寒区冻泉与冰丘形成机理分析

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫著；戴长雷，张一丁译

(1.俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，萨哈共和国 雅库茨克 677010;2.黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

寒区冻泉与冰丘形成机理分析

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫1著；戴长雷2,3，张一丁3译

(1.俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，萨哈共和国 雅库茨克 677010;2.黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

摘要：寒区冻泉与冰丘形成机理这一问题一直备受人们关注。在充分梳理既有研究成果的基础上，指出：寒区地下潜水排泄到地表的过程主要受冻土因素、气候因素，以及其自身形成、补给、水循环等因素的影响；冻结泉不仅可以由季节性融化层中的冻结层上水形成，还可以由冻结层上地下水形成；在低温作用影响下，引起了地下水在地表排泄口的冻结，促进了冰丘的形成。

关键词：冻泉；冰丘；形成；寒区

本文是在维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫教授的代表性著作《寒区冻结层上水》(新西伯利亚科技出版社，2011)的基础上翻译节选修订而成的。

作者现为俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所(该研究所在中国通常被称为西伯利亚冻土所)科研副所长、萨哈(雅库特)共和国科学院院士、俄罗斯工程院通讯院士，长期致力于寒区地下水相关方向的科研和教学工作。立足于作者扎实的理论基础、俄罗斯广袤的寒区环境、以及西伯利亚冻土所丰富的监测数据，相关研究成果在寒区地下水领域达到了世界一流的水平。

本文节选的内容主要为立足于寒区冻泉与冰丘形成机理的论述，值得一提的是，本文关于冻泉和冰丘形成的许多研究成果都是作者在系统研究的基础上完整提出，可为国内从事寒区冻土和地下水溢流积冰研究的同行提供一个重要的参鉴窗口。

1冻结层上水泄流特点

寒区地下潜水排泄到地表的过程，受自身各因素间的影响，主要表现在：

(1)地貌的类型决定了地下水的走向和水压梯度值，根据低洼地形(河谷、狭谷、冲沟和湖盆等)来弄清含水层间的交叉点。

(2)岩相决定了含水沉积层的特点、成分、岩层厚度、分布面积的变化。

(3)水文特征决定了地下水形成、补给、排泄条件等受河流水位波动的影响，以及受河床变迁过程(河床迁移和河流分道等)的影响。

(4)根据构造地貌来确定个别断面区地下水形成时间，或确定地下水水流交叉点的形成年代。

(5)根据冰雪地貌来确定地下水补给的特点和各类冰川侵蚀地貌(削平的冰川盆地、积雪窟洞地貌、冰斗等)的形成过程。

(6)人类建成的各种工程项目，有的能够直接排泄地下水(露天的采矿场、隧道等)，有的能促进地下水的排泄(马路上的下水道排泄口、地下排水管道等)。

上述因素，打乱和改变了水系统的入渗补给，引起了地下水的排泄。

除了上述冻土和气候因素之外，寒区冻结层上水排泄主要受其形成、补给、水循环条件的影响。在冻结因素中，岩层季节性冻结和融化过程对冻结层上水的排泄影响最大。Н.И.托尔斯基辛在自己的著作《岩层圈冻结区地下水》中指出：“如果多年冻土保持原貌，本地区的水文地质会具备三种类型：冻结层上水，冻结层间水，冻结层下水。那么在地下水以泉水的形式溢出地表的过程中，冻结带和季节性冻结起着非常重要的作用。冻结区具有使地下水溢出地表的独特条件，溢出过程中形成的水道在表层会发生冻结和融化。这类可以冻结和融化的独特泉水，在其他地区是没有的[1-3]。

2冻结泉的形成

A.M 奥夫琴尼科(1995)认为，泉水的类型可以分为侵蚀型、接触型、承压型、原始型和人工型等。冻结泉不仅可以由季节性融化层中的冻结层上水形成，还可以由冻结层上地下水形成。按照水文地质动力状况的变化特征，在季节性冻结过程的影响下，这类泉属于回水类型，因为，它的形成与冻结层上水水量减少以及回水区的形成有关。在经过一段负昼夜温差比较稳定的时期后，冻结泉开始发挥作用。冻结泉持续时间长短取决于冻结层上水的埋藏深度、冬季初期负温度值和大气降水量。在冻结层上水溢出地表之前，地表隆起形成丘陵，所以冻结层上水要穿透丘陵，溢出地表。

冻结泉的出水量不大，平均0.01 L/s，至多0.1 L/s。由于出水量不大，这类泉只是间歇性地向外溢出。一定的地下水溢出之后，静水水压消失，泉水不再溢出，进入停歇期。在此期间，冻胀丘的出水裂隙顶部发生冻结，冻结层上水的水位开始逐渐升高，直到静水水压打破丘陵出水裂隙顶部的冰为止。之后，一定量的地下水又重新溢出，静水水压消失。

