寒区包气带冻结土壤垂向水热参数监测方案分析与设计

高　宇，商允虎，戴长雷，伍根志，刘　月，逄淑然

(1.黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080;2.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080;

3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)



寒区包气带冻结土壤垂向水热参数监测方案分析与设计

高宇1,2,3，商允虎3，戴长雷1,2,3，伍根志1,2，刘月1,2，逄淑然1,2

(1.黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080;2.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080;

3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

摘要：参数测定是包气带冻土研究的基础和难点，在分析已有研究的基础上，以综合质量含水量(含冰量与未冻水含量)、冻土温度为目标参数，立足野外原位监测，设计提出了以语音式低温地温计、冻土水热遥测装置、冻土水热简易监测装置为基础的监测方案，并结合黑龙江大学呼兰校区冻土水文试验场冻结条件下包气带土壤垂向水热实际试测结果，对监测方案进行了分析和评价。

关键词：冻土；水热参数；监测；仪器；方法；寒区

1问题的提出

冻土是指负温条件下，含冰的岩土。一般可分为短时冻土、季节冻土以及多年冻土。地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的70%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%[1]。冻土使得寒区的水文循环机理产生了本质的变化，这种变化致使寒区在生态环境与生活生产方面存在着种种与非寒区不同的现象，如冻土保墒、春涝、春汛以及冰凌洪水等。因此冻土水文研究的是寒区合理开发与寒区人民财产安全保障的关键。其中水热参数监测，贯穿于绝大部分冻土水文研究，是冻土水文研究的核心内容之一。Jame等[2]用双γ线衰减法观察到了水流沿温度梯度的变化。Flerchinger等[3]于1989年开发了SHAW模型，主要用于垂向一维冻土水热耦合模拟。Jansson 等[4]在SOIL与SOILN的基础上，开发出水热传输模型COUP。阳勇等[5]则利用COUP构建了祁连山冻土区的水热传输模型。李瑞平[6]通过基础实验与SHAW数值模拟研究探讨了内蒙古河套灌区冻融期水热迁移规律。戴长雷等[7-8]在封冻期以地表以下20 cm、40 cm、80 cm和100 cm土壤为研究对象，完成了积雪和冻土保墒监测试验设计。王子龙[9]以雪被与冻土为联合体，研究探讨了联合体中的水热交换规律以及相关数值模拟。

冻土水热参数是冻土水热迁移研究、冻土水热模型构建以及冻土墒情研究的主要数据支撑。而在已有文献与研究中对水热研究支撑数据来源、监测方法以及精度涉猎较少。鉴于此，本文以位于哈尔滨市的黑龙江大学呼兰校区为研究区，提出了冻土水热参数监测方案，介绍了方案所涉及到的方法与相关仪器，并对仪器的应用效果与精度进行了分析。

2冻土水热参数的分析与选择

2.1特征参数分析

基于已有文献，总结梳理出定量描述冻土基本水热性质的参数主要包括未冻水含量、含冰量、饱和差、冻土温度与热通量。

未冻水含量是指岩土在稳定负温条件下，以液相形式存在的水的质量与岩土总质量之比。其表达式见式(1)。

(1)

式中：mw为冻土中未冻水质量；ms为土粒质量；mi为冻土中冰的质量。

在冻结土壤中，大部分水分由液相转变为固相。而因固相颗粒表面的电荷作用与分子力的作用，仍有部分水分以液相存在，其含量与温度存在着动态关系，随温度的升高(降低)而升高(降低)。未冻水的存在也使得温度成为冻土特性主要影响因素[10]。

冻土未冻水含量的常用测定方法为核磁共振原理的时域反射仪(TDR)。国内的冷毅飞等[11]与陈友昌等[12]通过对土壤温度与热量的监测，计算出温度变化过程中由水发生相变放出或吸收的热量，进而推算未冻水含量。

