寒区冻结岩层与地下水关系研究

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫著;戴长雷,于成刚译

(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；

4.黑龙江省大兴安岭水文局，黑龙江 加格达奇 165000)



寒区冻结岩层与地下水关系研究

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫1著;戴长雷2,3,于成刚4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；

4.黑龙江省大兴安岭水文局，黑龙江 加格达奇 165000)

摘要：基于自然水圈系统及水相转换间关系，对重力地下水与冻结岩层相互关系展开研究，分析了水文地质学、冻土学视角下的水循环特征。指出：①地下水的冻结大大改变了岩层的渗透性；②当含水岩层冻结及融化时，岩层中水的容量会有所改变，会极大地影响水文地质环境，促进特殊的低温物理地质过程和现象的发展；③岩层冻结和融化程度受水文地质条件制约的原因在于，冻融条件下地下水聚集态变化过程中的热量释放和耗损；④含水岩层的冻结和融化过程会对水化学环境产生实质性的影响，促进地下水特殊化学成分的形成，引起地下水水化学垂直分带的改变；⑤含水层的多重冻结和融化会改变含水岩层的物理属性，提高岩层的裂隙度和孔隙率，导致在解冻和冻结岩层的接触面形成了非常强的水淹带；⑥非冻结重力地下水是寒区含水层对流热流形成的原因。

关键词：自然水圈系统；水相转换；重力地下水；冻结岩层；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)汉译稿的基础上节选修订而成的。

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。本文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关于寒区冻结岩层和地下水相互关系的论述，值得一提的是，本文众多的参考文献可为中国同行提供一个重要的了解俄罗斯寒区地下水研究进展的窗口。

1基于水文地质学的水循环研究

水是地质环境的基本组成部分，В.И.维尔纳茨克认为：“在整个地质时期，水一直起着独一无二的作用,它是首要的地质因素[1]。”之所以这样认为，既是因为水在岩石圈中含量大，富有多变性，也是因为水参与的机械物理变化和化学反应，以及相位间转换带来的损耗和大量热能的释放比较活跃。正因为这种情况，我们不能简单地把水作为地质环境中普通的一部分，而应将其视为地质过程(沉积成因、岩石成因、变质作用等)的主要能量来源。考虑到地球水循环，可以肯定的是，水为无机与有机物质的合成、转化过程提供取之不尽的能量。

要理解水在地球地质环境中的重要作用和特殊意义，首先要以整个地质圈中水的状态和不同形式的起源及辩证关系为依据。在这一方面，首先要指出的是著名的自然水圈原则，这一原则涉及古希腊、古罗马科学，它在大自然的认识、改造、保护方面，是指导行动的原则，是基本理论、基本方法的原则，体现了世界整体观。但是，到如今，许多地球科学学科对这一原则持有形式主义的态度。片面和孤立地研究整个水循环中的部分循环，割裂了各学科中不同形式的自然水(水文学、水文地质学、冻土学、水文化学、水文地热学、水文气象学、冰川学、湖沼学、海洋学等)在聚合、表层状态、积累形式等方面的联系。

许多研究学者表示，对大自然水的研究不可以孤立和片面地去对待。从对这一问题研究的广度和深度来看，无论在国内还是国外，至今无人能超越В.И.维尔纳茨克的著作《自然水发展史》一书的研究思想。这本书的整体思想对自然科学的研究具有革命性的意义，它不止一次的强调自然水圈的重要性。他在书中写到，“在自然水圈中，无论什么地方发生怎样的变化，都会不可避免的全部反映出来，即使是以不明显的形式。水的化学和数量变化会在地壳留下特殊的痕迹。无论是水的各种表现形式(冰山、大洋、河流、土壤溶液、间歇喷泉、矿物泉等)之间，还是与地球岩石圈、活质之间，都存在整体上的直接的或间接的联系。

在其他研究者的著作中，关于自然水圈也有类似的看法。在地球科学的研究中，脱离自然水统一原则，对其不加考虑，未必缘于对其基本理论和方法论的不理解，这很可能与20世纪至21世纪初自然科学发展的总体趋势有关。当时，在许多自然科学中，人类不再只专注于对基本理论的研究，而是把实践放在首位，迫切需要实用的科学研究，这自然导致了科学探索带有狭义专业化倾向。但是，对成果不进行基本理论总结，这种片面性迟早会对科学研究、人类本身乃至自然环境产生负面影响。在科学研究中，只有将深度和广度辩证结合，运用好分析和综合的辩证方法，才能在认识地球自然环境、合理开发和环境保护方面找到最正确的道路。

