凍層融凍過程地下水位變化影響分析

1、    凍層融凍過程地下水位變化影響分析    梁麗青+王志摘 要：我國季節(jié)性凍土約占土地面積的54%，而季節(jié)性凍土通過凍融影響著地下水的水位。地下水位變化受多重因素的影響，因此研究凍融對凍土的影響一般不直接測量地下水位變化，而是通過對土壤各物理因素的分析，從而得到凍土對地下水的影響。關(guān)鍵詞：凍結(jié)期；凍融期；季節(jié)性凍土；地下水： p641.1 ： a ： 1673-1069（2016）20-168-21 研究方法凍層凍融過程地下水位變化一般不直接測量地下水位試驗來的出結(jié)論，而是通過對地下水勢、土壤溫度、土壤含水量周期觀測及土壤入滲試驗，綜合其他相關(guān)試驗數(shù)

2、據(jù)及當(dāng)?shù)貧夂蛸Y料，從而得到試驗的數(shù)據(jù)及相關(guān)曲線，分析地下水的動態(tài)特征，而后得出結(jié)論1-6。2 凍結(jié)期土壤水分動態(tài)變化及地下水位的變化季節(jié)性凍土在凍結(jié)過程中由地表開始自上而下逐漸加厚，在溫度梯度、水勢梯度、毛細(xì)力及分子力等的作用下，液態(tài)水在一定的深度范圍上滲，遇到凍層下界面凍結(jié)成冰晶，大于這個深度范圍，液態(tài)水下滲，本文把這個深度稱為水分零通面（簡稱零通面）6。地下水的埋深與該水分零通面的關(guān)系決定了地下水的補給或損耗。2.1 潛埋型地下水位變化當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮谒至阃?，地下水直接向上入滲補給土壤水以形成凍層，在其他條件不變時，地下水位下降6-8，但是具有一定的滯后性。尤其在平原或較低的地區(qū)，潛水

3、埋藏較淺，大量潛水直接補給到土壤中，形成季節(jié)性凍土，在凍結(jié)狀態(tài)下，土壤含水率可達到飽和或者過飽和狀態(tài)，此時，地下水損耗較大，地下水位變化較大8，這種地下水損耗通常稱為“潛水蒸發(fā)”。凍結(jié)期潛水蒸發(fā)量比非凍結(jié)期大，土壤增加貯水量和累計潛水蒸發(fā)量相關(guān)性較好，潛水蒸發(fā)隨著負(fù)積溫的增加而增加；潛水蒸發(fā)隨凍結(jié)過程時間的增大而增大；隨著潛水埋深的增加呈指數(shù)遞減；損耗強度隨時間有一個峰值，可用冪指數(shù)方程表示9-11。2.2 深埋型地下水位變化當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥谒至阃鏁r，由于水分零通面的水勢最大，以其為界，土壤水分以上部分向上入滲遇到冰層凍結(jié)，以下部分下滲補給地下水（指潛水）6，其他條件不變的情況下，地下水位

4、上升，但影響不是很明顯。如果凍結(jié)前土壤含水量不大，凍結(jié)期沒有充足的水補給地下水并上滲凍結(jié)，地下水可能就不會上升；如果地下水埋藏深度遠大于零通面，地下水位就不會受到影響，但不利于土壤保墑。2.3 凍結(jié)期地下水位變化的其他影響因素地下水排泄主要受到季節(jié)性豐水期和枯水期的調(diào)節(jié)，在凍結(jié)期不會有太大的影響。而地表水入滲和蒸發(fā)據(jù)凍結(jié)情況，對地下水位影響可分為兩種情況：地下水埋藏較淺，或凍結(jié)期處于給水量充足的豐水期，土壤凍結(jié)含水量等于或大于土壤含水量，李天霄等12通過對大田土壤凍結(jié)過程入滲的試驗，得到穩(wěn)定入滲時間、穩(wěn)定入滲率和累計入滲量隨凍深的變化曲線，三條曲線反映了在凍結(jié)期凍層逐漸變厚時，其滲透能力迅速減

5、小達到穩(wěn)定，凍層幾乎不透水，形成了隔水層，幾乎不發(fā)生地表水入滲和蒸發(fā)到地表，對地下水位影響不大。地下水埋藏較深，或凍結(jié)期處于干旱或缺水時期，凍結(jié)期供水不足，土壤未達到飽和，此時土壤具有一定的入滲能力和蒸發(fā)能力13。但此時入滲及蒸發(fā)能力很弱，且地下水位較深，很少能蒸發(fā)或地表水補給，所以對地下水位變化影響也不大。3 凍融期土壤水分動態(tài)變化及地下水水位變化凍層融化過程要比凍結(jié)過程短很多，春季氣溫回升時季節(jié)性凍土開始雙向融化，此時土壤液態(tài)含水量增加，水勢分布發(fā)生變化，水分零通面消失。3.1 潛埋型地下水位變化如2.1所述，凍結(jié)期土壤貯存了大量水，當(dāng)凍層融化時，易形成凍層上水，但凍層具有隔水性，所以凍層

