冻层融冻过程地下水位变化影响分析

梁丽青++王志

摘 要：我国季节性冻土约占土地面积的54%，而季节性冻土通过冻融影响着地下水的水位。地下水位变化受多重因素的影响，因此研究冻融对冻土的影响一般不直接测量地下水位变化，而是通过对土壤各物理因素的分析，从而得到冻土对地下水的影响。

关键词：冻结期；冻融期；季节性冻土；地下水

中图分类号： P641.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-168-2

1 研究方法

冻层冻融过程地下水位变化一般不直接测量地下水位试验来的出结论，而是通过对地下水势、土壤温度、土壤含水量周期观测及土壤入渗试验，综合其他相关试验数据及当地气候资料，从而得到试验的数据及相关曲线，分析地下水的动态特征，而后得出结论[1-6]。

2 冻结期土壤水分动态变化及地下水位的变化

季节性冻土在冻结过程中由地表开始自上而下逐渐加厚，在温度梯度、水势梯度、毛细力及分子力等的作用下，液态水在一定的深度范围上渗，遇到冻层下界面冻结成冰晶，大于这个深度范围，液态水下渗，本文把这个深度称为水分零通面（简称零通面）[6]。地下水的埋深与该水分零通面的关系决定了地下水的补给或损耗。

2.1 潜埋型地下水位变化

当地下水埋深小于水分零通面，地下水直接向上入渗补给土壤水以形成冻层，在其他条件不变时，地下水位下降[6-8]，但是具有一定的滞后性。尤其在平原或较低的地区，潜水埋藏较浅，大量潜水直接补给到土壤中，形成季节性冻土，在冻结状态下，土壤含水率可达到饱和或者过饱和状态，此时，地下水损耗较大，地下水位变化较大[8]，这种地下水损耗通常称为“潜水蒸发”。

冻结期潜水蒸发量比非冻结期大，土壤增加贮水量和累计潜水蒸发量相关性较好，潜水蒸发随着负积温的增加而增加；潜水蒸发随冻结过程时间的增大而增大；随着潜水埋深的增加呈指数递减；损耗强度随时间有一个峰值，可用幂指数方程表示[9-11]。

2.2 深埋型地下水位变化

当地下水埋深大于水分零通面时，由于水分零通面的水势最大，以其为界，土壤水分以上部分向上入渗遇到冰层冻结，以下部分下渗补给地下水（指潜水）[6]，其他条件不变的情况下，地下水位上升，但影响不是很明显。

如果冻结前土壤含水量不大，冻结期没有充足的水补给地下水并上渗冻结，地下水可能就不会上升；如果地下水埋藏深度远大于零通面，地下水位就不会受到影响，但不利于土壤保墒。

2.3 冻结期地下水位变化的其他影响因素

地下水排泄主要受到季节性丰水期和枯水期的调节，在冻结期不会有太大的影响。而地表水入渗和蒸发据冻结情况，对地下水位影响可分为两种情况：

①地下水埋藏较浅，或冻结期处于给水量充足的丰水期，土壤冻结含水量等于或大于土壤含水量，李天霄等[12]通过对大田土壤冻结过程入渗的试验，得到稳定入渗时间、稳定入渗率和累计入渗量随冻深的变化曲线，三条曲线反映了在冻结期冻层逐渐变厚时，其渗透能力迅速减小达到稳定，冻层几乎不透水，形成了隔水层，几乎不发生地表水入渗和蒸发到地表，对地下水位影响不大。

②地下水埋藏较深，或冻结期处于干旱或缺水时期，冻结期供水不足，土壤未达到饱和，此时土壤具有一定的入渗能力和蒸发能力[13]。但此时入渗及蒸发能力很弱，且地下水位较深，很少能蒸发或地表水补给，所以对地下水位变化影响也不大。

3 冻融期土壤水分动态变化及地下水水位变化

冻层融化过程要比冻结过程短很多，春季气温回升时季节性冻土开始双向融化，此时土壤液态含水量增加，水势分布发生变化，水分零通面消失。

3.1 潜埋型地下水位变化

如2.1所述，冻结期土壤贮存了大量水，当冻层融化时，易形成冻层上水，但冻层具有隔水性，所以冻层上水在融通前不会补给地下潜水。冻层下融化的土壤由于超过了持水量，所以大量释水补给地下水，地下水为上升[6-8]。

