五多年凍土地區(qū)的融區(qū)及地下水

五、多年凍土地區(qū)的融區(qū)及地下水 并非像人們想的那樣，多年凍土地區(qū)到處都是千篇一律，封凍得死死的，其實(shí)也有一些不凍的地方，這就是融區(qū)。凍土科學(xué)工作者給融區(qū)是這樣定義的：融區(qū)是多年凍土中多年處于不凍或融化的地質(zhì)體。 1.融區(qū)與人類 久居凍土地區(qū)的人們，與融區(qū)有著如同魚水一樣的密切關(guān)系。 大氣降水降落在地表，一部分通過融區(qū)直接滲入到凍土層之下的含水層里；另一部分匯成溪流，最后經(jīng)河谷融區(qū)補(bǔ)給地下水?？梢姡趨^(qū)是大氣降水、地表水（河、湖水）與地下水聯(lián)系的通道（圖15）。通過融區(qū)，凍土地區(qū)的地下水得到補(bǔ)給與排泄。 不僅如此，融區(qū)也是凍土地區(qū)進(jìn)行各類建筑的良好場所。前面說過，凍土中尤其是凍土的上限附近，存在著層狀地下冰。由于冰的存在給建筑帶來許多麻煩。在季節(jié)融化層部分，因地基土中的水分凍結(jié)，土體膨脹，當(dāng)建筑物及其外荷載不能克服地基土層向上的膨脹力時(shí)，建筑物將被抬起；與此同時(shí)，在季節(jié)融化層以下，也就是多年凍土部分，由于建筑物采暖，并通過基礎(chǔ)將熱量不斷的傳給凍土層。這樣就使凍土逐漸融化，形成鍋底形融化盤。冰變成水排走后，土體體積縮小，地基土就要下沉。我們知道，建筑場地上的土質(zhì)，是不均勻的，它的含水、含冰量也不一。因此，無論地基土凍結(jié)膨脹，還是凍土地基融化下沉，自然也是不均勻的。這樣就會(huì)導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生裂縫、傾斜，甚至倒塌。 建筑設(shè)計(jì)師們，為使凍土地區(qū)的各類建筑物免遭破壞，從設(shè)計(jì)開始，就采取一系列措施，消除地基土的不均勻凍脹或融化下沉。但不管采用什么措施，都需大大提高工程造價(jià)。多年建筑實(shí)踐表明，每平米民用居住樓房的建筑費(fèi)用，多年凍土地區(qū)要比非凍土地區(qū)高3～5倍，大型工業(yè)建筑和公路、鐵路的建筑費(fèi)用更是高得驚人。但如果在多年凍土地區(qū)找到更多的融區(qū)，把建筑物修建在融區(qū)上，豈不就解決問題了嗎？這樣，一方面可以大大節(jié)省工程投資，另一方面還可在融區(qū)內(nèi)取到豐富的地下水，減少遠(yuǎn)距離輸水的麻煩，并降低取水費(fèi)用，真可謂“一箭雙雕，一舉數(shù)得”。 可見，融區(qū)養(yǎng)育了凍土地區(qū)的人們，他們與融區(qū)結(jié)下了不解之緣。但是，多年凍土地區(qū)的融區(qū)也不是到處都有。特別是高緯度地區(qū)，年平均氣溫低達(dá)-13～-15℃以下，白雪茫茫，大地封凍，凍土層厚達(dá)百米。蘇聯(lián)的西伯利亞北部、北美洲的阿拉斯加等就是這樣的地方。這里的人們?yōu)榱藘λ?，需要在鉆孔中利用電加熱器融化凍土層，形成人造融區(qū)，然后夏天將地表水引入其中，以備使用。 2.融區(qū)類型及其分布 融區(qū)是多年凍土地區(qū)普遍存在的一種自然現(xiàn)象，是多種自然因素共同作用的產(chǎn)物。不同類型的融區(qū)因產(chǎn)生的原因不同，所以出現(xiàn)的地貌部位及分布規(guī)律也就不完全一樣。 處于不同的目的和需要，劃分融區(qū)類型的原則及方法也各不相同。比如說，按融區(qū)出現(xiàn)的地貌部位，可以分為分水嶺融區(qū)、斜坡融區(qū)、河谷融區(qū)；按融區(qū)與凍土層的相互關(guān)系，可以劃分出貫穿融區(qū)（融區(qū)貫穿凍土層厚度）、不貫穿融區(qū)；從供水角度出發(fā)，可分為有水融區(qū)、無水融區(qū)；考慮隨時(shí)間推移的融區(qū)變化，又可分為穩(wěn)定融區(qū)、準(zhǔn)穩(wěn)定融區(qū)、不穩(wěn)定融區(qū)；對比融區(qū)和凍土層二者形成的時(shí)間，可分為原生融區(qū)和次生融區(qū)，在寒冷期到來時(shí)，凍土廣泛發(fā)育，由于某種特殊的環(huán)境條件，一些地段未能形成凍土，以融土形式保留下來，即是原生融區(qū)。