冻结作用下潜水蒸发的室内试验研究

高旭光，陈军锋，郑秀清，薛 静

(太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

我国季节性冻土主要分布于北纬30°以北的干旱、半干旱和水资源严重短缺的地区[1]。冻结期，地下水中的盐分会随着潜水蒸发过程逐渐被带到地表；消融期，干旱和半干旱地区由于降水少，蒸发强烈，大量土壤水分蒸发进入大气而使盐分在地表积累，形成土壤盐渍化。在地下水浅埋区，潜水蒸发是地下水的主要消耗项之一，也是区域蒸散发主要的水分来源之一[2]。因此，研究冻融过程中的潜水蒸发规律对保护地下水浅埋区水资源、预防土壤盐渍化灾害具有重要的指导意义。

多年来，有关非冻结期潜水蒸发研究的试验方法、影响因素及数值模拟计算等方面的研究取得了重要进展。对于潜水蒸发问题，蒸渗仪被广泛用来进行潜水蒸发的试验研究，Yang等[3]在中科院禹城试验站建立了大型蒸渗仪用以研究潜水蒸发及地下水与土壤水间的转换。Brunner等[4]结合地表蒸散发的遥感地图对潜水蒸发量进行了研究。在非冻结期，影响潜水蒸发强度的因素主要有大气蒸发能力、地下水位埋深及土壤质地性等[5-10]。当地下水位埋深较浅时，潜水蒸发受大气蒸发能力的影响较大[11]。地下水位埋深对潜水蒸发的影响主要集中于0～1.0 m[12]，无论是何种土质，潜水蒸发量随埋深增大而减少，当潜水位埋深达到一定深度时，潜水蒸发量趋近于零。土质对潜水蒸发的影响主要表现在土壤的毛细管特性上，不同土质土壤中的潜水蒸发量随土壤埋深变化幅度明显不同[13]。郝振纯等[14]通过对淮北平原裸土潜水蒸发规律的研究发现，黄潮土的潜水蒸发量远远超过砂姜黑土的潜水蒸发量。为了对不同条件下的潜水蒸发规律进行深入研究，许多研究者建立了潜水蒸发量计算的数值模型[15-18]，张永明等[19]建立了裸地潜水蒸发模型，并对其计算方法、极限蒸发强度和极限埋深等关键问题进行了深入探讨。

土壤中的潜水蒸发机制在冻结期与非冻结期有很大差别。在非冻结期，潜水蒸发是指潜水在土壤水吸力作用下向包气带输送水分，并通过土壤蒸发或植物蒸腾进入大气的过程[20]。冻结期，土壤蒸发很小，由于表层土壤冻结，地下水浅埋区的潜水在土水势作用下由未冻结区向冻结区迁移而储存于冻结层中，潜水蒸发量与温度梯度密切相关。雷志栋等[21]通过对土壤冻结期潜水蒸发规律的模拟，揭示了负积温和地下水位埋深对冻结期潜水蒸发量的影响。Chen等[22]利用野外蒸渗仪对季节性冻融期不同岩性及不同地下水位埋深下的潜水与土壤水转化规律进行了研究，Miao等[23]通过野外实验，对季节性冻融期地下水位埋深与潜水蒸发的关系进行了研究，但均未揭示冻结气温对潜水蒸发规律的影响。由于土壤冻结使得冻结期的潜水蒸发过程异常复杂，且大气温度在日内波动变化较大，无规律可循，无法准确分析冻结期气温对潜水蒸发规律的影响。基于此，本研究利用马氏瓶恒定水头供水原理，通过人为控制冻结气温模拟冻结作用下的潜水蒸发过程，研究了非饱和带土壤平均粒径及冻结气温变化对潜水蒸发规律的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

室内土体单向冻结模拟试验装置主要由土柱、制冷系统、气温监测系统及定水头供水系统组成，图1为模拟试验装置的结构示意图。

图1 室内土柱冻结试验装置

土柱高110 cm，内径16 cm，由壁厚为3 mm的有机玻璃管制成，土柱外部用2.5 cm厚的海绵材料进行保温处理，防止与外界环境进行热交换。制冷系统为由海尔BC/BD-388A冰柜改造的数控制冷装置，温度控制精度为0.01 ℃，模拟冻结气温的变化过程。气温监测系统采用Cos-02-0 USB 型温湿度记录仪来监测记录冻结气温变化，记录仪允许最大监测负温为-50 ℃。定水头供水系统利用马氏瓶恒定水头供水原理，由高90 cm，直径为8 cm的马氏瓶及高40 cm，直径为16 cm的平衡瓶组成。

