冻结层上水的水文地球化学特征

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫 著；

戴长雷2,3,4,王　敏3，苗兴亚5 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.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；5.黑龙江大学 中俄联合研究生院，黑龙江 哈尔滨 150080)



冻结层上水的水文地球化学特征

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫1著；

戴长雷2,3,4,王敏3，苗兴亚5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.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；5.黑龙江大学 中俄联合研究生院，黑龙江 哈尔滨 150080)

冻结层上水的水文地球化学特征的研究对了解寒区冻结层上水具有重大的意义。文章通过对冻结层上水的水文地球化学特征的研究，以理论分析和实例阐述的方式指出：(1)冻结层上水化学特征的主要影响因素为自然因素；(2)地下水相变过程对冻结层上水化学特性的影响为使冻结层上水的化学成分和矿化度发生变化；(3)水文地球化学特征受不同季节包气带水分迁移过程的影响,其演化机理主要为：浓缩低温蒸发机理、低温—蒸发浓缩机理、低温—迁移机理；(4)通过对形成于勒拿河河漫滩阶地的季节性融化层的水化学状况的考察，得出：冻结层上水的水化学动态的主要特点主要由水的相变和包气带岩层水分迁移过程决定，可划分出3种主要的冬季冻结层上水的化学成分的浓缩机理：低温-结晶、低温-蒸发、低温-迁移机理。

水文；化学；特征；冻结层上水；寒区

1　冻结层上水化学特性的主要影响因素

研究冻结层上水的许多学者一直在关注冻结层上水的水化学特征。然而对这个问题目前的认识尚不全面，还没有完全解决。首先，因为与所有的浅层地下水一样，冻结层上水的化学成分和矿物度是在诸多复杂的自然因素相互作用下形成的。这些自然因素包括气候因素、地质因素、水文因素、流体动力因素、冻土因素、生物土壤因素等。

冻结层上水水化学形成过程，不仅受上述所列举的自然因素的直接影响，也受其间接影响。对冻结层上水化学成分的直接影响表现在：含有一定盐分的大气降水入渗补给冻结层上水；一定量的地表水、积雪融水和冰融水等下渗到冻结层上水含水层。须要指出的是，在大多数情况下，自然因素对冻结层上水化学成分的直接影响是局部性的。比如，地表水对冻结层上水含水区或含水层的强补给，基本上都出现在河流的河道范围内、湖泊、水库等地方。在有的地方，深水位的地下水也会流入冻结层上水含水层。

自然因素对地下水化学成分，尤其是冻结层上水化学成分的间接影响主要表现在：这些因素改变了溶解、浸析和沉淀、水分和盐分交换、吸附、离子交换、对流、扩散、热扩散、渗透、相变等其他发生在地下水系统的物理化学过程的强度。其中一些过程对于确定大区域内的冻结层上水的化学成分起着主导作用。活动层冻结层上水的化学成分是与地域差异紧密相关的，例如：在北海海岸附近和欧亚的北极群岛上，主要以海底阶地的沉积盐为主。这是由于沉积层中盐分的溶解，再加上坡度不明显，季节性融化层冻结层上水具有阳离子的碳酸氢盐和氯化物的混合特点，相对提高了矿物度。

在冰岩带山区，由于局部性坡度明显比大气降水入渗较浅，就形成了区域性的隔水挡板——多年冻结层顶部。随着冻结层上水的浸析过程强度增加，沉积层的冲洗度也随之提高。伴随着这个过程，在该地区形成季节性融化层冻结层上超淡水，主要成分是碳酸氢钙。

这些反映出自然因素对冻结层上水化学成分作用原理的物理化学过程，对冻结层上水水化学的形成也起着重要作用。在所有上述过程中，水液态固态间的相位转换过程对冻结层上水水化学状况起着最实质的和独一无二的影响。

2　地下水相变过程对冻结层上水化学特性的影响

许多学者研究发现的上述过程，即岩层饱和水冻结过程和饱和冰融化过程对于冻结层上水的化学成分和水化学动态影响的特点。那么关于水的相变对冻结层上水的化学成分和水化学动态作用的主要研究结果，则进行如下归纳。

在冬季冻结层上含水层或含水面发生冻结时，结晶—压缩作用下的水分和水溶性盐会产生低温挤压，从含冰区进入不冻结区。在这种挤压作用下，通常能很好地溶解水中的化合物(碳酸氢盐、氯化钙、镁和钠)。由于这些化合物正处于冻结状态的冻结层上水矿物度增加，如碳酸钙和碳酸镁、硫酸钠和硫酸钙，在温度达到0 ℃或0 ℃以下时，它们在水中的溶解度明显降低，在结冰区变成沉淀物。