凍土產(chǎn)生之后，由于環(huán)境因素改變（氣候變暖、地下水溢出、地表狀況變化等），使凍土層部分或全部融化，如此產(chǎn)生的融區(qū)，稱次生融區(qū)。了解此類融區(qū)的形成、發(fā)育過程及其穩(wěn)定性。對恢復(fù)古氣候，重建古環(huán)境具有很大意義。 根據(jù)融區(qū)產(chǎn)生的主要原因，以及決定融區(qū)存在的條件，可將融區(qū)分為如下幾種類型：輻射融區(qū)、地表水融區(qū)、構(gòu)造——地?zé)崛趨^(qū)、化學(xué)融區(qū)、人為融區(qū)等。這種融區(qū)分類，表現(xiàn)了融區(qū)存在的根本條件，給人們利用和改造融區(qū)提供了許多方便。下面我們將著力介紹這類融區(qū)。 （1）輻射融區(qū)及輻射——滲透融區(qū) 在相同緯度的地方，達(dá)到地面的太陽輻射大致相同。但是，由于地表狀況，組成物質(zhì)及坡向的不同，它們對太陽輻射的反向率不同。反射率大的表面，吸收太陽輻射熱量就??；相反，反射率小的表面得到的輻射熱都大。表11是通過大量觀測統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)，它充分說明了這個(gè)道理。日久天長，年復(fù)一年，由于吸收的太陽輻射熱不同，當(dāng)某些地段的年平均地溫升高到正溫時(shí)，凍土逐漸融化而形成輻射融區(qū)。當(dāng)某些地段由于地表裸露，砂石遍布，有利于大氣降水的滲入，并具有正溫的大氣降水時(shí)，則促進(jìn)了融區(qū)生成。這種情況下，產(chǎn)生的融區(qū)，不僅有太陽輻射的作用，而且降水入滲也幫了大忙，有人稱此類融區(qū)為輻射——滲透融區(qū)。表11各種物體表面反射率及吸收率物體名稱反向率（%）吸收率（%）深色土壤10～1590～85淺色土壤22～3276～68綠草2674干草1981黑鈣土1486松樹頂1090闊葉樹林1882針葉樹林6～1994～81新雪75～9025～10舊雪30～5050～70 年輻射總量隨著緯度的增高而逐漸減少。在北極圈以北，年總輻射量最小，只有55—60千卡/厘米2·年，北緯40度地區(qū)為130千卡/厘米2·年，北緯30～35度地區(qū)為150千卡/厘米2·年，最大值達(dá)到220千卡/厘米2·年。說到這里你會(huì)理解了，由于太陽輻射的緯度地帶性分布，決定了輻射及輻射——滲透融區(qū)的緯度地帶性分布。也就是說，多年凍土南界、下界附近，這類融區(qū)分布廣泛，愈往北或向高處，則逐漸減少。大小興安嶺凍土南界附近，除凍土島外，80～90%都是輻射及輻射——滲透融區(qū)；往北至我國北疆邊陲——漠河縣附近，此類融區(qū)絕大部分消失，僅在某些向陽山坡上有部分殘留（圖16）。同樣，青藏高原凍土區(qū)南、北界附近，輻射及輻射——滲透融區(qū)也有廣泛分布；相反，在高原腹部僅出現(xiàn)于高溫凍土（年平地溫高于1.0℃）地段。象布曲河谷地、沱沱河高平原上均有此類融區(qū)出現(xiàn)。 （2）地表水融區(qū) 這種融區(qū)是溝槽及湖盆內(nèi)地表水體，對底部的熱作用及下滲、潛流，使凍土層部分或全部融化而產(chǎn)生的。根據(jù)融區(qū)地表水體的不同，凍土科學(xué)工作者分別給它們?nèi)×嗣?，稱河漫融區(qū)、河床融區(qū)、河流三角洲融區(qū)及湖泊融區(qū)，還有一種地表水融區(qū)分布在淺海大陸架，稱陸棚融區(qū)。 地質(zhì)構(gòu)造學(xué)家長期在野外形成一種觀點(diǎn)，即“逢谷有斷”。