20世纪后半叶，由于在自然水研究方面出现了太过专业化的倾向，进而割裂了与其他学科间的联系，这对自然水的研究产生了负面影响。维尔纳茨克的学生，著名的水文地质学家Б.Л.利奇科夫，在20世纪50—60年代初，在自己的著作中批判了水文地质学的现状，他指出，造成水文地质学发展迟缓的原因主要是：①割裂了和其他学科的联系；②水文地质学向狭义专业化的方向发展。他提出必须要重新审视水文地质学的基本概念、基本内容和用途，指出了在研究自然水时，应该紧密联系其他学科。他强调：“水文地质学的首要任务是让人们认识并承认整个地球的水系统是一体的，而陆地地质学的研究重点是获得底土的湿度值。因此，新的水文地质学应当建立在以下3个基础之上：自然水圈的整体性、水循环的统一性、陆地底土的湿度。

如今，研究自然水的其他学科也存在孤立状态和狭义专业化倾向，主要原因在于对自然水圈原则估计不足。这会对自然的保护和利用产生消极的影响。人类的实践活动是一面镜子，既反映科学活动的成果和成绩，也反映科学造成的缺陷和错误。譬如，河流和湖泊排泄污水、大气污染和海洋水污染、地下水的过度开采、在平原建设的水库、用以调节水流的工程项目，上述所有活动都是在技术统治世界观的支配下进行的，而这种世界观的形成，正是狭义的科学研究带给我们的。

对自然水圈原则的考虑不周，还可能是因为其暂时只是一个口头宣言。时至今日，该原则的本质仍未被揭开，地球水循环机制的复杂性最终未被理解，这也证明了利奇科夫以及其他研究者所说。因此，为了使它能够被真正地理解，必须要找出新论据、新观点，来论证自然水圈原则的基础，及其对地球自然环境、自身研究和合理开发的特殊作用。

研究水体相位间的变化(水从一种聚集状态向另一种转变)特性，对于揭示自然水圈原则，理解地球水循环具有重要的意义。总体上，物质相位间的转变是自然界中最重要的过程。这一过程的目的是为了维持各热力体系之间的平衡状态。物质相位间转变形式，例如，岩石圈的地壳运动，同时这也是地球内部能量最有力的表现形式。从规模和数量来看，地球上一些水相位间变化过程规模是宏大的。实际上，地球水循环是全球规模最大的相位间变化之一。与水的相位间变化相关的有：地球水圈的出现，岩石圈水平衡的动态变化，季节性冻结层和多年性冻结层的形成，在河流和水体表面覆盖的雪以及形成的冰盖，同时也包括陆地和水域的水平衡性。

许多的研究者指出，研究和利用自然界水相位间转变形式具有重要的意义[2-3]。В.А.普里科隆斯基在1958年依据地下水形成的条件特点，把水相位间的这种变化，比如蒸发和冻结，认为是岩石圈中水运动的基本形式。对自然水运动的基本形式研究之后，А.Е.霍季科夫和Г.Ю.沃卢克尼斯在其专著中，从广义的角度去理解水聚集状态间的相互转化。Б.Л.索科洛夫在1996年则指出了运用水物理知识研究全球水循环特点的必要性。

尽管在水交换的各个过程中的相变非常重要，但是水运动形式的研究目前尚不能令人满意。并且，地球科学界对个别水聚集态的名称还没有统一。在物理和化学动力学中，把水或其他任何物质绕过液态，直接从固体转为气态的过程，称为升华；而逆过程称为凝华。但是在气象学和冰川学中，把水从气态向固态的转变，称为升华。也就是说，同一名称表示两个完全相反的过程。在某些学科中，尤其是水文地质学，一些研究者使用术语“升华”的第一个含义，另一些使用第二个含义，这引起了严重的混乱。所有这些表明，必须制定统一的水相位转换示意图。图1就是总结类型的示意图，它指出了水相位交换的方向和动力平均值。