冻结泉形成示意图见图1。根据该图，这类泉的出水量(Qnр)可以按照公式(1)计算：

(1)

式中：Kф为岩层渗透系数，m/d；Δh为谷底标高下，冻结层上水高水位最大值，m；h0为入冬前峡谷区冻结层上水水层厚度，m；x为冻结层上水泄水点到高水位的距离，m；l为泉到冻结层上水回水区“分水岭”的距离；Δz为入冬前在本地区最低点的冻结层上水水位深度。

а—暖季冻结层上水文地质状况；b—冬季冻结层上水文地质状况；1—季节性冻结层；2—多年冻结层及范围；3—冻结层上水水位(冻层地下水位)；4—融化的无水沉积层；5—含水层；6—冻结层上水流向；I-V监测井；hπp—冻结层上含水层冻结的厚度；he—冬季冻结层上水水流厚度图1　冻结层上水冻结泉的形成示意图

冻结层上水溢出地表的过程是：在静水压作用下，冻结层上水的压力增加，水位抬升，在季节性冻结层的狭窄处冲破其表层。

该压力(静水压力)可以按照公式(2)近似计算：

(2)

式中：γB为水量，kg/m3；g为自由落体的加速度，m/s2。

这样，采取Kф=2 m/d，Δh=0.8 m，Δz=0.3 m，h0=0.7 m，x=500 m，l=30m，从公式(1)和(2)可以得出冻结泉水量数值。Qпр=2.5 m3/d(或0.03 L/s)，对活动层底部压力Prcт=1.8×105Pa。

E.A.鲁缅恩采夫(1966,1969)，B.P.阿列科谢耶夫和Н.Ф.萨夫科(1975)、Ю.Г.叶菲莫夫和A.B.索特尼科夫(1979)、A.B.索特尼科夫(1984)等建议使用一些其他的分析公式，来计算冻结泉的出水量以及导致冻结层上水水位抬升的静水压值。例如，A.B.索特尼科夫建议使用公式(3)计算：

(3)

式中：m0，J0为冻结前地下水水流厚度和坡度；mτ为冻结地段地下水流的厚度；HCT(γ)为冻结地段的边界上地下水水位；l为冻结地段长度；a为含水层的压电常数；τ为冻结时间。

这类公式的计算方式主要根据低温回水区地下水斜坡的变化，计算出泉水涌流量和冻结地段的冻结层上水流层厚度下降量。在实际操作中，由于冻结层上水排泄区的表层隆起和正在冻结的冻结层上含水层低温水压的存在，精确的计算出涌流值是非常困难的。

季节性融化层的冻结层上水一般在冬季后的两三个月内形成冻结泉，水量不大。冻结层上水形成冻结泉的位置一般在河流、湖泊两岸的南坡，或者在横贯冻结层上水的低洼地形成。

3地下水溢流积冰与冰丘的形成

冻结层上地下水的排泄在地貌因素、岩相因素、水文因素等其他因素的制约下，岩层的季节性冻结对其影响很大。如果排泄过程终年存在，并且还受其他因素的影响，就不能把这类冻结层上水的排泄归结为冻结泉。

但是，岩层季节性冻结对冻结层上地下水排泄的影响是实实在在存在的，除此之外，冬季时，季节性融化层还能促进低温水压的出现，增加排泄的强度，引起排泄位置季节性多年性的变化[4-6]。

Н.И.托尔斯基辛和其他研究者划分完解冻泉的种类后，指出，实际上这些泉是季节性融化层水冻结层上季节滞水排泄形成的。在活动层融化层中，冻土因素对这类泉的影响是不均衡的。如果季节性融化层在补给冻结层上水的过程中，岩层急剧变薄，进而消失，那么就会形成夏季的季节性涌动泉。

无论对冻结层上水，还是对寒区其他类型的地下水，负温或冷冻因素无疑是影响其排泄状况的主要气候因素。在低温作用影响下，引起了地下水在地表排泄口的冻结，促进了冰丘的形成。冬季时，冰丘的形成改变了地下水排泄的状态。地下水透过季节性冻结层的冰丘喷出地表见图2。作者认为，地下水是通过冰丘底部的圆形裂隙排泄到地表的。这类裂隙是以独特的冰形“阀门”形式存在，在冰丘形成的一定时期内，裂隙具有透水性，水在压力的作用下，向地表水体排泄[7-9]。在静水压消失之后，水停止向地表排泄，并且在裂隙表层的水开始冻结。随着静水水压的逐渐增大，穿透了冰丘的结冰层，地下水又开始通过裂隙排泄，循环往复。地下水通过冰丘的裂隙定期向地表水体排泄，使冰丘形成了纹理状特征。

a—冰丘陵底部的圆形裂隙；b—冰丘顶部的径向裂隙；1—冰面；2—冰丘表层水；3—季节性冻结层；4—多年冻结层；5—河床下部的含水融区；6—地下水排泄形成的溪流河床；7—水的流向图2　地下水透过冰丘的排泄示意图