意思是說，一般谷地和盆地形成的雛形，大多與斷裂構(gòu)造有密切聯(lián)系，在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期，風(fēng)吹雨打，經(jīng)受大自然塑造而形成今日的地貌形態(tài)。一條河流長達(dá)數(shù)百，乃至上千公里，總有某些河段受斷裂構(gòu)造控制，河床落在斷裂帶上，這樣的河段，河水沿?cái)嗔哑扑閹Ц菀紫聺B，因此加快了河床融區(qū)的形成。所以地質(zhì)構(gòu)造對融區(qū)產(chǎn)生起了相當(dāng)大的促進(jìn)作用。 事實(shí)正是這樣，在青藏高原多年凍土區(qū)，長江源頭的布曲河、通天河、沱沱河、楚馬爾河等的河床，都有某些段與斷層線重合，形成斷裂谷。這些河段，河床融區(qū)相當(dāng)發(fā)育，有的融區(qū)擴(kuò)展到河漫灘及階地（圖17）。在這種情況下，一般河水淹沒部分是貫穿融區(qū)，河漫灘和階地下邊是不貫穿融區(qū)。 當(dāng)你有機(jī)會(huì)坐飛機(jī)越過青藏高原，由機(jī)窗向下俯視，大小湖泊羅星棋布，象一顆顆綠色的寶石鑲嵌在高原大地上。這些湖泊的成因各種各樣，有冰川湖、風(fēng)成湖、熱融湖、牛軛湖，也有因斷裂作用而形成的構(gòu)造湖。唐古拉山腳下的巴斯錯(cuò)和沱沱河高平原上的雅西錯(cuò)就是構(gòu)造湖。除雅西錯(cuò)等少數(shù)湖泊經(jīng)過實(shí)地考察，知道下邊是否存在融區(qū)外，其余那么多湖泊下邊是否有融區(qū)還說不清楚。蘇聯(lián)凍土學(xué)家，經(jīng)過多年大量的湖泊調(diào)查，得出這樣一個(gè)規(guī)律，一般情況下，湖泊水面的寬度大于當(dāng)?shù)貎鐾梁穸鹊?倍時(shí)，其下為貫穿融區(qū)；湖泊水面的寬度小于凍土厚度時(shí)，湖下為不貫穿融區(qū)。當(dāng)然，上述只能是湖泊與融區(qū)關(guān)系的一般規(guī)律。世界上的事情都不是絕對的。如果，湖泊形成與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)系，確屬構(gòu)造湖。那么，上述規(guī)律可能就不靈了。一般說來，構(gòu)造湖不論水域多寬，其下大多是貫穿融區(qū)。 從上面的介紹可以知道，河流、湖泊在凍土地區(qū)到處皆是?？墒?，地表水融區(qū)不論在大小興安嶺凍土區(qū)，還是在西部高山、高原凍土區(qū)均有廣泛分布。只是陸棚、河流三角洲地區(qū)，限于地理位置，在我國沒有出現(xiàn)。 既然地表融區(qū)的產(chǎn)生與存在和地表水體的影響有直接聯(lián)系，那么，當(dāng)?shù)乇硭虬l(fā)生變化時(shí)，它下邊的融區(qū)又是如何變化呢？由于地殼運(yùn)動(dòng)、氣候變化及河流侵蝕與堆積作用改變。河流可在某段時(shí)間里以沉積為主，而在另一段時(shí)間里又以侵蝕為主。于是，在河流兩側(cè)造成了象階梯那樣的地形，人們稱它為階地。階地是河流水域過去曾經(jīng)淹沒的古河道（圖18）。自然，當(dāng)年被河水淹沒時(shí)是存在融區(qū)的。大的河流階地可有幾級，由低往高，階地脫離河水浸沒時(shí)間愈久遠(yuǎn)。因此，我們常常觀察到高處階地的當(dāng)年融區(qū)已被凍土所取代；而低級階地上的融區(qū)尚有殘留，它們現(xiàn)時(shí)大多呈不貫穿融區(qū)，或幾乎消失。 當(dāng)河流進(jìn)入平緩的平原上時(shí)，它的發(fā)展圖式又是另一種狀況。由于河流對巖邊不斷沖刷和侵蝕，河道左右擺動(dòng)。隨著時(shí)間推移，逐漸形成了凸岸更凸，凹岸更凹。與此同時(shí)，河道愈來愈彎曲，河曲形狀逐漸由半圓轉(zhuǎn)變?yōu)轾Z頭形（圖19）。河曲發(fā)展到后來。自此以后，河曲的上、下口逐漸淤塞而脫離河水作用，另成一支。這廢棄的河曲就成了牛軛湖（圖20）。 截彎后變得比較順直的河道，又重新開始發(fā)育新的河曲。在地殼運(yùn)動(dòng)相對穩(wěn)定的情況下，河曲的發(fā)展可周而復(fù)始地進(jìn)行。