研究水相位间转换十分复杂，这主要是因为：宏观上来看，3种水分子的基本聚集态(冰、水、蒸汽)是不均衡的。例如，任何数量的冰中都含有一定量的液态水或水汽(水蒸气)。同样也可以说，一定量的液态水也含有一定量的气体。正如В.И.维尔纳茨基的学生，著名的水文地学者斯拉维亚诺夫所指出的：所有液态自然水都包含气态溶液，并且水的气体容量和成分都是固定的。他强调，自然水首先是均衡的。应当指出，溶解在水中的气体量受水温影响，因此在不等温的环境下，会发生气体交换。气体交换的强度和方向受水温变化大小的影响。当水温降低时，溶解在水中的

气体量会增加，也就是说，水是各种气体的吸收剂；当水温升高时，溶解在水中的气体量会减少，导致水中的气体本能地从水中析出。

2基于冻土学的水循环研究

水分子宏观聚集态相位间基本成分不均衡的原因在于，自然界中没有绝对固体状态的水，也没有百分百液体的水。在任何宏观状态下，水首先是分散介质，在水中不仅包含以离子形式和其他形式的化学物质，而且还有分散的以胶状颗粒，悬浮液或溶胶体等形式存在的各种微观物质。一般情况下，在水分子中，这些微粒的表面张力大于氢键的力度。众所周知，正是由于这些联系使水成为特有的、独一无二的分子化合物，并确定了水分子间的连带程度，或者说其他的分子聚集态。因此，微粒表层单位能量的增加，促进了表层独特的微观相位形成。该相位和分子宏观聚集态不同。这些微粒存在于结晶、冷凝和蒸汽的过程中。也就是说，它们是一定量的水由一种宏观分子聚集态转换成另一种宏观分子聚集态的相位催化剂。

图1　温度影响下的水相转换1—当水转换至较高水平的相位状态时，从外部环境(气候雨/漂浮物)吸收能量(吸热相位变化)；2—当水转换至较低水平的相位状态时，向外部环境(气候雨/漂浮物)释放能量(放热相位变化)

因此，作为水相位间连续性介质，体积水水分子聚集态反应的仅仅只是宏观的相位间均匀性。从微观角度来看，这些体积水水分子聚集态是相位间不均匀的。一定宏观体积的水中含有相位间微粒的量取决于水的分子聚集态和温度。在温度变化时，会发生相位间的水交换，例如，水的分散介质和弥散相之间。因此可以得出，相位间相互作用是水循环进行的前提条件，这不仅体现在宏观状态下，而且会首先体现在微观层面上。由此可以看出，自然水圈原则的普遍性和他的包罗万象性。

考虑到相位转换和相位间相互作用对各种水交换周期形成的影响，作者重新审视了现有的自然水总循环示意图[4-11]。这样，在气候周期中除了大气水交换周期外，建议将基本的水交换周期划分为：水冻结生成、岩层中气体生成、冰蚀生成、冻结岩层生成周期(表1)。

水冻结生成周期为每年在河流和水体的表层形成的冰、冰丘、积雪，以及寒区活动层形成的地下冰，这些冰和积雪从冷季形成到暖季时融化的周期。

表1　自然水的变化周期及水交换的平均强度

岩层中气体生成周期与包气带岩层中水的蒸发、冷凝、升华和凝华作用相关联。包气带是独特的地下大气圈，在包气带中有足够强的水分转移，这使大气圈和岩石圈保持了相互联系。冰蚀生成和冻结岩层生成周期不是受气候的季节性影响，而是受气候的常年性影响。例如，在冷季，冰川区和寒区的固相水增加；与此相反，在暖季，由于寒区冰川和地下冰融化，液相水增加。因此，冰蚀生成周期和冻结岩层生成周期对液相自然水年平衡性有影响，从而降低或提高了世界大洋的储量、资源量和水位。

自然水圈原则及其循环周期对冻土学研究具有重要意义。因为该学科的主要任务之一就是：研究寒区水-冰-蒸气相位转换的各种形式。例如，根据这一原则，把包含在多年非冻结层中的地下冰，看作是地球水循环冻结阶段的基本组成部分是合理的。这一阶段的持续时间由岩层在冷冻条件下存在的时间，即与寒区固定区域，冰-水相位转换的持续时间相一致。

