冻结层上包气带边界特征分析

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫著；戴长雷，孙颖娜，刘　月译

(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)

冻结层上包气带边界特征分析

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫1著；戴长雷2,3，孙颖娜3，刘月2,3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)

摘要：在寒区，关于冻结层上包气带边界特征的分析一直备受人们关注。在充分梳理既有研究成果的基础上指出：冻结层上包气带一般指的是位于地表与冻结层上地下水之间岩层圈最顶部的地带；包气带的分类依据冻土和地貌条件划分；在包气带边界处，岩层中的孔隙气体会和大气圈进行交换；冻结层上包气带水分迁移的影响因素有水分饱和差和热梯度差。

关键词：冻结层；包气带；边界特征；水分迁移；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)的基础上翻译节选修订而成的。

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。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冻结层上有关包气带边界特征的相关分析，值得一提的是，本文的许多研究成果都是作者在系统研究的基础上完整提出，可为国内从事寒区水文水资源研究的同行提供一个重要的参鉴材料。

1冻结层上包气带的概念

岩层包气带，通常理解为位于地表与冻结层上地下水之间岩层圈最顶部的地带。该层基本特点是：在大部分时间内，岩层的裂隙和孔隙中充满了水分和空气，它们不断地和大气进行能量交换。包气带中的液相水可能以结合水的形式存在(吸附水和薄膜水)，也可能以饱和岩层毛细水的形式存在。在包气带中形成临时的重力地下水(上层滞水或季节水)。

在包气带中的水以两种相位状态存在(气态和液态)，各状态都和岩层表面(吸附水、薄膜水、毛细水、自由水)相互联系，包气带位于岩石圈和大气圈两大地圈的交界处，这就使其内部水分的存储、运移和消耗机理极其复杂。

在多年冻结层的分布区域，由于包气带中出现固相水，且冰-水-水蒸汽相位间的变化不但在单独岩层中进行，还会在大部分岩层中进行，这就使得该机理变得更加复杂。

必须指出的是，直到现在，研究学者们对多年冻结层的包气带的定义和界限没有达成一致。有的人认为，包气带就是岩层季节性融化层；有的人认为，包气带只是季节性融化层的一部分；还有的人认为，不仅季节性融化层属于包气带，所有的多年冻结层或部分多年冻结层都属于包气带[1-3]。

2寒区包气带的垂向划分

在苏联地区包气带分布地图(1∶5 000 000)中[4]，对多年冻结层分布区内包气带的相关问题进行了详细的研究。A.И.叶菲莫夫、P.Я.科尔德舍娃在一部描述该图编制方法的著作中，指出：在多年冻结层的分布区域，位于地表和自由水面含水层之间的包气带岩层中，入渗水与包含在裂隙和空隙中的气体有关。之后，他们具体阐释了这一概念，如包气带岩层：①长期地或暂时地存在于冻结层上水的自由水面上；②存在于地下水的自由水面上(包括冻结层上-间水)在闭合融区与透水融区的形成地带上[5]。

在这类观点的基础上，依据冻土和地貌条件，研究者们提出了包气带的分类(图1)。图1指出，在活动层和多年冻结层融合时，包气带下部的岩层夏季发生融化的深度或者季节融化层水水位状况。在这些条件下，季节性冻结层不视为包气带的组成部分，因为包气带只有在夏季才会形成，冬季就会消失。

当活动层与多年冻结层不融合，或者后者不存在的情况下，包气带下部边界或者是冻结层上地下水水位的反映，或者是地下水蕴藏深度的反映。因此，这种情况与前面不同，季节性冻结层被视为包气带的组成部分。

1—多年冻结层；2—短期不含水的解冻层；3—永久不含水的解冻层；4—带自由水面的地下水；A—包气带；HT—季节性融化层；HM—季节性冻结层；T—无冻结-融化的包气带岩层；M—多年冻结层图1　不同地貌和冻土条件下的包气带示意图

在图1中还反映了包气带边界的其他情况。例如，划分了冬季时冻结的包气带区和不冻结的包气带区。Г.В.索洛维耶娃在描述编制地图的原则时，指出：冬季时，在冻结的包气带区，当活动层冻土和多年冻结层顶部重合时，包气带将不再存在。她认为，冬季时，不冻结的包气带区会暂时和冬季冻结层的大气层分开。

这样，依据编制地图的原则，在冻结的包气带区，活动层与多年冻结层重合时，冬季冻结层不作为包气带的组成部分。在不冻结的包气带区，当活动层和多年冻结层顶部分开或者多年冻结层消失时，冬季冻结层可理解为是包气带上的临界不透水面(区别于A.И.叶菲莫夫.和.P.Я.科尔德舍娃的定义)。

