為經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式，難以詳盡的歸納內(nèi)在機(jī)理；實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)在取樣過程中對(duì)土壤有擾動(dòng)，而且實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸較小，但可以精確調(diào)節(jié)土壤的粒度級(jí)配，可精確控制邊界條件。FDR(Frequency Domain Reflectometry)是近年來逐漸興起的一種測(cè)量方法，該方法技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需波形顯示及解釋，單個(gè)傳感器價(jià)格低廉，采用該方法的足尺凍融實(shí)驗(yàn)可以在較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)對(duì)土壤溫度及含水率進(jìn)行高頻采樣，為理解凍土凍融過程水熱遷移規(guī)律提供詳盡的數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由土壤裝樣桶、上部壓力加載系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)為一直徑100 cm，高250 cm的不銹鋼桶，其上端開放，下端封閉，桶底部固定在底座上。底座兩側(cè)設(shè)置軌道，軌道上設(shè)置一副龍門架，龍門架頂部設(shè)置液壓千斤頂，用于壓實(shí)土壤及調(diào)節(jié)頂部載荷。桶壁下部設(shè)置檢修口，供人員進(jìn)出及裝卸土壤試樣用。裝樣桶側(cè)壁預(yù)留若干穿線孔，用于布置傳感器線路，底部設(shè)置排水閥門及接口，詳細(xì)布局如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Decagon Devices公司生產(chǎn)的ECH2O系列5TE及5TM型傳感器，用于測(cè)量土壤溫度及含水率。傳感器自上而下共布置9層，每層2個(gè)。每層傳感器對(duì)置于裝樣桶直徑方向上，距離桶側(cè)壁25 cm以上，水平及垂直方向上相鄰的傳感器交錯(cuò)布置，直線間距40 cm以上，避免傳感器相互干擾或金屬筒壁干擾測(cè)量信號(hào)。

1.2 土壤基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用粉質(zhì)粘土，取樣地點(diǎn)為哈爾濱，取樣時(shí)間為夏季，取樣深度為0.5～2.5 m。首先對(duì)取樣區(qū)域進(jìn)行清表，采用機(jī)械設(shè)備分層取土帶回，然后按照取樣順序，將土樣均勻的填入裝樣桶內(nèi)。每填一層，敷設(shè)一層傳感器，每一層土樣均以100 kN的壓力反復(fù)壓實(shí)。

土壤裝填并壓實(shí)后，采用環(huán)刀取樣并以105℃烘干至恒重，然后采用分樣篩測(cè)試土壤粒徑級(jí)配分布。測(cè)得土壤試樣的干密度為2.05 g/cm3，采用浸蠟法測(cè)得土壤試樣的孔隙率為0.47。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)中，土樣在定溫邊界條件下進(jìn)行單向多周期的凍融循環(huán)，外界無水源補(bǔ)充。傳感器每20 min對(duì)土壤溫度及含水率進(jìn)行測(cè)量。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)土壤取樣及裝填按1.2節(jié)操作，裝填完畢后在土壤頂部敷設(shè)盤管并覆土，然后覆蓋保溫材料。在裝樣桶外壁覆蓋保溫棉，用保溫發(fā)泡膠密封側(cè)壁的預(yù)留孔。

(2)向水位控制系統(tǒng)內(nèi)注水，打開儲(chǔ)水桶和裝樣桶之間的閥門，每5 min讀取土壤含水率，檢測(cè)傳感器的工作狀態(tài)，土壤含水率達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求時(shí)關(guān)閉閥門，檢查裝樣桶的密封狀態(tài)。

(3)進(jìn)行土壤凍結(jié)實(shí)驗(yàn)。按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定制冷系統(tǒng)停機(jī)溫度，為保證溫度均勻性，并減少設(shè)備啟停次數(shù)，開機(jī)溫度宜高于停機(jī)溫度1～2℃。當(dāng)土壤凍結(jié)深度達(dá)到要求時(shí)，停止凍結(jié)實(shí)驗(yàn)，12 h后開始融化實(shí)驗(yàn)。

(4)土壤融化實(shí)驗(yàn)。按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定電加熱器停機(jī)溫度，為保證溫度均勻性，開機(jī)溫度宜低于停機(jī)溫度1℃。當(dāng)土壤融化深度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，停止融化實(shí)驗(yàn)12 h后開始凍結(jié)實(shí)驗(yàn)。

凍融實(shí)驗(yàn)過程中，上邊界溫度通過敷設(shè)在土壤試樣表面的盤管控制，下邊界溫度為室溫，上、下邊界溫度演化曲線如圖2所示。

圖2 土壤試樣上下邊界溫度

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

土壤試樣在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷了2次凍融循環(huán)，其中第1次凍融循環(huán)歷時(shí)130 d，第2次凍融循環(huán)歷時(shí)60 d，共歷時(shí)190 d。在第1次凍融循環(huán)中，凍結(jié)期102 d，融化期28 d；在第2次凍融循環(huán)中，凍結(jié)期40 d，融化期20 d，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過程中不同時(shí)刻土壤溫度分布曲線以及凍結(jié)深度如圖3所示；相應(yīng)時(shí)刻土壤含水率分布曲線如圖4所示。土壤在凍結(jié)過程中，熱量由深處向表面?zhèn)鬟f，凍結(jié)深度逐漸增加，土壤內(nèi)部的水分出現(xiàn)了由未凍結(jié)區(qū)向凍結(jié)鋒面遷移并發(fā)生聚集的現(xiàn)象；在融化過程中，熱量由表面向深處傳遞，已凍結(jié)土壤由表面向深處逐步融化，水分受重力驅(qū)動(dòng)，出現(xiàn)了重新分布的現(xiàn)象。