受自然分子动力的影响，水相位的交换以多年低温微过程的发展为基础。因此，在20世纪40年代崔托维奇提出了岩层中不冻结溶液的分布均匀原则，并随后通过实验予以确认[12-13]。这一原则的物理基础是：在冻结岩层气温变化不明显时，薄膜水和固相水之间会发生相位交换。在等温的条件下，区分薄膜液体、缝隙、冰的相位界限没有移动，也就是说，这一相位位于平衡的状态。

尽管自然水圈原则的意义是显而易见的，然而它在冻土学研究中还没有受到足够的重视。因此，同其他地球学科一样，人们至今仍然是形式化地认识该原则。这无疑对现代冻土学各学科发展，以及实践应用产生了消极影响，对冻土学的普遍理论、方法论、概念的形成尤其不利。

3冻结岩层和地下水相互作用

根据上文所陈述的自然水圈原则的概念，以及相位间水体运动的形式，可以看出，关于冻结岩层和地下水相互作用的特点这一问题，实质上就是寒区水的相位交换问题。

因此，在岩层季节性和多年性的冻结融化条件下，不仅会发生从液态到固态，从固态到液态的转变，也会发生从气态到固态(凝华过程)，从固态到气态(升华过程)，从液态到气态(蒸发过程)，从气态到液态(冷凝过程)的转变。

因此，岩层的冷冻和融化过程被视为是综合性的相位间转换过程，在一年期或多年期的气温正负变化下，这一综合性的相位间转换过程使岩层和地下水相互作用具有一定程度的复杂性。

然而，在水文地质学和冻土学中，有关地下水和冻结岩层的相互作用问题的研究有几点不同，这通常与国内外文献对“地下水”术语的阐释不同有关。根据现有的概念，只有在岩层空隙流动的自由“液态”水才是地下水[14]。而在岩层中以气态和固体形式存在的水，不能称之为地下水。因此，当重力水以固态形式(地下冰)进行相位交换时，它不属于地下水，而被认为是岩层的组成部分，冻结岩层这一名称强调了这点。

类似的阐释地下水概念的方法，以及对它与冻结岩层间相互作用问题的研究，不仅没有考虑到自然水圈原则；而且，在某种程度上，与土壤学、土质学、工程地质和其他学科对岩层中水的分类相互矛盾，也与把地下水圈作为统一的研究对象相悖[15-21]。

当今，在冻土学和水文地质学界对冻结岩层和地下水相互作用的特点进行研究是有根据的，这些根据就是之前所取得的重要成果，这些成果很大一部分来源于已出版的研究多年冻结层分布区域水文地质特点的图书文献资料中。在这些文献资料中，有一类专门阐述了关于冻结岩层和重力地下水相互作用的具体问题[22-54]。

4结论与讨论

对现有的关于重力地下水和冻结岩层相互作用的研究成果，总结分析如下：

(1)地下水的冻结大大改变了岩层的渗透性，因为含水层冻结后形成的地下冰填满了岩层孔隙和裂缝中。从水文地质学的角度来看，这导致隔水层在完全冻结前会变成一种新的状态，即变成含水层。这种低温隔水层引起水文地质断面的分隔，使水文地质结构的水容量减少，造成补给条件的复杂化，破坏了地下水与地表水的联系等，使多年冻结岩层区域的水文地质环境发生改变，逐渐复杂化。

(2)当含水岩层冻结及融化时，岩层中水的容量会有所改变，这极大地影响水文地质环境，促进了特殊的低温物理地质过程和现象的发展。

地下水的冻结使水容量增加。因此，在冰的形成过程中，重力地下水会从岩层的冻结区域缩至不冻结区域。在结晶压缩或活塞效应的作用下，或在无压含水层中形成低温压力，或在冻结发生前出现有静水压增大，这本质上改变了地下水补给、运输和排泄条件(图2)。当距地表不深的含水层发生冻结时，受结晶压缩效应的影响，融化的晶状体和盘状物表面会形成类似低温现象和形式的生成物——季节性多年的冰胀丘、冰、裂缝等。

