王冠楠，甘永德，魏加華，李潤(rùn)杰，吳玉帥，鄭麗萍

(青海大學(xué)水利電力學(xué)院，青海 西寧 810016)

土壤的入滲產(chǎn)流過程是水文循環(huán)過程中的重要組成部分，降水入滲直接影響地面的產(chǎn)流過程以及地表產(chǎn)流量，因此對(duì)于入滲產(chǎn)流機(jī)理的研究是水文循環(huán)的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容[1]。布哈河流域是青海湖流域境內(nèi)最大的子流域，該流域是典型的高原半干旱氣候，氣溫日較差較大，區(qū)域內(nèi)多風(fēng)，夏季秋季多以東南風(fēng)為主，冬春季以西風(fēng)為主，其流域面積約1.5 萬km2，海拔為3 185～5 229 m，土壤組成多為栗鈣土和黑鈣土，季節(jié)性凍土和永久性凍土在流域內(nèi)廣泛分布[2-3]。流域內(nèi)海拔4 000 m以上,為終年冰雪覆蓋，是青海湖最重要的徑流補(bǔ)給河流，對(duì)其流域土壤入滲模擬進(jìn)行研究，對(duì)青海湖生態(tài)安全有重要意義[4]。

在季節(jié)性凍土和多年凍土區(qū)隨著氣溫的周期性變化而導(dǎo)致地表土層反復(fù)凍結(jié)融化的過程稱為凍融過程[5]。土壤凍結(jié)會(huì)導(dǎo)致土壤中發(fā)生復(fù)雜的水熱遷移變化，改變土壤結(jié)構(gòu)和水力特征[6]。土壤含水率的變化影響土壤的熱特性參數(shù)，同時(shí)土壤溫度梯度的存在會(huì)改變土壤滲透系數(shù)、土壤水分特征參數(shù)、以及影響土壤水分遷移[7-8]。土壤的凍融過程與土壤含水量密切相關(guān)，而含水量的變化又會(huì)影響土壤的滲水性能[9]。土壤中冰的形成，改變了水分在土壤中的入滲率，而冰的形成又與土壤的性質(zhì)、環(huán)境溫度、以及土壤初始含水量有關(guān)，所以不同結(jié)冰狀態(tài)下的土壤導(dǎo)水率也有所不同[10-12]。綜上所述，由于凍結(jié)土壤中冰晶的存在改變了非凍結(jié)土壤條件下的水力特征和土壤結(jié)構(gòu)，使得在季節(jié)性和永久性凍土區(qū)域形成了特殊入滲產(chǎn)流模式[13]。

土壤的入滲過程可以用土壤的入滲強(qiáng)度進(jìn)行描述，土壤的入滲強(qiáng)度主要由兩個(gè)方面決定，即土壤的水分供應(yīng)條件和土壤的滲水性能[14-15]。目前對(duì)土壤入滲理論的研究主要分為非飽和下滲理論和飽和下滲理論。對(duì)于凍結(jié)土壤入滲研究，前人多是考慮土壤整體凍融階段溫度變化對(duì)于土壤入滲產(chǎn)流的影響，沒有考慮不同土壤初始含水量對(duì)于凍結(jié)土壤入滲的影響。通過控制土壤含水量和溫度作為變量，模擬積水定水頭垂向一維均質(zhì)凍結(jié)土壤入滲試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)影響均質(zhì)凍結(jié)土壤入滲除去溫度因素外，土壤初始含水量也是需要考慮的因素，因此本研究在凍結(jié)條件下進(jìn)行了不同初始含水量均質(zhì)土壤入滲試驗(yàn)，以分析其對(duì)土壤入滲的影響。通過分析不同初始溫度及不同初始含水量的凍結(jié)土壤入滲規(guī)律，可以為構(gòu)建凍融條件下土壤入滲產(chǎn)流模型提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