冻结层上水的化学成分变化主要取决于其发源地的冻结层上水成分和矿物度，冻结的程度和强度，含水层和含水面的厚度，以及沉积层的渗透性和补给条件。例如，不含盐的碳酸氢钙冻结层上水在冬季冻结时，其阳离子会发生变化。在冻结初期，那些水的化学成分转为碳酸氢镁，在后期变成碳酸氢钠。在冻结层上水冻结时，随着矿物度的提高，在阴离子中可以产生明显的低温转化。例如，含碳酸氢钠的冻结层上水能转化为

硫酸盐钠，而在冻结的最后阶段，又转化成了氯化钠。

在季节性融化层冻结层上水冻结的情况下，特别是水流缓慢和回水的情况下，冻结层上水的化学成分的变化和矿物度增加最大程度的可以表现出来。在冬季冻结的过程中，冻结层上水矿物度能够增加1～2倍或更多。在冬季，冻结层上地下水化学成分低温的变质作用强度通常不是很明显。原因是同季节融化层水相比，冻结层上水含水层厚度大，在冬季时不会完全冻结。但是当冻结层上地下水径流很小或完全没有，含水层较薄、分部面积不明显时，每年冬季的冻结会逐渐明显引起化学成分的变化和矿化度的提高。

位于河床下融区的冻结层上地下水的状况处于这两种情况的中间状态。在这种环境下，冻结层上地下水不会发生季节性冻结。但冬季的第一个月份，由于位于河流两岸的斜坡和阶地的季节融化层水的冬季冻结，冻结层上地下水会流入河床的融区，这时冻结层上地下水经常会发生矿化度的提高。在(11—12月)活动层完全冻结后，冻结层上地下水的矿化度有所降低(图1)。

在夏季，冬季冻结的含水层发生融化时，盐分不会完全从固态变成液态。这是因为在冻结的含水层中，由于凝聚作用、脱水作用、沉淀作用及其他化学作用的影响，部分水溶性盐分形成新的化合物，会造成冻结层上水的盐分弱化。整体来看，很难评估暖季时冻结层上水化学成分的低温改造状况，这是由于在这个季节，大气降水和表层积雪融水入渗会对冻结层上水的化学成分、矿化度、水资源状况存在很大的影响，特别是当涉及到季节性融化层的冻结层上水时，这类水一般水位不深，水体状况十分依赖暖季时大气降水的数量和强度。

矿化度的变化也依赖于大气降水，但是形式比较平缓。这种依赖性是在河谷中集聚的河床下融区冻结层上水所固有的。在春季的积雪融化期和秋季丰沛的降雨期，水流量(图1)会急剧增长，在稀释作用下，矿化度达到最低。但是，当冻结层上水位于半包气带融区时，观测其矿化度和化学成分则受暖季水流量的变化影响不明显(图2)。

图1　塔楞—尤利亚赫泉的流量(Q)及矿化度(M)变化示意图

图2　暖季时，穆古尔—塔楞(雅库特中部地区)泉出水量(Q)和总矿化度(M)的变化曲线图

在一年内，水液态固态间的相互转换过程对冻结层上水化学成分及矿化度的影响，主要与冬季盐分以集聚方式由冻结区向不冻结区迁移有关。把这种在冬季时，矿化度的增长和化学成分的转换称之为盐分季节性的低温结晶机理。而夏季时，由于地下冰融化和积雪融水、大气降水入渗到冻结层上水的含水层，致使冻结层上水去盐化。

在一年中，蒸发、冷凝、凝华、升华过程对冻结层上水的化学成分和矿化度的变化有一定影响。这些相变过程会增强岩层包气带的水汽转移，影响冻结层上水的补给、径流和排泄条件，还影响冻结层上水的水位状况等。这些相变过程对冻结层上水的水化学动态影响，主要与岩层包气带水汽转移的特性有关。虽然在文献资料中，关于冻结层和融化层的物理化学过程，以及水分迁移的共性有许多理论和实验性研究[1-30]，但是对于这个问题的研究还非常薄弱。

3　冻结层上包气带水化学特征

3.1水文地球化学特征及其演化机理

在借鉴这些研究者工作成果的基础上，以及本文所提到的成果基础上，可以总结出不同季节包气带水分迁移过程对冻结层上水的化学成分和矿化度的变化影响特征。

在冬季，由于没有发生直接冻结的冻结层上水水分上升，致使其水量减少和水位降低。在这种情况下，冻结层上水的化学成分和矿化度变化的强度主要取决于岩石圈成分和包气带岩层渗透性。当包气带岩层的垂直剖面具有良好的可透性和均匀性时，气态是冻结层上水水汽转移的主要形式。克服水合作用力后，蒸气形式的水分子变成了与原来没有联系的离子，类似的水汽转移能引起冻结层上水化学成分的浓缩。

