寒区冻土层水理性质研究

戴长雷，常龙艳，孙思淼，吕雅洁，刘月，黄集华

（1.黑龙江大学a.水利电力学院；b.寒区地下水研究所，哈尔滨 150080；2.伯明翰大学 地理地球环境科学学院，英国 伯明翰；3.中冶焦耐工程技术有限公司，辽宁 大连 116065）

0 引言

冻土层是季节性冻土区土壤中特有的土层，一般位于土壤包气带中。其水理性质（容水性质、持水性质、给水性质、透水性质）所表现出的不透水作用、蓄水调节作用和抑制蒸发作用，使冻融期降水下渗、土壤含水率的变化状态和降雨、径流、蒸发的“三水”转换关系均具有不同于无冻条件下的动态规律和特点［1－3］。在寒区，低温与冻融作用使水文循环机理与过程更加复杂，将非寒区理论和方法应用于寒区水文循环存在诸多问题［4－6］，其中突出问题之一就是春季融雪水在包气带冻土层的入渗过程与机理［7－8］。春季融雪水在包气带冻土层的入渗是寒区水循环的特有现象之一［9－11］，由于低温冻土层的存在，其入渗机理及影响因素更加复杂，用非寒区常规渗流理论解释这个过程效果较差［12］。因此，研究寒区冻土层水理性质对于冻土区土壤的含水率的储存和变化研究具有重要的理论意义和现实意义。

本文通过梳理相关冻土层的水理性质相关概念及特征参数、冻土层水理性质相关研究、融雪水入渗相关研究和冻土保墒相关研究，为寒区流域产汇流计算、寒区地下水资源评价、寒区农业灌溉和墒情分析等方面研究提供理论依据。

1 相关概念及特征参数

季节性冻土的水文过程是指水分在季节冻土冻结层以下的岩层和土壤内的迁移转化和相变的过程，是一种基于冻融土壤为主要下垫面类型的特殊陆面水文过程，其水文特点随着土壤冻融过程中的不同阶段，相应地发生改变。“冻土冻融过程可分为不稳定冻结期、稳定冻结期、不稳定融化期、稳定融化期，水文特点与非冻土地区相比有着显著的区别［13］”。冻层水理性质也随着冻融期不同阶段呈现出不同的变化规律，其各阶段对寒区水资源的影响也各不相同。

基于多孔介质渗流理论与常温条件下岩土水理性质理论，将寒区地下冻土层视为特殊条件下（主要是低温含冰环境）的多孔渗流介质，从容水性质、持水性质、给水性质、透水性质、含冰性质5个方面系统描述其与水的储存与运移相关的物理性质；定义容水度、持水度、给水度、渗透系数、含冰率5个特征参数。冻层水理性质及特征参数见表1。

表1 冻层水理性质及特征参数Table 1 Characteristics parameters and physical properties of freezing layer water

冻层水理性质有关参数的正确取用是分析其对寒区水资源影响中的重要环节，也是进行地下水赋存分析的重要影响因素。参数确定及取舍的好坏直接影响着分析结果的优劣，因此相关参数的选取显的尤为重要。

2 冻层水分迁移相关研究

包气带水分运移属于水文地质学科的热点和难点，而在冻融作用与冻土层条件下，其水盐运移过程涉及冰、水、气、土壤颗粒等更多影响因素，呈现出更加复杂的现象和机理［14－16］。

冻融条件下包气带水分迁移的理论基础仍是基于达西定律和土壤水分非稳定运动基本方程（Richards方程）。国内外冻层水分迁移相关研究见表2。

表2 冻层水分迁移相关研究Table 2 Related research on water exchange

然而，上述研究都是针对冻土层自身水分迁移规律进行的，而未将冻土层放在宏观环境中视为特殊的多孔介质进行研究，难以表述、反映及最终量化冻土层水理性质入渗的完整过程。

从整体上看，少量可检索到的文献都集中在冻土渗透能力研究方面，且明显存在实验土壤种类过少、温控条件不良等不足之处，影响了结果的代表性和普适性；至于综合研究冻土水理性质研究的文献则十分少见。