冻土含冰量分为质量含冰量与体积含冰量，即冻结岩土中冰的质量(体积)与岩土的总质量(总体积)之比，表达式见式(2)。

(2)

关于冻土含冰量较成熟的直接测量方法较少，含冰量的测定通常分为冻结土壤总含水量监测与未冻水含量监测两个步骤。

饱和差是指单位面积上的潜水上升单位水头所需要的补给量。有别于给水度，饱和差不仅受岩性与潜水埋深的影响，也与上升段的岩土初始含水量有关。

冻土温度是表征冻土冷热的物理量，常用单位℃。主要测量工具为温度计。冻土温度不仅是冻土区别与非冻土的重要标志，还是冻土物理与水理性质的主要影响因素。冻土热能量是冻土在单位时间、单位面积内的热量收支情况，是冻土温度变化的驱动力。

2.2目标参数的选定

实验主要研究对象为土壤包气带(非饱和带)，根据实验条件与实验目的，结合冻土的基本物理与水理性质，选定本实验的主要监测参数为综合质量含水量(含冰量与未冻水含量)与冻土温度。

3监测仪器与监测方法的分析与选择3.1相关仪器与方法的分析3.1.1冻土含水量监测

如今用于土壤含水量监测的方法中较为常见的有5类。

γ射线法：发射的γ射线穿透土壤时，根据衰减度和土壤湿度的关系确定出土壤水分。

中子法：利用已有的快中子碰撞氢原子的慢化速度与氢含量的关系，通过测定快中子的慢化速度，计算土壤水含量。

张力计法：又称负压计法，通过测土壤的基质势来计算土壤含水量。

时域反射仪(TDR)：通过测量电磁波在埋入土壤中的导线的入射反射时间差求出土壤的介电常数，进而求出土壤的含水量。

钻土、烘干、称重法：亦称烘干法或称重法，是目前国际上用于测量土壤含水量的标准方法，也是其他监测土壤水分的校核与标定方法。主要操作为土钻取土，对土样称重、烘干、再称重，前后重量差值与原土样重量的比值即为土壤含水量。

3.1.2地温监测

地温监测即是对土壤温度进行监测，普遍使用的方法有3种。

地温计是测量土壤温度的专用仪表，地温计采用水银玻璃温度计作为表芯，具有感温快，灵敏度高的特点。地温计一般分为地面温度计、直管地温计、曲管地温计、直角地温表4种类型。

冻土温度自动测报系统是利用遥测、通信、计算机和网络等先进技术，完成冻土分层温度的信息采集、传输和处理。

冻深观测主要采用丹尼林冻深计，丹尼林冻深计由外部塑料管与内部橡皮管组成，埋入土壤竖直钻孔中，用水充填橡皮管。观测时提出塑料管中的橡皮管，测量橡皮管内结冰长度即是冻结深度。因此丹尼林冻深计亦是界定冻土中正负温度的仪器[13-14]。

