高寒区冰泉水探析

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫 著；戴长雷，王 敏，苗兴亚 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)



高寒区冰泉水探析

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)

高寒地区冰泉水的探析对寒区冻结层上水的研究具有重要的意义。通过对高寒区冰泉水的探析，指出：①目前对冻结层上水冰泉形成状况的研究还不够深刻；②地下水冰泉的形成受负温因素、冰冻因素、冻土因素的影响；③通过实例分析可得出：在河谷中的冻结层上地下水冰泉的形成过程具有双波峰特性，它有2个体积最大增长值；④冰泉只由季节性融化层水形成，而没有冻结层上地下水的参与。

冰泉水；季融层；冻结层；高寒区

1 研究进展

许多研究学者致力于研究地下水冰泉形成状况，其中，关于冻结层上水冰泉形成状况的研究尤为普遍[1-48]。

尽管越来越多的人开始关注这一问题，然而目前对它的研究还不够深刻全面。针对这一现状，B.P.阿列克谢耶夫认为：“主要原因在于：目前所设置的动态观测点数量有限，而且大部分观测点都是随机选择的，观测方法也不尽相同，冰层的固有特性一般也不计。因此，总体的或区域的观测结果具有局限性[49]。”

基于对实际数据和个人的观测结果的分析，可以得出在一年期和多年期冬季冻结层上水冰泉形成的几个共有特征[50-57]。

2 影响因素

地下水冰泉的形成首先受负温因素影响。负温因素主要影响地下水的排泄。换句话说，冰泉是一种冬季独特的泉水上涌泉。因此可以得出，冰泉的形成主要依赖于冬季的长短和严寒程度，并受平均昼夜负温变化影响。

对于冻结层上水形成的冰泉来说，冰冻因素对它们的形成，影响十分复杂。这种情况主要是因为冬季在负温的影响下，埋藏不深的冻结层上含水层发生了冻结。这使得冻结层上水具有低温、静水压性质，使它的排泄得到强化；同时，由它形成的冰泉的水量和面积也有所提高。

通过对冻结层上水冰泉的形成进行观察，其结果证实了冻土因素对冰泉的形成产生了重要影响。详见图1冻结层上地下水形成的冰泉的综合发育曲线图。其中，冻结层上地下水源自外贝加尔的水量、面积不大的克拉克河的河底沉积层[58-59]。

在初冬(10月)的结冰区，季节性冻结层的底部边界通常高于冻结层上水水位。因此，冻结层上水的排泄只靠水力梯度就可以实现。在此期间，增冰量不是很明显，因为大部分冻结层上地下水从河床下流走。冰泉的首次喷水一般始于11月，此时，季节性冻结层的底部边界达到冻结层上水的埋藏深度，冻结层上水具有了水压。冰泉再次喷水发生在冬末，此时，结冰区的冻结层上地下水具有低温静水压。

图1 受冻结层上水和季节性冻结层影响的冰泉发育曲线图

3 实例分析

通过分析实例以及其他观测结果，可以看出：在河谷中的冻结层上地下水冰泉形成的过程中，冰泉的形成过程具有双波峰特性，它有2个体积最大增长值[见图2(b)、图2(c)]。第一个波峰的形成与在河谷的河漫滩阶地上发育的，季节性融化层的冻结层上水的冬季冻结有关。第二个波峰的形成主要是由于结冰区岩层冻结，冻结层上水流的横截面最大程度的收缩造成的。

当由冻结层上地下水形成的冰泉位于河床区和河滩区以外时，在它的形成过程中，通常只有一个体积最大增长值，一般出现在冬末。在冬季前期，冰泉的增长强度相对较低，主要由于过境水沿着由冰泉形成的河道流淌[见图2(a)]。在冬季后期，由于河道冻结，河床下融区泄水能力大大减弱，冰泉形成的强度明显提高。在冬季后期，冰泉冻结所形成的冰锥约占总体的70%～80%。