腾凯等[14]发现冻土融化后渗透系数变大，渗透性比未冻前高出数倍甚至百倍，地下潜水位的变化要比冻结时变化快；并且冻层上水逐渐聚集易形成一定厚度的冻层上潜流层，等冻层融通后，冻层上潜流层和融雪水下渗补给地下水。冻融水是年内地下水补给的重要来源[15]，郭占荣等[6]提到在西北内陆盆地，潜水年补给量的51.9%来自冻融水入渗补给；冻融期月最大补水量（细沙）是冻结期月地下水最大损耗量（砂砾石）的四倍多。

冻结期土壤不是特别干旱，地下水埋深小于零通面，冻融水一般都会补给地下潜水，使其水位上升。

3.2 深埋型地下水位变化

当地下水埋深大于零通面，地下水在冻结期不补给土壤水，冻结前土壤较为干旱，冻层贮水没达到土壤饱和，在融化过程，土壤释水，入渗途径长，到达不了地下水，地下水位不会发生明显变化。土壤含水没达到饱和，或者冻土中有空洞、虫穴、腐烂根道等，也就会有一定的渗透能力，在整个冻融过程中，融雪水和其他地表水都会下渗，也会引起地下水的变化。

4 结论

①冻结期，埋藏小于水分零通面的地下水大量补给土壤冻结，土壤含水达到饱和或过饱和，地下水位下降；埋藏大于零通面的地下水获得少量土壤水，如果埋藏较深且冻结前较为干旱，地下水位不能得到土壤水的补给，水位几乎不会受到冻融的影响；地下水埋藏小于零通面时，冻层为隔水层，几乎不发生蒸发到地表以上或地表水入渗，埋藏大于零通面时，土壤可能达不到饱和冻结，冻层虽然具有一定的渗透能力，但是由于埋藏较深，蒸发到地表或地表水下渗对地下水位影响不大。

②冻融期，水势发生变化，零通面消失。潜埋型地下水在冻结期贮存大量的水，融化时大量释水补给地下水，地下水位上升，冻融水成为地下水补给的重要来源；深埋型地下水，土壤贮水没有前者多，释水补给地下水较少或不补给，地下水位影响不大；潜埋型地下水在融通前不能得到融雪水等地表水的补给，深埋型地下水或者具有空洞、蚁穴腐烂根道等土壤的地下水能够接受融雪入渗或其他地表水的补给，水位变化依情况而定。

参 考 文 献

[1] 付强，马效松，王子龙，等.稳定积雪覆盖下的季节性冻土水分特征及其数值模拟[J].南水北调与水利科技，2013，11（1）：81-84.

[2] 王晓巍.北方季节性冻土的冻融规律分析及水文特性模拟[D].黑龙江：东北农业大学，2010：13-21.

[3] 戴长雷，孙思淼，杜新强，等.中国近年寒区地下水试验研究进展[J].资源科学，2011，33（2）：286-293.

[4] 孙化江，李洪文，崔莉.黑龙江季节性冻土分布特征、形成条件与危害及其防治[J].中国地质灾害与防治学报，1993，4（4）：72-78.

[5] 樊贵盛，贾宏骥，李海燕.影响冻融土壤水分入渗特性主要因素的试验研究[J].农业工程学报，1999，15（4）：88-94.

[6] 郭占荣，荆恩春，聂振龙，等.冻结期和冻融期土壤水分运移特征分析[J].水科学进展，2002，13（3）：298-302.

[7] 白连军，程春莲，郭福林.冻土对土壤水份动态影响的分析[J].北方园艺，1996，18（2）：56-57.

[8] 尚松浩，雷志栋，杨诗秀.冻融期地下水位变化情况下土壤水分运动的初步研究[J].农业工程学报，1999，15（2）：64-68.

[9] 周有才，赵洪书.松嫩平原土壤水分动态的研究[J].土壤学报，1979，16（3）：302-305.

[10] 雷志栋，尚松浩，杨诗秀.土壤冻结过程中潜水蒸发规律的模拟研究[J].水利学报，1999，27（6）：6-10.

[11] 张展鸿.土壤冻结期潜水蒸发规律分析[J].地下水，2012，34（5）：16-17.

[12] 李天霄，付强，刘东.寒区冬季大田土壤入渗特性试验研究[C].第2届“寒区水资源及其可持续利用”学术研讨会论文集，2009：97-101.

[13] 张春艳，沈丽，杨大超.冻层条件下渗渠取水量的确定初探[J].黑龙江水专学报，2010，37（3）：112-114.

[14] 腾凯，柳宝田，李益新，等.季节性冻土区地下水的变化规律及开发利用[J].地下水，1996，18（1）：35-37.

[15] 荆继红，韩双平，王新忠，等.冻结、冻融过程中水分运移机理[J].地球学报，2007，28（1）：50-54.