3.2仪器与方法的选择

为保证实验数据的准确性与可靠性，实验对同一参数采用多种监测方法，综合对比、率定可用数据。

含水量主要采用中子仪与钻土、烘干、称重法对土壤总含水量监测，采用时域反射仪对冻土中未冻水含量监测，间接完成对冻土质量含冰量的监测。

地温监测主要采用常规地温计、语音式低温地温计、地温遥测自动播报系统对冻土进行分层温度监测，同时采用丹尼林冻深计对冻深监测并标定正负温度分界点。

4实验方案设计

4.1实验目标的确定

实验以现场原位监测与原始数据分析为主要方式，旨在研究在一个冻融周期内冻土水热时空分布特征与冻土内水分迁移特征及其与温度的相关关系。

4.2实验场地的选择

选择黑龙江大学呼兰校区为典型实验区，实验区位于哈尔滨市北部，松花江左岸，属松嫩平原，大部分为新生界第四纪形成，主要土壤有黑土、黑钙土、草甸土、沼泽土、砂土、盐土等。多年(1956—2000年)平均年降水量为516.9 mm，丰水年降水量达762.8 mm(1960年)，枯水年降水量为323.4 mm(1976年)，丰枯水年年降水量相差439.4 mm，42年内等于或大于平均年降水量的占54.76%，年降水量均在400～600 mm，最大月降水量311.6 mm(1960年8月)，最小月降水量为0 mm(1986年4月、1996年1月、2月)，年蒸发量为959 mm，5—6月蒸发强烈，水面蒸发726 mm。在区内地表以下100 cm内以20 cm为间隔，分层取土进行密度测定、粒径分析、含水量监测。结果表明实验区土壤干密度在0.37~0.41 g/cm3之间，属于细粒土(细粒组≥50%)，初冻期土壤含水量在0.219~0.272之间。

本实验所测温度的参数分布为地表以下10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm地温；含水量的参数监测点分布为地表以下10 cm、40 cm、80 cm。

4.3时间与边界条件的控制

监测时间：实验水热参数监测时段为自冻期开始(气温转负)至冻层全部融化。

监测频率：地温计温度监测，钻土、烘干、称重法含水量监测与丹尼林冻深计冻深监测等需要人工，主要监测的参数每5 d监测一次。具有自动采集功能的中子仪、时域反射仪(TDR)与地温遥测自动播报系统的监测频率为12 h/次。

边界控制：为保证目标冻土体的原位性，同时明确其与外界水热的交换关系，对目标冻土体四周进行防渗隔热处理，监测水热参数的同时分别对地下水水位与地表融雪净入渗量进行监测。

5监测装置设计与集成

5.1语音式低温地温计

为了在低温环境条件下，准确可行实时的测定冻土温度，设计研发了以取土钻为载体的温度测量与语音播报的语音式低温地温计。语音式低温地温计主要监测对象为负温状态下低温冻土温度。

语音式低温地温计主要由AT89S51单片机、DS18B20温度传感器、ISD1420语音芯片、RT1602液晶显示器组成，如图1所示。电路集成如图2所示。

图1　语音式低温地温计结构图

图2　电路系统集成图

5.2冻土水热遥测装置

遥测装置传感器可埋于地下，长期无损伤的监测原位土壤的含水量与土壤温度。在实验过程中分别对环境、地表、冻土(地表以下10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm)进行温度监测，对

地表以下10 cm、40 cm、80 cm墒情进行监测。

冻土水热遥测装置主要由TRIME—PICO64土壤水分传感器、中子仪探头、信号传输RVVP电缆线、远程监测终端(RTU)、供电设备12V蓄电池与开头电源(D-30B)、充电设备太阳能光板、信号输出设备蓝牙(HC-06)与GPRS通信模块(F2102)、数据显示设备TK6070iK显示屏等组成。装置可实现远程监测数据输出上传的同时对数据本地存储。

冻土水热遥测装置结构如图3所示，传感器如图4所示。

图3　冻土水热遥测装置结构图

图4　TRIME—PICO64土壤水分温度传感器

5.3冻土水热简易监测装置

根据实验内容与参数监测要求，冻土水热简易装置主要监测土壤含水量与温度。

土壤含水量监测为烘干法。可用于取土的工具有铁锹、地钻、取土钻、电镐等。采用电热恒温鼓风干燥箱(DH-101)对土样进行烘干，电子天平对烘干土样称重，实现对土壤质量含水量的监测。土壤温度监测采用地温计为主要材料，同时配合丹尼林冻深计确定土壤冻深。

6实际应用与效果分析

6.1语音式低温地温计

彭程等[15]完成了语音式低温地温计的设计、研发与较准。吕雅洁[16]将其作为一个主要的地温监测方法应用于哈尔滨地区冻层土壤水热参数监测试验研究中，同时用常规地温计对所监测数据进行了校核，校核结果表明语音式低温地温计所监测数据误差在3%以内，可用于冻土温度监测。语音式低温地温计的探头可装于取土钻的钻头部位，通过取土钻可监测指定土层的地温。该装置测得数据精确且连续，整理部分数据如表1所示。