当冻结的含水岩层部分融化时，正好相反，它们的水量会减少，这会导致低温水压的降低或消失。有时把这种效果称为结晶真空，尤其是在寒区一些自流结构的区域会出现反常的冻结层下水位低于承压水位值。一般情况下，在冻结层下含水层中低温承压减弱时，由于水压差作用，地下水的垂直入渗会增强。其结果是在较深含水层出现高压地下水流。水文地质动力环境受水从固态到液态的相位交换的扰乱，需要较快的平稳下来。但是，在岩石圈水压的影响下，地下水含水层与较深的高压地下水分离时，会出现低温承压的反常，不会很快的平稳下来，这时静水压的均衡基本上依靠的是弱强度的水平渗透，而不是垂直入渗。正是在这样的地区如今还能观察到异常的地下水低承压水位。

(3)在融化和冻结条件下，地下水聚集态的变化伴随着相应热量的释放和耗损。这便是岩层冻结和融化程度受水文地质条件制约的原因。

当地下淡水冻结时，冰成物会释放潜在热量(约0.334×106J/kg)。由此可以得出，岩层吸水性越强，水饱和度越大，地下水发生冻结的速度将越慢。这种情况决定了冻土条件受水文地质因素制约。因此，在寒冷的多年期来临时，岩层的隔水层和弱饱和岩层将被冻结至深层，和含水岩层相比，具有更高的吸水性。而当含淡盐、含盐地下水的含水层或整体冻结时，由于温度降低，地下水开始冻结，当它们冷却到0 ℃以下时，一般无法产生冰成物。因此，在这种情况下，吸收热源的平衡被排除，导致岩层冷却深度增加，形成负温地下水。

与之相反，冻结岩层的融化，伴随着热量的消耗。因此，季节性多年冻结的含水层融化的程度取决于岩层的吸水特性，首先受岩层的冰饱和率制约。

图2　自流型地下含水系统的流动特征1—岩层的隔水层；2—含水岩层；3—多年冻结岩层及其分布界限；4—在水力梯度影响下地下水流动方向；5—在冻结水文动态水体填积构造中，地下水流动方向；6—地下水水位；7—泉水；8—自喷井；Ⅰ—地下水补给；Ⅱ—静压力水头的构成；Ⅲ—地下水的排泄；H—静水压大小；m—含水层厚度

(4)含水岩层的冻结和融化过程对水化学环境产生了实质性的影响，促进了地下水特殊化学成分的形成，引起了地下水水化学垂直分带的改变。

当含水层冻结时，会重新为形成的冰、液相地下水和含水岩层(低温变质化学成分)分配盐分地下水。根据研究学者Н.П.阿尼西莫夫娃，Б.Е.瓦利斯基，М.А.萨季科夫和Д.К.巴特鲁诺夫，В.П.沃尔克娃,Г.Д.金斯堡,和Я.В.聂伊斯维斯特诺夫,А,В.伊万诺夫和Н.А.弗拉索夫,Р.С.科诺诺娃,В.Г.亚西戈,Е.В.皮涅克尔,和Б.И.皮萨尔斯基,В.Е.阿法纳西果和В.А.博伊科沃,С.В.阿列克谢耶夫等的研究成果，地下水化学成分低温变化的程度和特点，不但取决于冻结速度、含水岩层厚度和水交换强度，还受水的原始化学成分和无机盐饱和度等因素影响。总之，地下水冻结导致冰成区中可溶盐和微量成分向含水层不冻结地带流动活跃。由于地下水固相的无机盐饱和度降低，其中只剩下难溶盐及结晶水合物形式的化合物。冰成物促使负温地下水形成，这改变了饱和岩层冻结的特点和程度，破坏了原始的水化学区域，使地下水液相的无机盐饱和度得到极大地提高。

当冻结的饱和岩层融化时，部分盐从冰转化成液相。这可能导致在某些条件下地下水发生低温淡化，形成超淡水区域或地带。

(5)含水层的多重冻结和融化改变了含水岩层的物理属性，提高了岩层的裂隙度和孔隙率，导致在解冻和冻结岩层的接触面形成了非常强的水淹带。

在饱和水间歇式结晶的影响下，岩层的物理成分发生变化(根据И.Я.巴拉诺夫观点——发生低温变质作用，或根据Ю.В.舒米洛夫观点——发生低温分解)，尤其是冰岩带断面的表层，在那里地下水进行着季节性转换：液相转换为固相，固相又转换为液相。这极大地提高了岩层的渗透性，使得各种冻土层上水的分布更加广泛。