图2 各冻结层上水冰泉形成状况(△Wn冰泉体积增长值)

在冬末，冰锥体积出现最大增量，这为定位(在水力梯度作用下排泄的)冻结层上地下水提供了有利条件。B.M.皮古佐娃与O.H.托尔斯基辛认为，冰泉体积的最大增量被计作冬季冰泉的出水量指数是合情合理的。根据增长值可以确定冬季临界期冻结层上的地下水资源量。

(1)

由式(1)计算出了某些冻结层上和冻结层间地下水形成的冰泉的冬季出水量，将它与传统水文测验方法测量出来的夏季出水量作对比(表1)。由表1可知，地下水形成的冰泉的冬季出水量，与按传统水文观测方法测量出来的夏秋平水期的流量十分相近。必须指出的是，冬季泉水的出水量一般很难用其他方法确定，因为泉水结成的冰堵住了地下水的排泄口，大部分泉流以冰的形态蓄积。

表1 冰泉出水量对比(按冰泉指数及传统水文测量方法确定的)

4 季节性融化层冰泉

关于季节性融化层的冻结层上水形成的冰泉的发展情况，文中在研究河谷区冻结层上地下水的冰泉状况时已经说明。然而，我们经常观察到这种情况——冰泉只由季节性融化层水形成，而没有冻结层上地下水的参与。

在冬季，季节性融化层的冻结层上水形成的冰泉状况，充分地反映了冻结层上水水文动态状况特征。据观测，大多数情况下，冰泉体积最大增量出现在11月份，有时出现在12月份。这不仅与含水层的冻结强度有关，还与冻结层上水的极大储量有关。在冬季前期末，季节性融化层的冻结层上水形成了冰泉。通常，在冻结层上水枯竭时，冰泉消失。

随着春季的来临，冬季形成的冰泉开始受到破坏。除了冰泉与近地空气进行热交换外，流动的融水和迅水对冰锥的破坏十分显著。20%～30%的冰泉是因该因素破坏。冰泉的最大破坏强度发生在积雪覆盖锐减，河流通汛时期。冰泉与近地面的热交换也使其受到破坏，冰泉融化的温度系数平均为3～5 mm/℃[60]。

5 结论与讨论

目前，对冻结层上水形成的冰泉的多年变化特性的研究还很薄弱。主要原因是在多年地质断面上观测的和已有的冰泉动态数据不足。这一问题的研究结果表明：冻结层上水形成的冰泉断面的多年变化特性主要受气候条件制约。许多研究者发现，在最寒冷的冬季，通常冰泉形成的强度很高，相应地，冰泉体积也达到最大。然而，这个规律是季节性融化层的冻结层上水形成的冰泉所固有的特征。对于由冻结层上地下水和位于河床区和河滩区以外的水所形成的冰泉，它们的多年变化性通常不大，冰泉多年平均变化的参数值相对有些偏差，但不超过6%～7%。

本文总体评价了关于冻结层上水形成的冰泉体积多年变化性的现有研究成果。须要指出的是，冰泉形成的强度受各年份气候变化特征的影响，具有复杂的非线性特征。这种情况也指出了未来研究过程的多因素性，以及综合处理问题的必要性。

[1] Петров В Г. Наледи на Амуро-Якутской магистрали[M].Ленинград: Изд-во АН СССР, 1930:177.

[2] Толстихин Н И. Инструкция по изучению наледей—Сборник инструкций и программных указаний по изучению мерзлых грунтов и вечной мерзлоты[М].Л енинград: Изд-во АН СССР, 1938:73-84.

[3] Толстихин Н И. Подземные воды мерзлой зоны литосферы[M].Москва: Госгеол-техиздат, 1941:202.

[4] Чекотилло А М. Наледи и борьба с ними[M]. Москва: Гушосдор НКВД СССР, 1940:136.