1.2 试验方案

土柱底部铺设10 cm厚度的石英砂作为反滤层，土层厚度为100 cm，土柱装置下端通过平衡瓶与马氏瓶连接，地下水位埋深控制为0.5 m。

土样按天然容重进行填装，填装完成后，为确保土体的连续均匀，将土柱在室温条件下静置2d后再调节试验装置打开马氏瓶供水。为使地下水埋深恒定控制为0.5m，且使土壤剖面的水分达到稳定状态，在室温条件下供水7 d后开始冻结试验。在土柱5、10、15、20、25、30 cm深度处埋设热敏电阻，监测土壤剖面温度变化。初始冻结阶段，土壤剖面温度监测频率为2 h一次，冻结达到稳定状态后，土壤剖面温度每4 h监测一次。马氏瓶水量的监测频率为2 h一次。

试验土样取自山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站，土壤质地为壤砂土。试验设置的3种不同粒径土壤的基本物理参数见表1。试验过程依次按-15、-20和-30 ℃ 3种不同冻结气温进行冻结，具体冻结气温变化见图2。在恒定冻结气温为-15 ℃的冻结条件下冻结至第30 d时3种土壤剖面温度和马氏瓶水量全部达到稳定状态，此时调节冻结气温至-20 ℃，第50 d时潜水蒸发达到新的稳定状态，继续降低冻结气温至-30 ℃，在第65 d时土壤剖面温度和潜水蒸发量重新达到稳定状态，停止冻结。

表1 田间土壤物理参数

图2 冻结气温变化曲线

2 结果分析

2.1 土壤剖面温度变化特征

土壤剖面温度可以直观反映土壤的冻结情况，图3为冻结过程中冻结气温发生变化时不同深度处土壤剖面温度随时间的变化规律。可见，冻结过程中土壤温度经历了快速降温-缓慢降温-稳定的变化过程。由于土壤的导热系数小于空气的导热系数，所以在整个冻结过程中，土壤剖面温度的变化滞后于冻结气温的变化，且滞后时间随土壤深度的增加而增大，不同深度处土壤温度最低值见表2。在-15 ℃恒定冻结气温下，土壤剖面温度在第20～25 d达到稳定状态，且土壤深度越浅，土壤温度降幅越大，土壤剖面温度越早达到稳定，3种土壤在5 cm深度处的土壤温度降幅分别达到18.6、17.9和18.5 ℃。潜水蒸发后向冻结层聚集，水分在冻结过程中会释放潜热，在-15 ℃恒定冻结气温下土壤剖面温度达到稳定后，由于此时的温度梯度较小，潜热释放对土壤剖面温度影响较大，第25～30 d时的土壤剖面温度略有升高。当冻结气温降至-20 ℃时，土壤剖面温度在第45～49 d重新达到稳定状态，3种土壤在15 cm深度处的降幅最大，为2.5～3.3 ℃。由于温度梯度的存在使潜水源源不断的流入土壤剖面，使得土壤含水率增加，进而导致土壤的热容量增大，且土层埋深越大含水率增加越明显[24]，所以当冻结气温降低至-30 ℃时，土壤剖面温度变幅随着土壤深度的增加而减小。

图3 冻结过程中土壤剖面温度变化曲线

整个冻结过程中，当土壤深度小于10 cm时，土壤粒径越小，受冻结气温变化的影响越明显，A土壤温度最低。这是由于A土壤的平均粒径较小，毛细作用强，在毛细力作用下，A土壤潜水蒸发速度快使得剖面含水率增加较多，因为水的热导率比土壤大，所以A土壤的热导率高于其他土壤，在冻结气温不断降低的过程中，A土壤的剖面温度变化较其他土壤快。在相同的冻结气温条件下，A土壤5 cm深度处土壤温度在第5 d时即由17.0 ℃降到-0.1 ℃，而粒径较大的B和C土壤温度则在第9～11 d降低至0 ℃以下。当土壤深度大于15 cm时，A土壤温度最高，这是由于潜水蒸发后向冻结层聚集，水分在冻结过程中会释放潜热，因为A土壤的潜水蒸发量较大，所以A土壤剖面温度较高。