6、上水在融通前不會補給地下潛水。凍層下融化的土壤由于超過了持水量，所以大量釋水補給地下水，地下水為上升6-8。騰凱等14發(fā)現(xiàn)凍土融化后滲透系數(shù)變大，滲透性比未凍前高出數(shù)倍甚至百倍，地下潛水位的變化要比凍結(jié)時變化快；并且凍層上水逐漸聚集易形成一定厚度的凍層上潛流層，等凍層融通后，凍層上潛流層和融雪水下滲補給地下水。凍融水是年內(nèi)地下水補給的重要來源15，郭占榮等6提到在西北內(nèi)陸盆地，潛水年補給量的51.9%來自凍融水入滲補給；凍融期月最大補水量（細(xì)沙）是凍結(jié)期月地下水最大損耗量（砂礫石）的四倍多。凍結(jié)期土壤不是特別干旱，地下水埋深小于零通面，凍融水一般都會補給地下潛水，使其水位上升。3.2 深埋型地

7、下水位變化當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥诹阃妫叵滤趦鼋Y(jié)期不補給土壤水，凍結(jié)前土壤較為干旱，凍層貯水沒達到土壤飽和，在融化過程，土壤釋水，入滲途徑長，到達不了地下水，地下水位不會發(fā)生明顯變化。土壤含水沒達到飽和，或者凍土中有空洞、蟲穴、腐爛根道等，也就會有一定的滲透能力，在整個凍融過程中，融雪水和其他地表水都會下滲，也會引起地下水的變化。4 結(jié)論凍結(jié)期，埋藏小于水分零通面的地下水大量補給土壤凍結(jié)，土壤含水達到飽和或過飽和，地下水位下降；埋藏大于零通面的地下水獲得少量土壤水，如果埋藏較深且凍結(jié)前較為干旱，地下水位不能得到土壤水的補給，水位幾乎不會受到凍融的影響；地下水埋藏小于零通面時，凍層為隔水層，幾乎不

8、發(fā)生蒸發(fā)到地表以上或地表水入滲，埋藏大于零通面時，土壤可能達不到飽和凍結(jié)，凍層雖然具有一定的滲透能力，但是由于埋藏較深，蒸發(fā)到地表或地表水下滲對地下水位影響不大。凍融期，水勢發(fā)生變化，零通面消失。潛埋型地下水在凍結(jié)期貯存大量的水，融化時大量釋水補給地下水，地下水位上升，凍融水成為地下水補給的重要來源；深埋型地下水，土壤貯水沒有前者多，釋水補給地下水較少或不補給，地下水位影響不大；潛埋型地下水在融通前不能得到融雪水等地表水的補給，深埋型地下水或者具有空洞、蟻穴腐爛根道等土壤的地下水能夠接受融雪入滲或其他地表水的補給，水位變化依情況而定。 參 考 文 獻1 付強，馬效松，王子龍，等.穩(wěn)定積雪覆蓋下

9、的季節(jié)性凍土水分特征及其數(shù)值模擬j.南水北調(diào)與水利科技，2013，11（1）：81-84.2 王曉巍.北方季節(jié)性凍土的凍融規(guī)律分析及水文特性模擬d.黑龍江：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010：13-21.3 戴長雷，孫思淼，杜新強，等.中國近年寒區(qū)地下水試驗研究進展j.資源科學(xué)，2011，33（2）：286-293.4 孫化江，李洪文，崔莉.黑龍江季節(jié)性凍土分布特征、形成條件與危害及其防治j.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，1993，4（4）：72-78.5 樊貴盛，賈宏驥，李海燕.影響凍融土壤水分入滲特性主要因素的試驗研究j.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1999，15（4）：88-94.6 郭占榮，荊恩春，聶振龍，等.凍結(jié)期

10、和凍融期土壤水分運移特征分析j.水科學(xué)進展，2002，13（3）：298-302.7 白連軍，程春蓮，郭福林.凍土對土壤水份動態(tài)影響的分析j.北方園藝，1996，18（2）：56-57.8 尚松浩，雷志棟，楊詩秀.凍融期地下水位變化情況下土壤水分運動的初步研究j.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1999，15（2）：64-68.9 周有才，趙洪書.松嫩平原土壤水分動態(tài)的研究j.土壤學(xué)報，1979，16（3）：302-305.10 雷志棟，尚松浩，楊詩秀.土壤凍結(jié)過程中潛水蒸發(fā)規(guī)律的模擬研究j.水利學(xué)報，1999，27（6）：6-10.11 張展鴻.土壤凍結(jié)期潛水蒸發(fā)規(guī)律分析j.地下水，2012，34（5）：16-17.12 李天霄，付強，劉東.寒區(qū)冬季大田土壤入滲特性試驗研究c.第2屆“寒區(qū)水資源及其可持續(xù)利用”學(xué)術(shù)研討會論文集，2009：97-101.13 張春艷，沈麗，楊大超.凍層條件下滲渠取