[5] Швецов П Ф. Подземные воды Верхояно-Колымской горноскладчатой области и особенности их проявления, связанные с низкотемпературной вечной мерзлотой[M].Москва: Изд-во АН СССР, 1951:279.

[6] Иевенко Б И, Чистяков Г Е. Тойон-Тирэхский тарын в Верхоянском хревте // Исследование вечной мерзлоты(Вып 3)[M]. Москва: Изд-во АН СССР, 1952：31-47.

[7] Калабин А И. Источники и наледи подземных вод на Северо-Востоке СССР(Вып. 7) [M]. Магадан；1958：11-32.

[8] Калабин А И.Вечная мерзлота и гидрогеология Северо-ВостокаСССР(Вып. 18)[M]. Магадан:Тр. ВНИИ-I,1960:472.

[9] Мудрое Ю В. Морфология и генезис наледей в Центральном Забайкалье—Вопросы географического мерзлотоведения и перигляциальной морфологии[M]. Мocква: Изд-во Моек, ун-та, 1962:173-183.

[10] Лыло В М.Методы полевых исследовании и учета наледий при изучении режима рек —Материалы по мерзлотоведению Сибири и Дальнего Восто- ка[M]. Иркутск,1964：74-85.

[11] Румянцев Е А. Анализ динамики наледей и эффективности различных типов противоналедных устройств на Забайкальской и Дальневосточной желез- ных дорогах[D]. Хабаровск:Автореф. дис. канд. техн. наук,1966: 22.

[12] Румянцев Е А. Режим надмерзлотных вод Керакского наледного участка и связанные с ним особенности развития наледи — Мерзлотно-гидрогеотер- мичческие и гидрогеологи-ческие исследования на Востоке СССР[М]. Москва: Наука, 1967： 40-50.

[13] Румянцев Е А. Влияние мерзлотно-гидрогеологических условий на динамику грунтовых наледей —Наледи Сибири[М]. Москва:Наука, 1969：117-127.

[14] Румянцев Е А. Теория наледных процессов и практика противоналедных мероприятий[M].Хабаровск: Изд-во ХабИИЖТ, 1982：58.

[15] Румянцев Е А. Механизм развития наледного процесса—Проблемы наледеоб- разования[M]. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991： 55-66.

[16] Чижова Н И. Изучение наледей подземных вод при гидрогеологической съемке и оценке подземного стока в области распространения многолетнемерзлых пород на примере Южной Якутии — Мерзлотные исследования[M]. Москва:Изд-во Моск. ун-та, 1966：188-193.

[17] Дзенъ П Ф. Некоторые данные наблюдений за формированием и таянием наледи на р. Нижний Ингамакит (бассейн р. Чары) [C]. Ялта:Материалы 19-й науч. конф., посвященной 50-летию Советской власти, 1967: 71-74.

[18] Пигузова В М, Толстихин О Н. Некоторые вопросы исследования наледей—Мерзлотно-гидрогеотермические и гидрогеологические исследования на Востоке СССР[М]. Москва:Наука, 1967：30-39.

[19] Шульгин М Ф.Типы и динамика наледей на Восточном Саяне —Проблемы регионального зимоведения[M].Чита：Изд-во Чит. ун-та, 1968：95-96.

[20] Алексеев В Р. Условия форомирования и распространения наледей на юге Якутии-Наледи Якутии[M].Новосибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1969:31-41.

[21] Алексеев В Р. Наледи Сбири и Дальнего Востока - Сиб.геогр.сб[M].Новосибрик: Наука. Сиб.отд-ние,1974(8): 5-68.

[22] Алексеев В Р. Наледи Саяно-Байкальского нагорья-Наледи и наледные процессы Восточной Сибири[M].Иркутск：Ин-т географии СО РАН, 1976:22-87.

[23] Алексеев В Р.Наледи и наледные процессы[M].Новосибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1978:189.