表2 冻结气温变化时不同深度处土壤温度最低值 ℃

2.2 潜水蒸发量

不同气温降幅下土壤的冻结速率不同，土壤剖面温度梯度的差异导致潜水蒸发的快慢。图4为整个冻结过程中累积潜水蒸发量随冻结时间的变化曲线，可见，在相同的冻结气温条件下，累积潜水蒸发量与土壤粒径具有密切关系，粒径越小，累积潜水蒸发量越大。3个冻结气温条件下的最大累积潜水蒸发量值见表3，A土壤在冻结期的累积潜水蒸发量最大，为324 mm，C土壤累积潜水蒸发量最小，为232 mm。在-15 ℃恒定冻结气温下冻结30 d后，A、B、C 3种不同粒径土壤达到稳定状态时的累积潜水蒸发量分别为211、124、96 mm。冻结气温降低至-20 ℃后，土壤剖面温度梯度增大，在土水势梯度作用下，潜水蒸发量随时间继续增加，在该恒定负温条件下冻结20 d后潜水蒸发量达到新的稳定状态，此时A、B、C 3种不同粒径土壤的累积潜水蒸发量较冻结气温为-15 ℃时分别增加了23.7%、62.1%和66.7%。当冻结气温降低至-30 ℃后，在较大气温降幅下，土壤剖面温度梯度增大，潜水蒸发速率较冻结气温降低至-20 ℃时加快，累积潜水蒸发量变化曲线的斜率变大。

图4 累积潜水蒸发量变化曲线

冻结气温/℃累积冻结时间/d累积潜水蒸发量/mmABC-153021112496-2050261201160-3065324280232

冻结期土壤剖面温度变化较大，由温度差形成的温度梯度是影响水分迁移的主导因素。当土壤剖面温度高于0 ℃时，土水势梯度较小，随着土壤剖面温度降低，累积潜水蒸发量变化很小。当土壤剖面温度低于0 ℃时，土壤快速冻结，部分液态水相变成冰，水势梯度变大，在水势梯度作用下，潜水蒸发速率加快，潜水蒸发量迅速增加。当土壤达到稳定冻结状态后，土壤剖面温度变化减小，水势梯度减小，潜水蒸发速率减缓，累积潜水蒸发量缓慢增加。由于A土壤剖面温度变化较其他土壤快，所以在温度梯度的作用下，A土壤累积潜水蒸发量增加速率较其他土壤快。

通过对A、B和C 3种土壤在-15 ℃冻结气温下30 d的潜水蒸发量数据进行拟合分析，结果表明冻结期间累计潜水蒸发量与冻结时间满足对数方程关系。二者之间符合如下关系：

Q=AlnT+B

(1)

式中：Q为累计潜水蒸发量，mm；T为冻结时间，d；A、B均为回归系数，与土壤物理特性有关。

图5为累积潜水蒸发量随冻结时间的拟合曲线图。对3种土壤中累积潜水蒸发量的拟合曲线进行回归分析，分析结果

图5 累积潜水蒸发量与冻结时间拟合曲线

见表4。由方差分析结果可知，对数函数拟合方程的相关系数R2均大于0.98，说明冻结过程中累积潜水蒸发量随冻结时间变化较好的符合对数函数的关系，且土壤粒径越小，拟合效果越好。由表4可以看出，回归系数A随土壤粒径的增大而减小，表明随着土壤粒径增大，累积潜水蒸发量随时间的变化率减小。

表4 拟合方程回归分析结果

3 结 语

(1)冻结过程中，土壤剖面温度的变化滞后于冻结气温的变化，且滞后时间随土壤深度的增加而增大。在相同的冻结气温条件下，土壤粒径越小，0～10 cm土壤剖面温度受冻结气温变化的影响越剧烈，降温越快。

(2)冻结期，潜水蒸发受土壤粒径大小及冻结气温变化的影响，土壤粒径越小，潜水蒸发速率越快，冻结气温变化对土壤中潜水蒸发的影响效果也越明显，整个冻结过程中，A、B、C 3种土壤的最大累积潜水蒸发量分别为324、280、232 mm。冻结气温降温幅度越大，潜水蒸发速率越快。

(3)累积潜水蒸发量与冻结时间满足对数方程关系，土壤粒径越小，拟合效果越好，且随着土壤粒径增大，累积潜水蒸发量随时间的变化率减小。