河道在一定寬度內(nèi)，作周期性擺動(dòng)，逐漸形成一條寬闊的古河道帶，其上遺留了許多大大小小的牛軛湖（圖20），牛軛湖自形成之日起，由于脫離了河水作用，加上湖水蒸發(fā)，水域日漸縮小或干枯。與此同時(shí)，隨之湖下融區(qū)逐漸退縮，最終被凍土所侵占?？梢姡恿魅趨^(qū)的發(fā)生，發(fā)展及消亡與河流演變過程有著密切地聯(lián)系。了解一地區(qū)的河流演變歷史，對認(rèn)識河谷融區(qū)的形成和發(fā)育規(guī)律，尋找地下水資源具有重大的實(shí)際意義。 （3）構(gòu)造——地區(qū)融區(qū) 構(gòu)造——地?zé)崛趨^(qū)的生成與構(gòu)造斷裂及巖漿活動(dòng)有著密切的關(guān)系，它是由于地下水，或是地下熱水沿?cái)嗔褞仙蜓睾畬訚摿鲗χ車鷥鐾廉a(chǎn)生熱作用而形成的。 這類融區(qū)主要分布在地殼運(yùn)動(dòng)比較活躍的山地和丘陵地區(qū)。象祁連山、天山、阿爾泰山、大小興安嶺和青藏高原凍土區(qū)，在一些地下水出露處及溫泉附近都有這類融區(qū)存在，并且它們大多是貫穿融區(qū)。融區(qū)分布范圍取決于泉水溫度、流量愈大，泉眼愈分散，則融區(qū)范圍就愈大，國外曾有人作過這樣的觀測，當(dāng)泉的流量為1500米3/晝夜時(shí)，在年平均氣溫為-6.0～-7.0℃的情況下，泉口仍未被凍死，而泉口附近還存在貫穿融區(qū)，說明此類融區(qū)有相當(dāng)大的穩(wěn)定性。 由于斷裂構(gòu)造發(fā)生的地質(zhì)年代不同，所形成的斷裂構(gòu)造就有新、老之分，地質(zhì)構(gòu)造學(xué)家把新生代形成的斷裂，稱為新斷裂構(gòu)造；在此以前的稱老斷裂構(gòu)造。新生代形成的斷裂構(gòu)造帶，活動(dòng)性大，水熱循環(huán)條件好。因此，在新構(gòu)造帶上形成的融區(qū)，其范圍及穩(wěn)定性要比老構(gòu)造帶上的大，同時(shí)它們大多是原生融區(qū)。 這里值得說一下的是，青藏高原是世界上最大、最高、最年輕的高原。由于它隆起的時(shí)代較新，而且至今還在不斷隆起，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)極為活躍，斷裂構(gòu)造非常發(fā)育。除有多條北西西向深大斷裂帶以外，還有許多次一級的近南北、北東向相互交錯(cuò)的斷裂帶，在兩組斷裂的交匯處，可見到溫泉、熱泉、噴汽泉、熱水湖等多種地?zé)岙惓ｏ@示。因此，青藏高原凍土區(qū)構(gòu)造——地?zé)崛趨^(qū)分布相當(dāng)廣泛，僅沿青藏公路，此類融區(qū)竟達(dá)10多處，其中最引人注目的是唐古山北麓的布曲河谷地，主谷與兩側(cè)支谷分別受上述兩組斷裂的控制，南北長達(dá)30多公里。在谷地兩側(cè)隱藏著許多煙霧繚繞、熱汽騰騰的小天地。那呼呼冒汽的地面，燙得人不能久停，那綺麗多姿的層層泉華高懸半坡，泉華錐、泉華柱此起彼伏。當(dāng)你置身于此，會(huì)有奇趣無窮之感。它們就是青藏公路上著名的103、104道班溫泉群，也是面積最大的構(gòu)造——地?zé)崛趨^(qū)帶（表12）。1975～1976年，中國科學(xué)院蘭州冰川凍土所和蘭州大學(xué)地理系，為青藏鐵路勘測設(shè)計(jì)，對該谷地融區(qū)進(jìn)行過詳細(xì)勘測。表12是谷地內(nèi)若干鉆孔不同深度處的地溫值，測得溫泉群中最大單泉流量720米3/晝夜，最高水溫達(dá)70℃以上。資料表明，谷地內(nèi)溫泉出露附近，是大范圍的融區(qū)，而且整個(gè)谷地是青藏公路線上不可多得的地?zé)岙惓?。豐富的地?zé)豳Y源有待開發(fā)利用。表12布曲河谷地不同深度處的地溫值鉆孔地貌部位不同深度的地溫值（℃）地?zé)嵩鰷丶墸?