[24] Алексеев В Р. Основные проблемы наледеведения-Проблемы наледеведения[M].Но- восибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1991:5-23.

[25] Алексеев В Р.Вода и лёд в криосфере Земли -Фундаентальные проблемы изучения и использования воды и водные ресурсов[M].Иркутск:Ин-т географии СО РАН,2005:4-7.

[26] Алексеев В Р,ИванновА В.Криогенная метаморфизация природных вод и её рольв круговороде веществ [C].Докл.Ин-то географии Сибирии и Дальнеого Востока.Новосибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1976:31-40.

[27] Алексеев В Р,Сизиков А В.Динамическое особенностиналедей подземных вод Центрального Закайкалья -Наледи и наледные процессы в Восточной Сибирии[M].Иркутск：Ин-т географии СО РАН, 1976:88-97.

[28] Алексеев В Р, Фурман М М. Наледи и сток[M].Новосибирск: Наука. Сиб. отд- ние, 1976:118 .

[29] Букаев Н А. Основные закономерности режима гигантских наледей в верховьях р. Колымы— Наледи Сибири[M].Москва： Наука, 1969： 62-78.

[30] Соколов Б Л. Исследование закономерностей формирования наледей[M]. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1970:73-96.

[31] Соколов Б Л. Математическое описание процессов формирования и разрушения наледей[M].Обнинск: ВНИИГМИ, 1977:64.

[32] Соколов Б Л. Стокоформирующая роль наледей[J].Вод. ресурсы, 1986,( 1 ):3-14.

[33] Соколов Б Л. Гидрология наледей. Основные итоги и задачи исследований—Проблемы наледеведения[M]. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991：24-40.

[34] Башлаков Я К. К вопросу о формировании и абляции наледей в бассейне р. Чуй — Проблемы зимоведения(Вып. 4) [M]. Чита, 1972： 78-80.

[35] Рябов В К, Полин Ю К. Динамика развития наледей и инженерно-геологические условия на автомобильных дорогах Дальнего Востока в зимний период —Проблемы зимоведения[M]. Чита,1972：76-78.

[36] Алексеев В Р,Дзень П Ф. Динаика наледи подземных вод по данным ежедневных наблюдений-Проблемы наледеобразования[M]. Чита：Изд-во Чит. гос. техн. ун-та, 1973:104-107.

[37] Алексеев В Р,Фурман М М.Многолетния изменчивость пораметров Нижне-Инга- макитской наледи(Северное Забайкалье) Пробремы наледеоброзования[M]. Чита：Изд-во Чит. гос. техн. ун-та, 1973:98-102.

[38] Невский С Д. Методика количественной оценки наледей надмерзлотных вод —Проблемы наледеобразования[M].Чита, 1973：28-30.

[39] Федоров А М. Режим формирования наледей Аимо-Учурского междуречья—Региональные и тематические исследования[M].Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1975： 64-68.

[40] Алексеев В Р,Сизиков А В.Динамическое особенностиналедей подземных вод Центрального Закайкалья -Наледи и наледные процессы в Восточной Сибирии[M].Иркутск：Ин-т географии СО РАН, 1976:88-97.

[41] Казаков А П. Исследовгииие наледей на автомобильных дорогах Сибири —Наледи и наледные процессы в Восточной Сибири[M].Чита, 1976： 124-151.

[42] Климовский И В. К динамике наледного процесса в верховьях ледниковых долин(Инженерно-геологические и мерзлотные условия Дальнего Востока[M]. Хабаровск: Изд-во ХГТУ,1977: 51-55.

[43] Бойцов А В. Динамика образования средних по размеру наледей в Южной Якутии —Исследование наледей[M]. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1979：97-105.

[44] Бойцов А В. К вопросу о методике режимных наледных наблюдений—Методика гидрогеологических исследований криолитозоны[M]. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1983：91-96.