圖3 凍融實(shí)驗(yàn)各時(shí)刻土壤試樣溫度分布

圖4 凍融實(shí)驗(yàn)各時(shí)刻土壤含水率分布

實(shí)驗(yàn)期間土壤不同深度的溫度及含水率變化規(guī)律如圖5～圖7所示。以0℃等溫面作為凍結(jié)鋒面，在40 d、80 d、150 d時(shí)，土壤凍結(jié)深度分別為405 mm、710 mm、570 mm，凍結(jié)區(qū)最大含水率出現(xiàn)的位置分別為390 mm、625 mm、605 mm，說明水分遷移主要發(fā)生在凍結(jié)鋒面附近。40 d、80 d已凍結(jié)區(qū)的含水率分布基本相同，說明已凍結(jié)區(qū)內(nèi)部土壤基本不發(fā)生水分遷移。通過觀察深度200 mm、415 mm、630 mm處土壤溫度變化曲線，發(fā)現(xiàn)隨土壤深度增加，凍結(jié)速率逐漸降低。由此可知，土壤凍結(jié)過程中水分遷移量的強(qiáng)弱，與凍結(jié)速率呈反比關(guān)系。

圖5 200 mm深度土壤溫度及含水率變化曲線

圖6 415 mm深度土壤溫度及含水率變化曲線

圖7 630 mm深度土壤溫度及含水率變化曲線

在土壤凍融狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程中，出現(xiàn)了在短時(shí)間內(nèi)含水率突變的現(xiàn)象，如圖5 ～圖7所示。在凍結(jié)過程中，土壤含水率。含水率變化強(qiáng)度隨凍結(jié)速率的降低逐漸減弱，凍結(jié)時(shí)含水率突變的強(qiáng)度高于融化時(shí)的變化強(qiáng)度。在胡怡然等[8-9]的研究中，發(fā)現(xiàn)了土壤在凍結(jié)過程中，體積先收縮后膨脹的現(xiàn)象。在土壤降溫階段，未發(fā)生凍結(jié)時(shí)，土壤孔隙內(nèi)的水蒸氣發(fā)生凝結(jié)，壓力降低，造成土壤體積收縮，此階段土壤含水率表現(xiàn)為升高趨勢(shì)；隨著土壤溫度繼續(xù)降低，孔隙水凍結(jié)，體積膨脹，造成土壤體積膨脹，此階段土壤含水率表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。在凍土融化階段，由于孔隙冰融化，體積收縮，而土壤體積受未融化孔隙冰的支撐，體積不變，因此體現(xiàn)為土壤含水率降低；隨著融化過程的進(jìn)行，孔隙冰完全融化，孔隙內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，而且受重力的作用，土壤體積開始收縮，體現(xiàn)為土壤含水率升高；同時(shí)，孔隙水在重力作用下開始向下方遷移，體現(xiàn)為土壤含水率逐漸降低。

根據(jù)土壤在凍融實(shí)驗(yàn)前后的含水率變化差值，可將土壤沿凍結(jié)方向劃分為三個(gè)區(qū)域，如圖8所示。在凍結(jié)區(qū)，凍結(jié)速率隨深度的增加逐漸遞減，凍融狀態(tài)下土壤含水率的差值隨深度的增加逐漸遞增，水分遷移主要發(fā)生在400～700 mm區(qū)間內(nèi)，該部分為水分聚集區(qū)。在未凍結(jié)區(qū)，700～1 200 mm處的土壤含水率在凍融前后變化不明顯，在該區(qū)域內(nèi)的水分以輸運(yùn)為主，向上層凍結(jié)區(qū)土壤輸送水分，同時(shí)從下層土壤吸收水分進(jìn)行補(bǔ)充，該部分為輸運(yùn)區(qū)。1 200 mm以下處的土壤含水率在凍融前后變化為負(fù)值，該區(qū)域在上層土壤凍結(jié)時(shí)，僅向上層土壤提供水分，該部分為水源區(qū)。

圖8 土壤凍融前后含水率差分布

3 結(jié)論

本文使用足尺土壤凍融實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了哈爾濱粉質(zhì)粘土凍融過程中的水分遷移特性，得到了以下結(jié)論：

(1)土壤在凍結(jié)過程中，水分遷移現(xiàn)象發(fā)生在凍結(jié)鋒面處，已凍結(jié)區(qū)域的含水率基本不發(fā)生變化，凍結(jié)速率隨土壤深度增加逐漸降低，水分遷移量與凍結(jié)速率成反比關(guān)系。

(2)土壤在凍結(jié)過程中，沿凍結(jié)方向分為水分聚集區(qū)、輸運(yùn)區(qū)和水源區(qū)，聚集區(qū)在凍融實(shí)驗(yàn)前后含水率變化最大，輸運(yùn)區(qū)在凍融實(shí)驗(yàn)前后含水率變化最小。

(3)土壤在凍融狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，會(huì)出現(xiàn)含水率突變的現(xiàn)象，凍結(jié)時(shí)的變化強(qiáng)度高于融化時(shí)的強(qiáng)度，變化強(qiáng)度與凍融速率成正比關(guān)系。