首先測(cè)定布哈河流域典型土壤剖面，用環(huán)刀法取得原狀土壤樣品(100 cm3)，并在室內(nèi)測(cè)定土壤水分特征參數(shù)，包括干容重及飽和體積含水量等。再在采樣區(qū)取得土壤，帶回實(shí)驗(yàn)室，土壤經(jīng)風(fēng)干過篩(4 mm)后備用。用烘干法測(cè)定其初始體積含水量，定水頭法測(cè)定飽和導(dǎo)水率，采用離心機(jī)法測(cè)定土壤水分特征曲線，并用van Genuchten模型擬合(表1)，吸管法測(cè)定土壤顆粒組成。試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)如表2所示。試驗(yàn)所用水樣取自西寧市地表淡水。

表1 栗鈣土van Genuchten模型參數(shù)

表2 試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

凍結(jié)土壤入滲試驗(yàn)采用垂直土柱法進(jìn)行垂向一維積水入滲試驗(yàn)。根據(jù)野外Em50土壤水分溫度傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)得到布哈河流域年內(nèi)土壤負(fù)溫的變化區(qū)間為0～-7 ℃，因此室內(nèi)模擬凍結(jié)土壤溫度變化設(shè)置為0、-5、-10 ℃。試驗(yàn)裝置由土柱，恒溫箱，馬氏瓶和數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成。由于恒溫箱溫度較低，土壤凍融試驗(yàn)過程中，為防止土柱損壞，試驗(yàn)所用土柱材質(zhì)為不銹鋼。試驗(yàn)首先在土柱底部裝填5 cm砂石，然后在砂石上面鋪設(shè)紗網(wǎng)，最后再將均質(zhì)風(fēng)干過篩后的土壤以野外同等容重(干容重為1.25 g/cm3)分層(各層厚度為10 cm)均勻裝入直徑為28 cm、高40 cm的不銹鋼材質(zhì)土柱中(土柱高30 cm)，試驗(yàn)裝置見圖1。在土柱5、15、25 cm處埋處設(shè)Em50土壤水分溫度傳感器(Em50-5、Em50-15、Em50-25)，以便測(cè)定土柱0～10、10～20和20～30 cm處土壤含水量和溫度。試驗(yàn)用馬氏瓶恒壓供水(水頭高度 2 cm)。在試驗(yàn)過程中測(cè)定馬氏瓶讀數(shù)和土柱內(nèi)積水深度，計(jì)算得到時(shí)段內(nèi)凍結(jié)土壤的累積入滲量。Em50探頭每隔5 min記錄凍結(jié)土壤在入滲試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)的含水率及溫度變化。設(shè)定不同初始溫度(0、-5、-10 ℃)相同初始含水量土樣及不同初始含水量(0.1、0.20、0.3 cm3/cm3)相同初始溫度土樣進(jìn)行入滲試驗(yàn)，每組不同含水量以及溫度試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，取平均值。每組試驗(yàn)時(shí)間固定在4 h。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experiment device diagram

試驗(yàn)開始前，首先將配置好的不同體積含水量(0.1、0.2、0.3 cm3/cm3)的土柱放入恒溫箱，待土壤溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度(0、-5、-10 ℃)且恒定后，進(jìn)行入滲試驗(yàn)。由于在較短試驗(yàn)(4 h)條件下，野外土壤溫度不會(huì)有大幅度波動(dòng)，為控制變量，室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行期間，土柱周圍溫度同樣保持恒定，即土柱溫度恒定時(shí)所設(shè)定的周圍環(huán)境溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍結(jié)土壤累積入滲量隨入滲時(shí)間的變化

2.1.1 初始含水量相同時(shí)凍結(jié)土壤累積入滲量隨時(shí)間的變化 相同初始含水量的凍結(jié)土壤在不同溫度(0、-5、-10 ℃)條件下累積入滲量隨時(shí)間變化過程見圖2。從圖中可以看出，土壤累積入滲量隨入滲時(shí)間的延長(zhǎng)單調(diào)增加，在同一初始含水量的條件下，相同入滲時(shí)間內(nèi)，凍結(jié)土壤溫度為0 ℃時(shí)，土壤累積入滲量最大；凍結(jié)土壤溫度為-5 ℃時(shí)次之；凍結(jié)土壤溫度為-10 ℃時(shí)，土壤累積入滲量最小。研究結(jié)果說明,凍結(jié)條件下土壤的溫度影響土壤的累積入滲量，凍結(jié)土壤的累積入滲量隨溫度升高而增加，即凍結(jié)土壤初始溫度越低，土壤累積入滲量越小。