3 融雪水入渗相关研究

季冻区存在着积雪和冻土，在冻融期融雪水的入渗对农田土壤墒情有着重要的影响。融雪水入渗相关研究见表3。

表3 融雪水入渗相关研究Table 3 Related research on snowmelt infiltration

从上述研究中看出，关于融雪水入渗相关研究主要停留在对这一现象的描述层面，对于规律和机理的研究还有待加强。

若将冻土层作为融雪水入渗过程中的水分交换通道与水分赋存空间［52－53］，冻土层水理性质的认识和研究是解决这一问题的关键。融雪入渗过程中冻土层作为融雪入渗的交换通道相关研究见表4。

表4 融雪入渗过程中冻土层作为融雪入渗的交换通道相关研究Table 4 Related research on frozen soil layer as exchange passageway of snowmelt infiltration

4 冻土保墒相关研究

“冻土保墒”就是在冻融条件下，冻土层保持土壤水分的作用。除了冻土本身所具有的不透水性、蓄水调节、抑制蒸发作用外，其它因素如温度、冻层埋深、冻层厚度、分布范围、连续性等也会使土壤水分不至于过快入渗或蒸发而把水分保持在土壤中。

冻土保墒是季节性冻土区特有的一种水文现象，在我国东北寒区有一句谚语“十涝九丢、十旱九收”，其机理和影响因素的分析对合理高效利用有限的土壤水资源量有重要的意义。冻土保墒机理：①冻层的弱透水性或不透水性阻碍了融雪水和上层土壤水的入渗，使这部分水分保留在农作物主要生长的耕作层中；②冻层自身也在融化，这也为非饱和的耕作层提供了一定量的水分。耕作层水分在春季为植物发芽、生长提供了较好的水分来源［63］，而这部分水分如果过多则会造成“春涝”现象。冻土保墒相关研究见表5。

表5 冻土保墒相关研究Table 5 Related research on frozen soil moisture conservation

以上研究中较一致的看法是，冻土的存在对于土壤墒情的保持有正作用。

5 地下水溢流积冰模型分析

地下水溢流积冰是高纬度高寒地区普遍发生的一种现象，同时也是寒区冻土层水理性质的重要表现。在我国，溢流积冰问题最严重的地区位于黑龙江省大兴安岭地区的加格达奇。在严寒的气候条件下，冻结与溢流相伴而生，并在漫长的冬季里挤损护坡、拔高桥基、破坏两岸民居。加格达奇年平均气温为－1.2℃，1月平均气温－25.5℃，1月平均最高气温－16.1℃，历史最低气温－45.4℃，无霜期为85～130d。冬季从9月到次年5月结束。年平均降水量为494.8mm，属寒温带大陆性季风气候。春秋分明，冬长夏短。因此加格达奇可以作为地下水溢流积冰问题典型的研究对象。

东北地区大小兴安岭山前地带第四系孔隙含水层埋深浅、厚度小，当山区地下水沿着浅薄的含水层向下泄流的过程中遇到弱透水冻土层时，溢流便在连底冻的河床上发生了。特别是加格达奇地区，地下水埋深为0.65～1.80 m，地下水年变化幅度为1.00～2.00 m，地下含水层浅薄，一般5～7 m，最厚14 m。而冻层厚度大，地形切割达到含水层隔水底板，地下水被迫从两层接触处出露成溢流泉，在冬季冰封的冰盖下面突出，迫使冰面破裂鼓起。

目前对加格达奇地下水溢流积冰的研究主要采用饱和渗流模型和基于窄缝模型的物理模型等各类数学模型方法。通过模型研究可对高寒地区地下水溢流积冰灾害进行定量评价及为溢流积冰的治理方案提供设计参数。研究以大兴安岭地区加格达奇实例调查与分析的具体情况，和补给水分来源与数量、溢流通道与溢流强度、冰形成时间地点与规模、灾害类型与程度等关键物理量等为基础，主要考虑结构、功能、输入输出、边界环境等参数。其中，结构参数包括范围和厚度，功能参数包括储水系数和导水系数，输入输出参数包括山前侧向补给强度、冰泉溢出强度、承压水头等，边界环境参数包括山前侧补断面、补给山区汇水量等。