度）10米20米30米40米冰水洪積扇中部7.810.212.05.0二級階地后緣1.01.92.84.213.0一級階地后緣3.23.53.833.0一級階地后緣2.64.24.99.0布曲河高漫灘1.92.93.65.213.0一級階地距河15米1.42.02.322.0冰水洪積扇中部2.15.23.0 如此高溫地?zé)岙惓?，這里的融區(qū)是否永遠(yuǎn)不變呢？回答是否定的。凍土科學(xué)家在調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，在谷地溫泉附近，有兩級泉華平臺。老一級泉華平臺高懸半坡，其上數(shù)十個(gè)古泉眼現(xiàn)已停止涌水，泉口附近晚更新世洪積——冰水扇礫石被泉華膠結(jié)成礫巖。泉華礫巖自扇頂向扇前緣延伸400～500米；在坡腳是新一級泉華平臺，也是現(xiàn)在溫泉出露的地方。對泉華經(jīng)C14測年，新老泉華分別形成于距今10000年及20000年左右。上述事實(shí)說明，谷地自形成以來，在距今10000年及20000年左右時(shí)，水熱活動(dòng)比現(xiàn)在強(qiáng)烈，溫泉出露規(guī)模比現(xiàn)在廣泛。自然，當(dāng)時(shí)谷地內(nèi)的融區(qū)面積也比現(xiàn)今大得多，它是谷地內(nèi)融區(qū)發(fā)展的兩個(gè)興旺時(shí)期。 （4）火山融區(qū) 這類融區(qū)是由于火山噴發(fā)時(shí)，巖漿、熔巖流及熱液，熱汽的影響而形成的。 現(xiàn)正在噴發(fā)的火山，目前在我國尚未發(fā)現(xiàn)，但死火山或現(xiàn)時(shí)休止的火山，在凍土地區(qū)還是存在的。在森林覆蓋的小興安嶺南麓及黑龍江省訥漠爾河北岸，聳立著14座玄武巖火山錐，這就是有名的五大連池火山群，這里正置大小興安嶺多年凍土南界附近。打開我國凍土分布圖，你會(huì)看到東北多年凍土南界呈英文字母“W”型展布。五大連池火山群正處在“W”型向上突出的位置。南界線向北及向南的突出點(diǎn)，二者相差近兩個(gè)緯度。誠然，其中海拔高低、河流等自然因素，對南界如此展布起了重要作用，但五大連池火山群的存在，也是非常重要的因素。雖然火山現(xiàn)已休止，但它表明，在地質(zhì)歷史時(shí)期，這里的地殼運(yùn)動(dòng)一度曾相當(dāng)活躍，并發(fā)生過火山噴發(fā)。目前，地殼深部可能還有大量巖漿余熱，因而造成了這里地?zé)岜尘拜^高值，使凍土南界線在此處向北推進(jìn)兩個(gè)緯度。事實(shí)也正是這樣，據(jù)歷史文獻(xiàn)記載，公元1720年五大連池火山群之一的火燒山還在噴發(fā)。 青藏高原凍土區(qū)，目前已調(diào)查過的地區(qū)還未發(fā)現(xiàn)火山融區(qū)，但從航空照片上觀察，在昆侖山中段南坡有火山錐地貌顯示，這里是否存在火山融區(qū)？有待進(jìn)一步調(diào)查。 （5）人為融區(qū) 此類融區(qū)形成，是由于人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對凍土產(chǎn)生熱影響的結(jié)果。例如，凍土地區(qū)的大型熱電站、水庫、蓄水池等，由于散熱或地表水滲透，使它下邊的凍土消融而形成融區(qū)。這類融區(qū)可以通過計(jì)算，預(yù)測融區(qū)大小及范圍。這樣可以采取相應(yīng)措施，使建筑物安全運(yùn)營。 3.凍土地區(qū)的地下水 大家知道，人類一時(shí)一刻也離不開水，沒有水便沒有人類。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，生活在溫帶的人，每年每人需喝一噸左右的水。在干旱的沙漠里，由于酷熱缺水而使人喪生的事，是盡人皆知的；要生產(chǎn)一個(gè)人一年的食物，大約需600噸水，種植一公斤的糧食或蔬菜，平均需要2噸水；在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)1.0噸合成纖維，需要上百噸水，采1.0噸煤，平均需要5.0噸水，……。