圖2 相同初始含水量土樣在不同溫度條件下累積入滲量隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of cumulative infiltration with time at different temperatures of soil samples with the same initial water content

2.1.2 同一溫度條件下凍結(jié)土壤累積入滲量隨時(shí)間的變化 同一溫度的凍結(jié)土壤在不同初始含水量(0.1、0.2、0.3 cm3/cm3，凍結(jié)土壤對(duì)應(yīng)飽和度分別為21%、42%、64%)條件下累積入滲量隨時(shí)間的變化過程見圖3。

圖3 同一溫度的凍結(jié)土壤在不同初始含水量的條件下累積入滲量隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of cumulative infiltration with time under the different initial water content of frozen soil at the same temperature

從圖中可以看出，土壤累積入滲量隨入滲時(shí)間的增大而增加，在同一溫度條件下，相同入滲時(shí)間內(nèi)，初始含水量為0.1 cm3/cm3時(shí)，土壤累積入滲量最大；初始含水量為0.2 cm3/cm3時(shí)次之；初始含水量為0.3 cm3/cm3條件下的土壤累積入滲量最小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面是因?yàn)橥寥赖娜霛B能力與土壤含水量有關(guān)，另一方面是因?yàn)橥寥揽紫秲?nèi)液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，冰晶的存在阻礙土壤入滲，導(dǎo)致土壤累積入滲量就越小。試驗(yàn)結(jié)果說明凍結(jié)條件下，土壤的初始含水量影響土壤的累積入滲量，相同負(fù)溫條件下，凍結(jié)土壤初始含水量越低，土壤的累積入滲量越大。

2.2 凍結(jié)土壤入滲率隨入滲時(shí)間的變化

同一溫度的凍結(jié)土壤在不同初始含水量(0.1、0.2、0.3 cm3/cm3)的條件下入滲率隨時(shí)間的變化過程見圖4。從圖中可以看出，與相同含水量15 ℃條件下土壤入滲率相比，0、-5、-10 ℃的凍結(jié)土壤入滲率隨入滲時(shí)間的增大呈先增加后降低的過程。從變化趨勢(shì)上看，在同一溫度條件下，相同入滲時(shí)間內(nèi)，初始含水量為0.3 cm3/cm3時(shí)，土壤入滲率最?。怀跏己繛?.1 cm3/cm3和0.2 cm3/cm3時(shí)，土壤入滲率數(shù)值大小相差不大且變化趨勢(shì)相似。研究結(jié)果說明,凍結(jié)土壤的入滲率與土壤溫度和土壤含水量有關(guān)。

圖4 凍結(jié)土壤入滲率隨時(shí)間變化曲線圖Fig.4 Infiltration rate of frozen soil with time

2.3 剖面含水量隨深度的變化

試驗(yàn)?zāi)r(shí)刻，同一溫度下，不同初始含水量的凍結(jié)土壤體積含水量及體積含冰量隨深度變化對(duì)比的剖面曲線圖見圖5。由于在土壤表面積水入滲且積水層未結(jié)冰，因此在試驗(yàn)?zāi)r(shí)刻土壤表層含水量為飽和含水率，含冰量為0。從圖中可以看出，在深度為10 cm處，相同初始負(fù)溫條件下初始含水量高的凍結(jié)土壤，未凍水的含量較低；與體積含水量相反，初始含水量越高的凍結(jié)土壤，體積含冰量越高；當(dāng)深度為10～20 cm時(shí)，土壤含水量隨深度增加而減少，且初始含水量越低，土壤含水量增加的趨勢(shì)越大，初始負(fù)溫越低，土壤含水量增加的趨勢(shì)也隨之減緩；當(dāng)深度為20～30 cm時(shí)，凍結(jié)土壤的濕潤(rùn)峰深度未達(dá)到20 cm，因此土壤體積含水量與體積含冰量較試驗(yàn)初始時(shí)刻幾乎無變化。隨試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，凍結(jié)土壤體積含冰量隨深度增加的趨勢(shì)越大，體積含水量增加的趨勢(shì)越小。土壤剖面含水量隨初始試驗(yàn)負(fù)溫升高呈增加趨勢(shì)，溫度越低，增加趨勢(shì)越慢；體積含水量的變化與體積含冰量的變化相反，即體積含冰量隨深度增加的趨勢(shì)越大，體積含水量增加的趨勢(shì)越小。