6 俄罗斯科学院冻土所的相关研究

鉴于在寒冷地区，冬季地下水溢流积冰对护坡等建筑物及两岸民居的重要影响国内外许多学者围绕溢流积冰问题做了许多研究工作，其中俄罗斯凭借地理位置的优势，许多机构的学者对寒区地下水溢流积冰问题有较深的研究，研究成果处于国际领地位。俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所（麦尔尼科夫冻土研究所（MELNIKOV PERMAFROST INSTITUTE）起源于1941 年，是俄罗斯科学院西伯利亚分院的重要部门之一，其冻土研究水平居国际一流位置）是俄罗斯寒区地下水相关研究的典型代表，其研究的内容主要涉及：冻土区地下水基本概念，包括自然水循环及其在水文地质和冻土地质过程中的作用，地下水和冻土之间的关系，地下水水文地质分类等；冻结层上水的起源、分布与消亡，永冻土对冻结层上水起源的影响；冻结层上水的补给，包括降水入渗，冻结含水层上部包气带的水汽凝结，地表水入渗和其它补给源；天然条件下冻结层上水的水文情势，主要有冻结层上水的运动，冻结层上水的动态特征，冻结层上水的水化学特征，冻结层上水的冻结过程）等；人类活动对冻结层上水的影响，主要有人类活动对补给的影响，人类活动对水文情势的影响，实用冻结层上水排水工程技术等方面。

基于对以上内容的研究，麦尔尼科夫冻土研究所的V.V.Shepelev 教授编写，R.V.Zhang 教授编辑的 《寒区冻结层上水》［68－69］一书已于2011年由俄罗斯新西伯利亚的地球科学学术出版社出版发行。针对地球科学界提出的一个新研究领域——寒区水文地质学，该书介绍了其概念、分类方案、主要影响因素、水的化学组成特性、持水系统的水动力特征以及它们对技术影响的响应等。全书包含了作者及其团队多年来对俄罗斯地区冻结层上水的形成规律、区域边界特征、相变特征等进行系统观测所得到的大量数据，并进行系统分析所得到的研究结果，具有很好的应用参考价值。对于寒区冻层水理性质的研究，《寒区冻结层上水》一书的相关成果在理论和实践上都有较高的借鉴意义。

7 结论与讨论

由于寒区环境的恶劣性、寒区地下水问题的复杂性，使得寒区冻层水理性质的研究基础还相对薄弱。目前对寒区冻层水理性质的研究笼统地采用非寒区常规方法并无法取得合理的结果，寒区水理性质研究的整体水平尚处于对此概念的理论认识和基础监测试验数据积累阶段。因此通过试验和监测手段进行寒区冻层水理性质实质性研究是必要且迫切的。

本文通过梳理国内外冻层水理性质相关研究方法、数据及模型等成果，得出如下结论与讨论：

1）表征冻土层水理性质特征参数主要有容水度、持水度、给水度、渗透系数、含冰率5个特征参数。相关研究中监测对象大部分偏向于对渗透系数、含水率、温度的监测，渗透系数的监测无论在理论上还是方法上都是比较成熟和可靠的。而其它参数特别是含冰率的监测研究则较少。

2）冻层水理性质相关研究的内容主要集中在冻融期土壤入渗能力的研究及土壤水热盐耦合监测研究。雪被覆盖下的冻土入渗规律研究及冻土保墒研究也比较多。较一致的结论是冻层弱透水性对土壤入渗有抑制作用，由于积雪覆盖导致土壤各层含水率随时间变化波动较为均匀，有利于维持土壤含水率的稳定，同时使土壤含水率有增加的趋势；又由于冻层对土壤与大气之间的热交换具有阻滞作用，所以土壤冻融对土壤蓄水保墒、防止春旱具有十分显著的作用。

3）地下水溢流积冰模型研究以我国东北部典型寒区加格达奇为例，从地理位置、溢流积冰形成原因、研究方法3方面进行梳理与分析。地下水依赖积冰是由于地形切割达到含水层隔水底板，地下水被迫从两层接触面处出露成溢流泉，在冬季冰封的冰盖下面突出，迫使冰面破裂鼓起。由于地下水积冰溢流问题所带来的灾害显著，加强对其研究和灾害的防治是十分必要的。俄罗斯地处高纬度寒区，存在大面积的冻土。其特殊的地理位置，孕育出众多的俄罗斯寒区研究的学者和研究机构。其中最著名的是俄罗斯西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，其冻土研究水平居国际一流位置，是俄罗斯寒区地下水相关研究的典型代表。通过对两个典型寒区的相关研究内容和研究程度介绍可为其它典型寒区冻土及地下水资源研究提供参考。

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