這樣算來，人類直接或間接耗用的水量，是何等驚人！那么，凍土地區(qū)的地下水在哪里呢？ 長期居住在凍土地區(qū)的人們，在生活實(shí)踐中對凍土地區(qū)有深刻的了解，他們把凍土區(qū)的地下水分為三種類型，即浮水、腰水、底水。這也就是凍土水文地質(zhì)學(xué)家所說的凍結(jié)層上水、凍結(jié)層間水和凍結(jié)層下水。 （1）凍結(jié)層上水 這種類型的地下水埋藏于季節(jié)融化層里，多年凍土上限是凍結(jié)層上水的融水底板。由于季節(jié)融化層存在時(shí)間和厚度自南而北的變化著，因此凍結(jié)層上水的存在時(shí)間和含水層厚度也隨之變化，在凍土南界附近凍結(jié)層上水出現(xiàn)的時(shí)間一般可長達(dá)6～8個(gè)月，含水層厚度2.5～3.5米，有時(shí)更厚些，達(dá)到4～5米；往北，含水層存在只有4～5個(gè)月，含水層厚度達(dá)1.5～2.0米。 凍結(jié)層上水主要由大氣降水和地表水補(bǔ)給，有時(shí)也通過融區(qū)得到上升的凍結(jié)層下水的補(bǔ)給。在山區(qū)碎石、礫石層孔隙中，還存在水蒸汽的凝結(jié)補(bǔ)給。有人計(jì)算過，凝結(jié)補(bǔ)給占總補(bǔ)給的15～20%。夏季雨期是凍結(jié)層上水含水層的豐水期；冬季后期一直到春天解凍以前，由于固態(tài)降水，補(bǔ)給減少，另外加上季節(jié)融化層封凍，使凍結(jié)層上水難以維持利用，此時(shí)稱水的危機(jī)期。如果你經(jīng)常去水井提水時(shí)，會(huì)觀察到與上述水量變化過程相聯(lián)系的一種現(xiàn)象，即夏天井水位常常升高，深秋稍有下降，冬天當(dāng)季節(jié)融化開始回凍時(shí)，井水位又有回升，而且季節(jié)融化層凍結(jié)愈厚，水位愈高。然而，冬夏兩季井水位升高的原因是不同的。夏天，井的高水位，表明凍結(jié)層上水接受降水補(bǔ)給而水量逐漸增大；冬天卻相反，季節(jié)融化層逐漸凍結(jié)，含水層愈來愈薄，將其中的地下水排擠到井筒內(nèi)，造成水位升高，其實(shí)，冬天井里的水位升高是一種假像，它標(biāo)志著水的危機(jī)期已經(jīng)來到。 依據(jù)不同地貌部位，凍結(jié)層上水的含水層富水性、存在時(shí)間及其動(dòng)態(tài)都有不同，從分水嶺至谷底可劃分為三個(gè)帶。 分水嶺至斜坡上方帶：這一帶的凍結(jié)上水主要受大氣降水補(bǔ)給，分布區(qū)與補(bǔ)給區(qū)一致。含水層僅在雨期或雨后一段時(shí)間存在，其它時(shí)間含水層無水。雨期地下水可形成潛流，沿坡而下補(bǔ)給下方斜坡凍結(jié)層上水。這一帶的凍結(jié)層上水與大氣降水的化學(xué)成分非常接近。 斜坡帶：此地帶的凍結(jié)層上水受大氣降水及上帶地下水流補(bǔ)給，兩者補(bǔ)給量大體相當(dāng)。在由粗碎屑松散巖石組成含水層的情況下，還存在凝結(jié)補(bǔ)給。此地帶的地下水存在時(shí)間比上帶長，但地下水也是周期性消失的。 坡麓帶：這一帶位于斜坡最下部，由季節(jié)融化層開始融化到完全凍結(jié)，含水層一直存在，是凍結(jié)層上水含水量最大，存在時(shí)間最長的一帶。含水層主要接受上方坡地下水流補(bǔ)給，補(bǔ)給量大大超過這一帶大氣降水的滲透補(bǔ)給。初冬，當(dāng)季節(jié)融化層回凍以后，這一帶地下水產(chǎn)生微承壓，隨凍土層增厚，地下水承壓水頭增大。當(dāng)水頭增大到一定程度時(shí)，凍土層便產(chǎn)生丘狀隆起，形成季節(jié)性凍脹丘。有時(shí)，地下水沿丘上裂縫溢出形成冰椎。 讀到這里，你自然會(huì)知道，若想打井取水，井位當(dāng)然應(yīng)該選在坡腳地帶或坡腳以下的平緩地段。這里是解決小型民用供水最有希望的地點(diǎn)。 任何事物都具有兩重性。