表1　地温测量结果表

6.2冻土水热遥测装置

冻土水热遥测装置已被冬季较长的漠河水文站采用，作为冻土水文基础参数的监测装置，完成野外无人站点的土壤水分与温度监测。应用结果表明，温度监测误差在允许范围之内。将常规取土、烘干、称重与冻土水热遥测装置中的中子仪同频率监测冻土水分，监测结果对比如表2所示。

表2　冻土墒情监测结果对比表

由表2可知相比取土、烘干、称重，中子仪在地表以下10 cm的冻土水分监测误差在7%~14%之间，40 cm与80 cm水分监测误差在5%以内。根据中子仪的监测原理，10 cm为腐殖质层氢元素含量较多，导致其误差较大。

7结论

关于土壤含水量监测的方法主要有γ射线法，中子法，张力计法，时域反射仪(TDR)，钻土、烘干、称重法等。这些方法多适用于非冻土壤水分监测，而关于冻土含水量监测的方法与研究较少。为了探求冻土的含冰特性，本实验采用中子仪，时域反射仪(TDR)与钻土、烘干、称重法监测冻土的含水、含冰量。其中中子仪与钻土、烘干称重法测定冻土的总含水量；时域反射仪测定冻土中未冻水含量，从而可得其含冰量。

本实验的冻土温度监测主要采用集数据采集、存储与上传为一体的遥测装置，可语音播报的语音式低温地温计为冻土温度监测仪器。该装置每隔30 min测量一次土壤的温度，得到的数据连续性好且精确。利用丹尼林冻深计完成对冻土冻深的监测，同时界定正负温度范围。

实验研究所涉及主要参数为冻土含水量与冻土温度。主要监测方法可分为两类，即常规监测方法与传感器采集数据。相比较而言，常规方法的通用性与公认性较强，对硬件的要求较为简单，所监测数据直观且准确，监测数据的同时也可标定与校核数据采集传感器。而数采传感器则可以实现全自动、高频率的对各参数进行监测。两类方法结合可为冻土水热参数相关研究提供准确的、高密度的数据支撑。

参考文献：

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Scheme analysis and design of frozen vadose soil vertical water and thermal parameters monitoring in cold regionGAO Yu1,2,3,SHANG Yunhu3,DAI Changlei1,2,3,WU Genzhi1,2,LIU Yue1,2,PANG Shuran1,2

(1.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China；2.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China；3.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentaland

EngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)

Abstract：Frozen vadose soil research is a key content in the development of cold region,Water and thermal parameters studies is the core content of frozen vadose soil research.This paper selects comprehensive quality content (ice content and the unfrozen water content) and soil temperature as the objective parameters.Based on the field monitoring,we put forward monitoring schemes mainly include voice type low-temperature geothermometer,frozen soil water and thermal automatic monitoring device,frozen soil water and thermal artificial monitoring device.We complete the scheme evaluation on the basis of freezing soil vertical hydrothermal actual test results in Harbin Hulan campus of Heilongjiang University.

Key words：frozen soil;water and thermal parameters;monitoring;method;cold region

中图分类号：P641.2

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)01-0025-06

作者简介：高宇(1992-)，女，硕士研究生，主要从事寒区地下水模拟与评价方向的学习和研究工作。E-mail: hss_gaoyu@126.com通讯作者：戴长雷(1978-)，男，副教授，博士，主要从事寒区地下水及国际河流方向的教学及科研工作。E-mail：daichanglei@126.com

基金项目：冻土工程国家重点实验室开放基金(No.SKLFSE201310)；黑龙江省水文局项目 (No.2014230101000411)；国家自然科学基金(No.41202171)