[45] Марков М Л.Внутри годовая динамика наледей подземных вод и методыеё расчета—Проблемы наледеведения[M] Новосибирск,Наука.Сиб .отдˉн и е,1991:103-116.

[46] Верхотуров А Г, Трифонова Н В, Кудрявцева И И. Некоторые закономерности распространения и формирования наледей в Забайкалье [C]. Докл. I науч.-техн. конф. Горного ин-та. Чита: Изд-во Чит. гос. техн. ун-та, 1998:51-53.

[47] Верхотуров А Г. Мониторинг опасных наледных процессов на территории Читинской области [C]. Докл. III науч.-техн. конф. Горного ин-та. Чита: Изд- во Чит. гос. техн. ун-та, 2000:148-150.

[48] Шестернев Д М, Верхотуров А Г.Наледи Забайкалья[M].Чита: Изд-во Чит. ун-та, 2006: 213.

[49] Алексеев В Р. Основные проблемы наледеведения-Проблемы наледеведения[M].Но- восибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1991:5-23.

[50] Шепелёв В В. Оценка наледного питания и надледного стока бассейнов рек Момы и Тихон-Юрях (притоки Индигирки) —Геокриологические и гидрогеологические исследования Сибири[M]. Якутск: Кн. изд-во, 1972： 187-189.

[51] Шепелёв В В. Оценка суффозионно-эрозионной деятельности источников Центральной Якутии [J]. Изв. вузов. Геология и разведка, 1972,(9)： 88-92.

[52] Шепелёв В В. Некоторые вопросы изучения режима и классификации наледей мерзлой зоны литосферы // Проблемы наледеобразования[M].Чита： Изд-во Чит. ун-та, 1973： 14-18.

[53] Шепелёв В В. Режим наледей Северо-Востока СССР—Проблемы наледеобразования[M].Чита：Изд-во Чит. ун-та, 1973：45-47.

[54] Шепелёв В В. Особенности разгрузки подземных вод мерзлой зоны—Вопросы гидрогеологии криолитозоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1975： 45-56.

[55] Шепелёв В В. О взаимосвязи озер и подземных вод на массивах развеваемых песков Центральной Якутии —Гидрогеологические условия мерзлой зоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1976： 46-59.

[56] Шепелёв В В. Перераспределение воды в промерзающих грубодисперсных горных породах и надледные явления —Гидрогеологические исследования криолитозоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1976：93-99.

[57] Шепелёв В В. Режим источника и наледи Мугур-Тарын в Центральной Якутии // Исследование наледей[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1979： 87-97.

[58] Румянцев Е А. Режим надмерзлотных вод Керакского наледного участка и связанные с ним особенности развития наледи — Мерзлотно-гидрогеотер- мичческие и гидрогеологические исследования на Востоке СССР[М]. Москва: Наука, 1967： 40-50.

[59] Румянцев Е А. Влияние мерзлотно-гидрогеологических условий на динамику грунтовых наледей —Наледи Сибири[М]. Москва:Наука, 1969：117-127.

[60] Пигузова В М, Шепелёв В В. Методика изучения наледей[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1975: 62.

Analysis of ice fountain of alpine region

Written 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)

Analysis of ice fountain of alpine region is important to study the frozen groundwater of cold region. Through the analysis of the ice fountain of alpine region. It points that: (1)The current study of forming conditions of the ice fountain of the frozen groundwater is not impressive enough; (2)The formation of ground ice fountain is affected at negative temperature factors, frozen factors, permafrost factors. (3)Through the analysis of the example: in the course of the upper valley of the formation of ground ice fountain, the formation of ice fountain having a double peak characteristics, it has the largest volume increase of two values; (4)Ice fountain only consists of water spring melt layer formed by the seasonal, but not participating in frozen layer on groundwater.

ice fountain; seasonal freeze and melt layer; region layer; alpine region

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)

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，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。

P641

A

2096-0506(2016)10-0018-06