凍結(jié)層上水雖對解決凍土地區(qū)民用水有很大意義，但是，凍結(jié)層上水也常給各類工程建筑帶來許多麻煩，它是凍土地區(qū)造成建筑物凍害的主要原因。初冬時(shí)節(jié)，當(dāng)你進(jìn)在凍土地區(qū)的道路上時(shí)，可以不時(shí)看到由于路塹邊坡切斷凍結(jié)層上水流路，地下水沿塹坡外溢，邊溢邊凍，造成塹坡掛冰。冰坡日漸發(fā)展，最后覆蓋路面，形成冰道，給安全行車造成極大威脅。春天來臨，路面冰層融化，融水滲入路基，在重車輾壓之下，又形成道路翻漿。 大興安嶺的千里鐵路線上，路塹掛冰和冰覆軌道的現(xiàn)象，也時(shí)有出現(xiàn)。廣大鐵路員工為保證安全行車，對凍害嚴(yán)重路段，專人日夜監(jiān)護(hù)，冰層出現(xiàn)，隨即消除。可見，治理好凍結(jié)層上水，消除凍害，是凍土地區(qū)人們非常關(guān)注的大事，也是擺在凍土科學(xué)工作者面前的急待研究解決的問題。 （2）凍結(jié)層間水 這種類型的地下水主要存在于各種成因的貫穿及不貫穿融區(qū)。因此，一般情況下，凍結(jié)層間水的分布、補(bǔ)給、徑流、排泄等條件，取決于存放這類地下水的融區(qū)特征。 發(fā)育在湖盆、河流階地、漫灘下邊的不貫穿融區(qū)，其凍結(jié)層間水的含水層與凍結(jié)層上水、地表水有著直接的水力聯(lián)系，并受到它們的補(bǔ)給，同時(shí)又通過凍結(jié)層上水的含水層得到排泄。這種情況下，融區(qū)中凍結(jié)層間水的化學(xué)成分和動(dòng)態(tài)也受地表水及凍結(jié)層上水的制約。雨期地下水位升高，當(dāng)達(dá)到最大融化深度時(shí)，有一段時(shí)間凍結(jié)層間水與凍結(jié)層上水彼此連通，成為統(tǒng)一的含水層。冬天，隨季節(jié)凍結(jié)深度的發(fā)展，凍結(jié)層間水微具承壓性。 當(dāng)不貫穿融區(qū)的水域退縮時(shí)，融區(qū)隨之發(fā)生回凍，并變成封閉融區(qū)（圖21）。這時(shí)，融區(qū)中的含水層呈透鏡狀，推動(dòng)了與地表水、凍結(jié)層上水、凍結(jié)層下水之間的水力聯(lián)系。在封閉狀態(tài)下，凍結(jié)層透鏡體受冷生變質(zhì)作用，以及生物化學(xué)和離子吸附作用的影響而引起離子重分布，使水的礦化度增高，水質(zhì)惡化。同時(shí)，受四周凍土層的影響，層間水透鏡體的水溫逐漸下降，一般接近零度；有時(shí)由于水中鹽分濃度，水溫低于零度而不凍結(jié)，呈過冷水。從航空像片上看，青藏高原有許多現(xiàn)已干縮的湖盆，其中一些湖盆下邊可能存在這種層間水透鏡體。這種封閉式層間水透鏡體，一旦被鉆孔揭露，就要顯示出較大的承壓水頭。由于這種透鏡體缺少補(bǔ)給來源，屬無源之水，過不長時(shí)間，水頭最終還是低于地面以下。 貫穿融區(qū)水是凍結(jié)層間水存在的一種形式。貫穿融區(qū)是地表水、凍結(jié)層上水與凍結(jié)層下水的聯(lián)系通道。山區(qū)河谷貫穿融區(qū)凍結(jié)層間水水位，一年內(nèi)變化幅度較大；而平原地區(qū)河谷及湖下貫穿融區(qū)層間水的動(dòng)態(tài)比較穩(wěn)定。這類凍結(jié)層間水，由于與地表水、凍結(jié)層上水、凍結(jié)層下水水力交換條件好，因此礦化度較低，適于民用及工業(yè)供水。貫穿融區(qū)凍結(jié)層間水已得到了廣泛的開發(fā)利用，是凍土地區(qū)較為理想的供水水源。 當(dāng)?shù)叵鹿こ淘谌趨^(qū)下部穿過時(shí)，因工程影響而融區(qū)擴(kuò)大，有時(shí)融區(qū)水進(jìn)入地下坑道、造成坑道淹沒。西藏土門格拉煤礦就發(fā)生過這類事件。 1965年8月14日，煤礦豎井南側(cè)井壁距地表面15米深處，一股碗口大小的流水突然涌入井下坑道。數(shù)小時(shí)后，巷道蓄水倉儲滿，流水溢向巷道，漫過軌道。