3冻结层上包气带的边界

对多年冻结层分布区包气带的边界定义模糊，主要是背离了包气带概念造成的结果。如上文所述，地质剖面的近地表部分通常属于包气带，在包气带边界处，岩层中的孔隙气体会和大气圈进行交换。因此，无论它处于冻结还是解冻状态，地表状态都对其上边界产生影响。

包气带的下部边界或是长期存在的饱和岩层，或是整个冰饱和岩层。在第一种情况下，距稳定的含水层表面的第一个水平面成为了包气带的下边界，其中也包括冻结层上地下水的水平面。在第二种情况下，如果剖面图上没有长期存在的冻结层上地下水，有理由认为冰饱和的多年冻结层顶部埋藏深度就是包气带下边界。类似的情况还可以在下述两种情况中观察到：一种是活动层与饱和冰的多年冻结层顶部交汇时；另一种是多年冻结层与含冰的活动层分离时。

本文作者在其著作中[6-8]，更加详实地叙述了多年冻结层分布区内包气带的界线，详情见图2。当活动层和多年冻结层交汇时，包气带就是该层的厚度。只有当埋藏深度低于冻结层时，包气带厚度才会更大。因此，冬季时，包气带并不消失，而是在和季节冻层联系中转化成另一种状态。在包气带中形成的地下冰会降低岩层的渗透性，使水的入渗变得困难，然而却不影响该层水汽和大气的交换。除此之外，根据各年的权威著作中所记载的结果，一些松散岩类在发生冻结后，其渗透性不但没有减小，甚至还会增加[9-15]。例如，在很多著作中都指出，冻结后的黏土渗透性增加了5～140倍。首先，这与冻结层中低温裂纹和微裂纹的形成有关，还与在冻结过程中孔隙度的增加有关。孔隙度增大是由于粉状微粒凝结成各种形状的粉粒团和结构个体。

在夏季形成的季节性融化层水，依据埋藏条件，划归为多年冻结层分布区的包气带地下水。必须指出的是，评估季节性融化层的冻结层上水埋藏条件的方法，目前只在教学文献中论述过。例如，在莫斯科大学的В.М.舍斯塔科夫和 М.С.奥尔洛夫1984年编写的教材《水文地质学》中，季节性融化层的冻结层上水被视为特殊的包气带地下水范畴[16]。

如果季节性冻结层不与多年冻结层交汇，或者多年冻结层不存在时，包气带的下边界由具体的水文地质状况决定。因此，它受稳定存在的冻结层上地下水的埋藏深度或地下含水层本身的影响。包气带或者会完全包含季节性冻结层，或者只包含它的一部分，或者在某一时期，完全不含该层。同时，也应该把这种条件下形成的冻结层上层滞水列入包气带地下水的范围内。因为它在包气带内临时形成，而后在季节性冻结层完全融化后消失。

在活动层与多年冻结层交汇的观测区域，包气带的下边界由冻土条件决定。因此，当冻结层剖面较深时，包气带厚度或与活动层厚度一致，或超过活动层厚度。在季节性冻结层与多年冻结层不交汇区域，当多年冻结层不存在时，包气带下边界由水文地质条件决定。这种情况下，包气带厚度与稳定的冻结层上水或地下水埋藏深度一致。

4冻结层上包气带水分迁移影响因素

在有关多年冻结层分布区内包气带边界见解的基础上，根据水分转移在冻结层上水的水位和水化学动态状况的形成过程，以及水资源条件与地表水和近地面空气相互作用中发挥的特殊作用，总结了包气带水分运移的特征。

如上所述，包气带上边界通常与地面水平线一致，而下边界可以从几厘米延伸到3～4 m深，甚至更深。可见，包气带包含较薄的、联系大气和岩层圈的接触层。正是这种状况确定了影响包气带中水分转移强度和方向的两个因素。

第一个因素与大气层近地面空气的水分饱和差有关。然而，深达0.1～0.3 m的包气带岩层中的孔隙气体通常是充满水分的。因此，由于水汽饱和湿度差，包气带在全年的任何昼夜，水汽都会蒸发到大气中。针对这种情况，A.A.罗德写道：“可以这样说，水汽不饱和大气层似乎具有某种能量，它可以从土壤中吸取水汽[17]。应当注意，大气的这种吸入力，实际上会引起水汽蒸发和土壤干旱。而且，大气层可以无限地从包气带中吸收水汽。