圖5 土壤體積含水量及體積含冰量隨深度變化剖面圖Fig.5 Profile of variations of soil volumetric water content and volumetric ice content with depth

2.4 入滲過程內(nèi)土壤溫度隨時(shí)間的變化

凍結(jié)土壤上層5 cm深度處土壤溫度隨時(shí)間變化曲線見圖6。

圖6 上層土壤溫度隨時(shí)間變化曲線圖Fig.6 Variations of upper soil temperature with time

在試驗(yàn)過程中，由于濕潤(rùn)峰未達(dá)到深度為20～30 cm的凍結(jié)土壤，因此下層土壤溫度隨試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)幾乎不變。但由于積水入滲，并且試驗(yàn)所取水樣溫度為室溫12 ℃，所以在凍結(jié)土壤的表層存在熱量傳輸，使得土壤溫度發(fā)生改變。在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，由于熱量傳輸，上層土壤溫度隨試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)而升高。并且在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻可以看出，在初始土壤溫度相同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻累積入滲量越大的試驗(yàn)組土壤，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻溫度越高。這是因?yàn)槔鄯e入滲量越大意味著入滲到土壤內(nèi)的試驗(yàn)水量越多，熱量傳導(dǎo)就越多，相應(yīng)的土壤溫度也就越高。

3 討論與結(jié)論

凍結(jié)條件下，土壤孔隙內(nèi)液態(tài)水部分轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，冰晶的存在改變了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，使得土壤在相同條件下的過水面積減少，且初始含水量越高，冰晶含量也就越高。這與樊貴盛等[16]的研究規(guī)律相似，凍結(jié)土壤孔隙內(nèi)冰晶的存在會(huì)影響土壤的滲水性能，土壤凍結(jié)影響土壤液態(tài)水與土水勢(shì)之間的關(guān)系，使得土壤的水力傳導(dǎo)度發(fā)生了變化。因此，在垂直入滲條件下，均質(zhì)凍結(jié)土壤初始條件下負(fù)溫越低，累積入滲量越??；凍結(jié)土壤初始含水量越小，累積入滲量越大。在試驗(yàn)前期，由于積水入滲，入滲水體與凍結(jié)土壤存在熱量傳輸，凍結(jié)土壤溫度升高。根據(jù)Carey等[17]得出的研究規(guī)律，土壤孔隙中冰晶的存在，會(huì)影響土壤的熱力傳導(dǎo)率，同時(shí)土壤水力傳導(dǎo)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致與非凍融區(qū)相比，降水下滲量減小，地表產(chǎn)流量增加。這與室內(nèi)垂向一維土壤積水入滲實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)論相似，在試驗(yàn)前期，表層土壤孔隙內(nèi)冰晶轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，使得孔隙增大，土壤入滲能力增強(qiáng)，土壤入滲率隨之增大；在試驗(yàn)后期，由于濕潤(rùn)峰的增大導(dǎo)致土壤入滲能力降低，入滲率減小，所以入滲率變化曲線隨入滲時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增加后降低的過程。同時(shí)，入滲過程中，土壤剖面含水量隨深度增加而減少，初始含水量越低，土壤含水量增加的趨勢(shì)越大，并且隨著凍融溫度越低，土壤含水量增加的趨勢(shì)隨之減緩，其入滲強(qiáng)度與土壤初始含水量及凍融溫度有關(guān)。