由于类似的冻结层上水矿化度的提高在冬季发生，因此本人将其命名为浓缩低温蒸发机理。借助于上升的水蒸气转移的基本数量、水交换条件、冻结层上水含水层的厚度和埋藏深度，可以确定冻结层上水的矿化度和化学成分改变的程度和强度。由于季节性冻结层的包气带岩层温度是0℃以下，在温度梯度差的作用下，水蒸汽能绕过液态，直接转化成冰。因此土壤内的凝华过程，会加快蒸气形式的水分转移。然而随着露天的气孔和裂隙被凝华的冰所填充，蒸汽形式的水分转移只能够局部发生，或者全部被薄膜水所代替，从而在包气带重新分配。

对于在地势低洼等地所形成的季节性融化层冻结层上水来说，低温—蒸发浓缩是其固有的特性。在冬季时，对于冻结层上地下水来说，水化学成分的浓缩机理作用不是很大。这是因为，冬季时，同季节性融化层水相比，冻结层上地下水水资源量更大。然而在低温—蒸发机理作用下，在冬季面积和厚度都不大的封闭融区中，冻结层上地下水可以发生化学成分的浓缩。在夏季，由于冷凝作用，以及融雪和雨水的入渗，冻结层上水的矿化度普遍很低。但是在一定地区，由于工业、日常生活或农业废物造成地表水污染，致使融雪和雨水的入渗不但不会降低冻结层上水的矿化度，反而会增大冻结层上水的矿化度，还会使水中的个别化学成分出现积累的现象。

当包气带由渗透性弱的岩层(砂质黏土，黏土等)形成时，冻结层上水不受季节性冻结影响。在冬季，水分以薄膜形式从水表面向上迁移。在这种情况下，冻结层上水化学成分也会发生浓缩(富集)，但它是以其他的物理原则为基础。当薄膜水迁移时，溶剂和溶质的运动并不是统一的，而是各自进行，因此它们的速度不同。且薄膜水作为溶剂，它的运动速度超过了其内部溶质的运动速度。这种迁移分异是由反向渗透现象所决定的。在水文地质化学中，该过程通常被称为过滤效应。该效应的作用大小，主要受包气带岩层的渗透性与吸收性、岩层温度、矿化度、地下水的原始化学成分、以及溶解在水中的离子的质量、半径和电位等因素制约。

当薄膜水的温度降低时，过滤效应的强度也有所提高。因此，在冬季的低温条件下，该效应会对冻结层上水的水化学状况产生很大影响。与低温—蒸发浓缩相似，就冻结层上水而言，这一效应可被称作冻结层上水浓缩的低温—迁移机理。

由于溶解于水中的成分离子和小分子质量化合物具有最大迁移力，可以这样认为，冬季，氯化物和碳酸钠、硝酸盐和亚硝酸盐在包气带岩层累积，因而冻结层上水将富含硫酸盐、碳酸氢钙、镁。

3.2实例分析

关于包气带岩层的水分迁移过程对冻结层上水水化学状况的影响，可以通过实地观测结果证实。例如，在1986年，本人对形成于勒拿河河漫滩阶地的季节性融化层的水化学状况进行了考察(图3)。通常在6月上旬，冻结层上水出现在由微粒组成的季节性融化层。季节性融化层水位的升高会持续到6月中旬，此时它会达到最大值。在接下来的夏季，季节性融化层的水位主要受夏季大气降水强度和降水量影响。9月下旬，降水停止，且昼夜平均温度下降到负值，冻结层上水水位开始稳步下降，直到含水层完全枯竭。在整个周期，季节性融化层的冻结层上水水位变化的总幅度达到76 cm。

在研究场地，季节性融化层的冻结层上水的化学成分是碳酸氢盐—氯化钠。冻结层上水的最低矿化度出现在6月，冻结层上水最初的矿化度为0.9 g/L。矿化度的高速增长大约持续到6月下旬。而在下个月，它的变化不太明显。自9月中旬，冻结层上水的矿化度持续升高，这种情况持续了整个冬季。从8月11日到11月11日，矿化度共增长了1.54 g/L。因此，冻结层上水化学成分不会发生显著变化，因为在整个冬季，冻结层上水的主要离子间的相互关系是一样的。季节性融化层水浓缩的低温-蒸发机理对研究场地的影响，主要通过示意图中水位与矿化度(图4)之间的相互关系来判断。在夏初，可以观测到水位与矿化度之间变化成正比，这可能与融化的凝华冰，以及季节性融化层依靠这些水资源额外补给有关(图4中的AO段)。然而，冻结层上水矿化度的增加使得其水位也相应的大幅升高。

图3　季节性融化层的冻结层上水的离子成分变化综合示意图1～6—水中各离子成分含量的变化：1—Ca2+；2—Mg2+；3—Na+；4—HCO3-；5—SO42-；6—Cl-；7—季节性融化层的冻结层上水水位