后經(jīng)大泵量強(qiáng)制排水，巷道才免遭淹沒。事情發(fā)生后經(jīng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，堅(jiān)井打在露天采坑坑底（采坑深15～16米）上，并從坑底用圓木密棚支擴(kuò)至地表面。井筒支擴(kuò)外側(cè)用碎石及土塊回填，而未加夯實(shí)。由于井口地面人為活動(dòng)及機(jī)械影響，井筒外側(cè)四周回填層未能凍結(jié)，以井筒為中心形成漏斗狀融區(qū)，并與外圍季節(jié)融化層相連通（圖22），當(dāng)雨期來臨時(shí)，季節(jié)融化層中的凍結(jié)層上水匯集井筒四周融區(qū)，從而導(dǎo)致井筒突然出水。后來，通過對井筒涌水進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測發(fā)現(xiàn)，降雨之后的第三天，井筒涌水量出現(xiàn)峰值；降雪時(shí)，則是雪后四五天出現(xiàn)峰值。初冬來臨，氣溫下降活動(dòng)層開始回凍，凍結(jié)層上水由液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，井下涌水量也隨之減少，最后呈滴水狀態(tài)。上述結(jié)果說明，井筒涌水動(dòng)態(tài)與季節(jié)融化層中水有密切聯(lián)系，井筒涌水受降水及凍結(jié)層上水補(bǔ)給。找到了井筒涌水的原因。第二年春天在堅(jiān)井上方坡修了半圓形擋水堤及排水溝，截?cái)嗔说乇硭皟鼋Y(jié)層上水流匯入井筒四周的融區(qū)，至此以后，井筒涌水再未發(fā)生。 （3）凍結(jié)層下水 顧名思意，凍結(jié)層下水埋藏于凍土層以下，它包括凍土層以下所有的地下水。由于含水層年處深度不同，有的地下水與凍土層下界面接觸，凍土層是地下水的融水頂板；有的含水層埋藏很深，地下水面與凍土層下界面不接觸。前一情況下，地下水具有一定的承壓性；后一種情況下，地下水具有自由水面。 按含水層的含水性質(zhì)，凍結(jié)層下水又分為孔隙水、層狀水、裂隙水及脈狀裂隙水等。 凍結(jié)層下孔隙水，一般在凍土南界附近的較大河谷沖積層里都有分布。這類地下水通過融區(qū)或融化帶，與凍結(jié)層上水、凍結(jié)層間水有水力聯(lián)系，它們共同接受大氣降水及河水的補(bǔ)給。因此，它們的動(dòng)態(tài)與大氣降水及河水動(dòng)態(tài)有密切聯(lián)系，通常雨季水量豐富，水位升高；冬天由于降水及河水補(bǔ)給減少，地下水位隨之下降。與凍結(jié)層上水相比，這類凍結(jié)層下水不易受到污染，水質(zhì)及礦化度均能達(dá)到供水要求。同時(shí)因含水層埋藏較淺，易于開采。因此，在大興安嶺凍土地區(qū)此類凍結(jié)下水已廣泛開采利用。 凍結(jié)層下層狀水，埋藏于不同的地質(zhì)時(shí)代及各種成因的沉積巖層里。在青藏高原、西部山地、大興安嶺凍土地區(qū)均有分布。在剖面上含水層與融水層互層是這類含水構(gòu)造的特點(diǎn)，這樣造成貫穿融區(qū)不能成為凍結(jié)層上水、凍結(jié)層間水、凍結(jié)層下水彼此轉(zhuǎn)化的通道。因此，對層狀凍結(jié)層下水的補(bǔ)給是很不利的。有時(shí)，使層狀凍結(jié)層下水處于封閉及半封閉狀態(tài)，由此導(dǎo)致水質(zhì)惡化和礦化度增大。青藏高原凍土區(qū)，在廣大高平原凍土層之下多是第三紀(jì)砂巖、泥巖、泥灰?guī)r地層，而且多呈互層狀態(tài)存在。泥巖是相對融水的，使層狀凍結(jié)層下水得到補(bǔ)給比較困難，加上含水層含鹽量較大，水力交換條件差，因而這里的層狀凍結(jié)層下的礦化度較高，一般為5～15克/升。層狀凍結(jié)層下水一般具有承壓性，但承壓水頭不高。 凍結(jié)層下裂隙水，存在于各類巖層的裂隙里，它的補(bǔ)給、徑流、排泄及存儲條件，取決于