可见，大气吸入力的大小由近地面的水汽饱和湿度差决定(ΔEd)。该参数的大小可由已知的公式得出：

(1)

式中：ps为饱和水汽压，Pa；pu为近地面空气的水汽分压，Pa。

水汽透过包气带的蒸发强度可以用以下公式表达：

(2)

式中：Jd ω为透过包气带孔隙气体介质的水汽的浓度扩散强度；Df n为水汽的浓度扩散系数；γc k为土壤骨骼的质量；Pa为大气压。

在式(2)中，水汽的浓度扩散系数受包气带孔隙度和水分含量的影响。

(3)

式中：n为岩层平均孔隙度；ωe为包气带岩层平均含水率；Do为水汽在大气中的分子扩散系数，它受温度影响较小，平均约为0.22×10-4m2/s。

式(2)可以转换为：

(4)

由于包气带厚度较小，且与大气层联系较多，包气带岩层中的气压一般和大气压力差别甚微。因此，在式(4)中，Pa的大小反映了岩层的渗汽性受气压条件影响。在同等条件下，当大气压降低时，包气带岩层的透气性将增加。

引起包气带水汽运移下渗的第二个因素是热梯度差。它由近地面与包气带岩层孔隙气体的温度差决定，会引起水流和水汽的上升或下降。在一年中的暖季，当近地面气温超过包气带下边界岩层的温度时，水流将会下降。众所周知，当两股对流的夹杂水汽且温度不同的潮湿空气移动时，水蒸汽会发生冷凝。而且，当气流中的水汽发生冷凝时，气流的温度会更高[18-19]。据观测，由热梯度因素引起的、下降的湿气流温度升高时，湿气流所运输水汽将会发生冷凝。在这种情况下，当下降气流中的水汽运输强度超过对流气流的水分运输强度时，水蒸汽的冷凝量大于蒸发量。反之，如果下降气流的强度小于上升的等温气流，那么蒸发量大于冷凝量。

在冬季，湿气流借助热梯度因素，从包气带流入大气圈，即由于空气湿度梯度差，引起了气流外泄。通常，我们可以观察到这类情况，特别是在暖季的夜间尤为明显。可见，在这种条件下，气流不会发生移动。然而，当水汽流进入到包气带上部的低温环境时，由于较暖的上升水汽流遇冷，水汽接近于过饱和状态，随后发生冷凝。在这种情况下，冷凝或凝华过程的强度主要由包气带上部岩层的渗透性决定。如果岩层渗透性较高，上升的水汽流将很快直达近地大气层；如果岩层渗透率不高，那么大多数水汽将会在包气带上部冷凝，或直接转成冰。

5结论

关于寒区冻结层上包气带边界特征的分析一直是寒区水文研究的重要议题之一。结合理论分析和自身研究，本文指出：

(1)冻结层上包气带一般指的是位于地表与冻结层上地下水之间岩层圈最顶部的地带，在包气带中的水以气态和液态两种相位状态存在。

(2)包气带的分类依据冻土和地貌条件划分。在冻结的包气带区，活动层与多年冻结层重合时，冬季冻结层不作为包气带的组成部分。在不冻结的包气带区，当活动层和多年冻结层顶部分开或者多年冻结层消失时，冬季冻结层可理解为是包气带上的临界不透水面。

(3)在活动层与多年冻结层交汇的观测区域，包气带的下边界由冻土条件决定。在季节性冻结层与多年冻结层不交汇区域，当多年冻结层不存在时，包气带下边界由水文地质条件决定。

(4)冻结层上包气带水分迁移的影响因素有水分饱和差和热梯度差。

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Analysis of vadose zone boundary characteristics in frozen layerWritten by Viktor Vasilievich Shepelev1;Translated by DAI

Changlei2,3,SUN Yingna3，LIU Yue2,3

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences，Yakutsk677010，Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China;3.SchoolofHydraulicandElectricpower，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China)

Abstract：Analysis of vadose zone boundary characteristics in frozen layer has been drawing people’s attention in cold regions.On the basis of combing research results adequately，this paper points out:Vadose zone in frozen layer generally refers to the topmost zone in rock layer between the surface and the groundwater in frozen layer；The classification of vadose zone can be divided according to permafrost and landform condition；The pore gas in the rock layer can be exchanged with the atmosphere circle on the border of the vadose zone；The influence factors about vadose zone moisture migration in frozen layer are saturated moisture difference and thermal gradient difference.

Key words：frozen layer；vadose zone；boundary characteristics；moisture migration；cold regions

作者简介：维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫(1941-)，男，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。 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和科研工作。

中图分类号：TU445;P642.14

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)05-0017-05