在6月、8月、9月，水位与矿化度之间的正比关系受到大气降水的破坏。当昼夜平均气温为稳定的负值时，这种关系又将重新开始，然而它具有除夏初以外的其他特征(图4中的OB段)。在冬季，随着矿化度的增长，季节性融化层的冻结层上水水位不升反降。

图4　季节性融化层的冻结层上水的矿化度与水位之间的关系

因此，在年周期上，冻结层上水的水化学动态的主要特点，很大程度是由水的相变和包气带岩层水分迁移过程决定。可以划分出3种主要的冬季冻结层上水的化学成分的浓缩机理。

(1)低温-结晶，由于水中易溶成分从冻结层上含水层的冻结区域迁移到不冻结区域而形成；

(2)低温-蒸发，由于气态水的上升流从冻结层上水表面，穿过渗透性好的包气带而形成的；

(3)低温-迁移，由于薄膜水的上升流从冻结层上水表面，进入弱渗透性的岩层(砂质黏土，黏土等)。在夏季，由于冻结层上融化的雪水、雨水、冷凝水(含无机盐较少)的入渗，冻结层上水的矿化度通常会减小。

还须指出的是，在一年内，冻结层上水的矿化度与化学成分的改变，除了受相变和包气带岩层内水分迁移过程的影响以外，毫无疑问，温度也是影响它们的因素。在一年内，冻结层上水水温的变化，使得它的水化学参数和指数发生了季节性变化(水中溶解性气体和同位素成分的含量、Eh、pH值、介电系数、水的表面张力等)。然而，目前对该问题的研究十分薄弱。

4　结　论

(1)自然因素对冻结层上水化学成分作用原理的物理化学过程及水化学的形成起着重要作用。

(2)地下水相变过程对冻结层上水的化学成分和矿化度的变化有一定影响，且水液态固态间的相互转换过程对其的影响，主要与冬季盐分以集聚方式由冻结区向不冻结区迁移有关。

(3)冻结层上水的化学成分和矿化度的变化受不同季节包气带水分迁移过程的影响，并且根据所在地地形及岩层等状况的不同，其演化机理主要有：浓缩低温蒸发机理、低温—蒸发浓缩机理、低温—迁移机理。

(4)通过对形成于勒拿河河漫滩阶地的季节性融化层的水化学状况的考察，得出如下结论：

①冻结层上水的水化学动态的主要特点，很大程度是由水的相变和包气带岩层水分迁移过程决定。可以划分出3种主要的冬季冻结层上水的化学成分的浓缩机理：低温-结晶，由于水中易溶成分从冻结层上含水层的冻结区域迁移到不冻结区域而形成；低温-蒸发，由于气态水的上升流从冻结层上水表面，穿过渗透性好的包气带而形成的；低温-迁移，由于薄膜水的上升流从冻结层上水表面，进入弱渗透性的岩层(砂质黏土，黏土等)而形成。

②冻结层上水的矿化度与化学成分的改变温度也是影响它们的因素。

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Hydrogeochemical characteristics of the frozen groundwaterWritten by Viktor Vasilievich Shepelev1;Translated by

DAI Changlei2,3,4,WANG Min3,MIAO Xingya5

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China;5.JointgraduateschoolofChina&Russia,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

The research of hydrogeochemical characteristics of frozen groundwater is important to study the frozen groundwater of cold region.Through the research of hydrogeochemical characteristics of frozen groundwater, by way of theory analysis and examples, it points out: (1) the most important influencing factor of the hydrogeochemical characteristics is the natural factor; (2) the influence of chemical characteristics of frozen groundwater of the the phase change process in order to make chemical composition of frozen layer water and salinity change; (3) the hydrogeochemical characteristics of vadose water migration process is different seasons. Its evolution mechanism mainly is: the enrichment mechanism of low temperature evaporation, evaporation and concentration mechanism, low temperature, low temperature-migration mechanism; (4) based on the formed from Lena first bottom seasonal melt layer water chemistry condition, it is concluded that: the main characteristics of frozen groundwater of water chemical dynamic transformation and rock belt is mainly composed of water moisture migration process, can be divided into three main kinds of enrichment mechanism of the chemical composition of frozen groundwater of cold region: crystallization at low temperature, low temperature evaporation and low temperature-migration mechanism.

hydrology; chemistry; characteristic; frozen groundwater; cold region

冻土工程国家重点实验室开放基金(SKLFSE201310)；黑龙江省水文局项目(2014230101000411)

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市人，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。

译者简介：戴长雷(1978-)，男，副教授，主要从事寒区地下水及国际河流方向的教学和科研工作。

P641.3

A

2096-0506(2016)09-0020-08