要通过冬季的持续时间和寒冷程度，以及地下水涌流量和向地表排泄的条件来确定冰丘的大小。

季节性冻结泉形成的冰丘，差不多是冻结层上水所有的排水量。在这种情况下，可以按照著名的公式(4)来计算冰丘的大小：

(4)

式中：Wn为冰层数量，m3；Qпр为冻结泉出水量，m3/d；kf为冰水转换比例参数；τн为冰层形成时间，d。

冻结层上地下水在冰丘表面喷出的泉水，有一部分流到了河谷，流淌过程中，在河流冻结的表层形成了水道。通过公式(5)可以确定冰丘的冻结泉水量：

(5)

式中：ln为冬季，冰丘地下水出水量参数值，%；Wn为冰丘大小，m3；QucT为冬季或临冬冰丘形成的泉出水量，m3/d；τ为冬季的持续时间，d。

按照式(5)，作者计算了雅库特地区一些泉水冰丘的ln参数值，见表1。

表1的结果证明了冰丘的含水量占冬季泉水出水量的50%左右。毫无疑问，这种情况指的是按照冰丘的指数(冰丘的数量和面积，相对结冰系数和其他)来计算地下水的自然资源量。

表1　冬季萨哈共和国一些泉水冰丘出水总量

注:QΠ3为部分流向河床的冬季泉水量。

冬季时，寒区冻结层上地下水和其他类型的地下水是以冰丘的形式逐渐累积的，冰丘由地下泉水形成，呈低温和冰状。冬季时，地下泉水溢出水面所形成的冰层，减少了河流的地下补给量。冰丘在暖季融化，冬季到夏季的这段时间中，冰丘对泉水的水流进行了重新分配。由于一些寒区的冰丘含水数量庞大，因此，在整个水文和气候自然水循环中，冰丘被视为寒区水循环系统中独具特色的一环。

4结论

综合分析可得：

(1)寒区地下潜水排泄到地表的过程主要受冻土因素、气候因素，以及其自身形成、补给、水循环等因素的影响。

(2)冻结泉不仅可以由季节性融化层中的冻结层上水形成，还可以由冻结层上地下水形成。

(3)在低温作用影响下，引起了地下水在地表排泄口的冻结，促进了冰丘的形成。

参考文献：

[1]Толстихин Н И.Подземные воды мерзлой зоны литосферы[M].Москва:Госгеол-техиздат,1941:202.

[2]Швецов П Ф.Криогенные геохимические поля на территории многолетней криолитозоны[J].Изв.АН СССР.Сер.геол,1961(1)：46-51.

[3]Афанасенко В Е,Корейша М М,Романовский Н Н.Некоторые результаты повторного исследования гигантских наледей Селеняхской впадины и хребтаТас-Хаяхтах—Пробле мы наледеобразования[M].Чита,1973：43-45.

[4]Мельников П И,Романовский Н Н,Фотиев С М.Новые направления в изучении подземных вод криогенной области Проблемы криологии[M]Наука,1983:7-21.

[5]Анисимова Н П, Никитина Н М, Пигузова В М, И.Т.Д. Путеводитель Источники Центральной Якутии[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1973：46.

[6]Толстихин Н И,Толстихин О Н.Подземные и поверхностные воды территории распространения мерзлойзоны(Общее мерзлотоведение)[M].Новосибирск:Наука.Сиб.отд-ние,1974:192-229.

[7]Шепелёв В В.Особенности разгрузки подземных вод мерзлой зоны—Вопросы гидрогеологии криолитозоны[M].Якутск:Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР,1975:45-56.

[8]Шепелёв В В.РодниковыеводыЯкутии[M].Якутск:Кн.изд-во,1987:127.

[9]Шепелёв В В.Режим источника и наледи Мугур-Тарын в Центральной Якутии//Исследование наледей[M].Якутск:Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР,1979：87-97.

Mechanism analysis of frozen springs and ice mound formation in cold regionsWritten by Viktor Vasilievich Shepelev1;Translated by DAI Changlei2,3,ZHANG Yiding3

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Abstract：Mechanism analysis of frozen springs and ice mound formation has been drawing people’s attention.On the basis of combing research results adequately,this paper points out:The process of phreatic water discharge to the surface mainly influenced by permafrost,climate and its formation,supply,water cycle,etc;Frozen springs not only can be formed by frozen layer water in seasonal melting layer,but also can be formed by groundwater in the frozen layer;With the influence of the low temperature,it causes the groundwater freezing in the surface discharge and promotes the formation of ice mound.

Key words：frozen springs;ice mound;formation;cold regions

作者简介：维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫(1941-)，男，俄罗斯萨哈共和国雅库茨克人，博士，教授，主要从事寒区地下水相关方向的科研和教学工作。

中图分类号：P343.6

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)04-0024-04