根据Н.В.古布金、А.И.卡拉宾、O.Н.托尔斯基辛、С.Е.苏霍多利斯基、С.Н.布尔多维奇等的研究数据，在冰岩带断面的中部和底部，也出现了岩层的低温分解，致使其产生了再生裂隙区(低温解体)。在这种情况下，多年冻结岩层的厚度以及透水融区面积的变化，不仅与多年的温度变幅有关，还与入渗型融区地下水的热量对流迁移特征有关。在解冻层和冻结层的接触面形成了非常强的岩层低温解体水淹带，这是水文地质状况的反映。增加了含水层的水交换强度，密切了地下水和地表水的联系。

(6)重力地下水水温在0℃以上，比热高，具有流动性，这是对流热流形成的原因。在一定的水文地质条件下，对流热流对冻土条件和岩层温度场作用明显。国内许多研究学者对这个问题十分关注。应当指出的是，就这一问题，现有的理论成果大体上涉及地下水入渗的层状结构。因此，依据岩层的热量状况，把对流热交换分成两种类型：第一种类型是融区地下水渗透时的热交换，融区一般位于不透水冻结岩层下或者被不透水冻结岩层包围；第二种类型是在负温含盐地下水和盐溶液渗透时的热交换。

迄今为止，第一种类型是最全面的研究对流热量的，特别是对流的热流横向弥散效应。一般情况下，弥散发生时，会造成岩层孔隙、裂隙中的速度矢量和导电性的热流方向不重合。

上述的普遍规律反映了地下水和冻结岩层相互作用的主要特点，证明了水文地质条件和冻土条件之间紧密的成因关系。有关该问题的后续研究，不仅应当关注水-冰间相位转换对冻结层水文地质条件的影响，还应注意季节性多年冻结层和融化层中水的其他相位转换的作用。

致谢

本文的翻译整理工作主要由黑龙江大学寒区地下水研究所的戴长雷、黑龙江省大兴安岭水文局的于成刚完成，黑龙江大学中俄联合研究生院的学生苗兴亚、以及黑龙江大学寒区地下水研究所的学生刘月、王思聪、尉意茹在文稿修订过程中付出了心力，谨致谢意。

本译稿的出版得到了中科院寒旱所冻土工程国家重点实验室开放基金项目“冻结土壤孔隙特征对冻土层渗透系数的影响研究(NO.SKLFSE201310)”、国家自然科学基金青年基金项目“寒区地下冻土层水理性质及其对融雪水入渗的影响机理研究(NO.1202171)”和黑龙江省水文局项目“寒区春季产流时冻土背景下融雪水入渗机理试验与分析((NO.2014230101000411)”的支持，特此致谢。

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Researchin the relationship between freezing rock layers and groundwater in cold regions

Written by Viktor V.Shepelev1;Translated by DAI Changlei2,3,YU Chenggang4

(1.MelnikovPermafrostInstituteSBRAS,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080，China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080，China；4.Daxing’anlingHydrographicOfficeinHeilongjiangProvince,Jiagedaqi165000，China)

Abstract：This paper studies the relationship between gravity groundwater and freezing rock layers based on the relationship between natural water cycle system and water phase transformation.It analyzes water cycle characteristics from the perspective of hydrogeology and frozen soil.It points out that:(1) Groundwater freezing greatly changes permeability of the rock layers;(2) When rock layers with water freezes or melts,the amount of water in it will be changed,greatly influenced the hydrogeological environment and promoted the development of special low temperature physical geology process and phenomenon;(3) With the condition of groundwater agglomerate state’s heat release and consume,it’s

also the reason that the content of rock layers’ freezing and melting is restricted to hydrogeological conditions;(4) The process of freezing and melting in rock layers with water will give substantive influence,promote the function of special groundwater chemical ingredient and cause the change of groundwater chemical tropical types;(5) The aquifer’s multiple freezing and melting will change rock layers with water’s physical property,improve the fissures degree and porosity and take shape great watered-out zone in the contact surface of melting and freezing;(6) Non-freezing gravity groundwater is the reason forming the aquifer’s convection and heat current in cold regions.

Key words：natural water cycle system;water phase transformation;gravity groundwater;freezing rock layers;cold regions

中图分类号：P641

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)01-0010-09

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。