对于寒区冻土水文特性与地下水补给研究

李智博

【摘要】我国的寒区冻土大多呈现出季节性的变化特点，因此，在研究过程中要将季节变化充分考虑进去。本文首先针对季节性寒区冻土的水文特性展开分析，在此基础上又得出其对地下水补给产生了一定的影响。

【关键词】寒区冻土；水文特性；地下水的补给

我国的北部地区是主要的寒区冻土地带，而且高原地带居多，这些地区在一年中的多数时间都非常寒冷，冰雪覆盖，土壤被冻结，甚至在有些地区出现了永久性的冰冻情况，基于此，对于寒区冻土水文特性以及地下水补给的研究显得尤为必要。

一、对寒区冻土水文特性的研究

1 季节性冻土对水文特性产生影响

积雪和冻土改变了包气带厚度，而包气带关系到水、热、盐的耦合作用，由于冻土的季节性变化，水、热、盐均发生相应的变化，在三者的耦合作用下，它们的迁移互相受到影响，从而导致冻土的容水性质、持水性质、给水性质、透水性质、含冰性质发生改变，通过对这五个参数进行分析能够准确得出冻土的季节性对水文产生的影响。

2 冻土增加了土壤含水量

由于在不稳定冻结期，土壤渗透作用较强，因此，雨雪大量渗透；稳定冻结期，冻结的土壤渗透能力明显下降，而且由于冰冻导致其对水分的蒸发作用减弱，从而使水分能够长期存在于土壤中；在不稳定融化期和稳定融化期，冰雪的大量融化使土壤水分得到供给，防止了春季干旱现象的发生，另外，由于冻土融化后土壤较松散，因此其渗透作用相对较强，有利于融水的渗入。

此外，土壤的含水率还与起始土壤含水率和潜水蒸发率等有关，下面通过数学表达式对其加以分析。

其中，g（t）是渗水率；h（t）是深层渗水率；k（t）为相对于深层的表面径流率；m（t）为水分蒸发率；n（t）为潜水蒸发补给率。

其中， Q为土壤的含水变化量；G为土壤的渗水量；H为土壤的深层渗水量；K是相对于深层的表面径流量；M是水分的蒸发量；N是潜水蒸发补给量。

由于冻结期H、K、M都非常小，近似可以忽略，所以该时期土壤的含水变化量为 Q=G+N。

在不稳定冻结期，土壤有一部分渗水量，因此，G>0；在整个冻结期，潜水蒸发对于上层土壤有一定的补给作用，因此，N>0，由此可知 Q>0，即在整个冻结期内，土壤的含水量有所增加。

在融化期，潜水蒸发补给基本停止，即N=0；又由于不稳定融冻使得较深冻土层存在大量的冰晶，所以土壤的深层渗水量也很少， H=0，该时期的土壤含水量变化为 Q=G-K-M。

由于融化期的气温较低，所以蒸发速度较慢；降雨或者融化后的水还有很大一部分存在于冻土层，因而表面经流减少，所以土壤含水量增加。

3 冻土使土壤的蒸发能力有所降低

首先，在土壤冻结的情况下，毛细管被小冰晶堵住，从而使其对水分的输送能力产生遏制作用，而水分的蒸发主要发生在表面，因此，土壤的蒸发相当微弱。

其次，虽然融化期气温有所提升，但是总体来讲还不能大幅度改变土壤原来的蒸发状态，我们知道，低温条件不利于水分的蒸发，因此，土壤的蒸发能力依然有限。

再次，在融化期，冰雪要发生大量的融化，而融化吸热，这就使本来温度不高的土壤大幅度降温，甚至达到了冰点以下的温度产生冻结现象，抑制了土壤的蒸发能力。

4 冻土降低了土壤的入渗能力

在冻结期，土壤的冻结正处于由上到下的延伸阶段，因此，包气带的厚度就会减小，大气水与地表水以及地下水之间的转换能力也随之降低，从而导致土壤的渗水能力有所下降；在不稳定融化期，冻土主要集中在地表附近，包气带的厚度达到最小，相应的，降雨或融雪的入渗能力处于最低状态，这就是初春北方地区土地存在大量积水的原因；随着天气的逐渐转暖，冻土由上到下融化，包气带的厚度随之增加，大气水、地表水、地下水之间的循环得到加强，促进了雨水和融雪的渗透；当冻土完全融化时，包气带的厚度会在某一时间内达到最大，这使得雨水的渗透能力也达到最大。

二、寒区冻土对地下水补给产生影响的研究

1 在冻结期，温度会有大幅度的降低，这使得温度势较高，在温度势的作用下，土壤的重力水、毛管水、潜水蒸发之后遇冷液化的水都会上升，当达到冻结锋面处的时候，就会冻结成冰，透水能力微乎其微，因而，地下水难以通过降雨得到补给，从这一方面来看地下水的补给已经非常少。

另外，在冻结期，河渠等也会结冰，流动的水很少，而此时地下水主要通过侧向径流补给或跨越流域补给，所以从这一方面看，冻结期地下水的补给也很少。

2 融化期地下水的補给受到影响

根据之前的分析，在不稳定融化期，土壤的渗水能力很弱，几乎无法实现通过降雨或者融雪的补给，地下水的补给方式主要还是通过湖渠等的侧向补给或者跨流域补给，然而，这种补给方式也并非收到很好的效果。在不稳定融化期，湖渠的侧向处于冻土状态，形成了不透水层，从而导致其对于水的渗透能力甚微，地下水难以得到补给；在完全融化期，虽然冻土已经完全融化，但是地表水已经很少，对于地下水的补给作用相当微弱。

结束语：

由于我国的寒区冻土存在着季节性的变化，因此表现出很多特点，在寒区冻土的诸多优势作用下，我们也应该清醒地认识到其缺点，最主要的就是寒区冻土降低了地下水的补给效果，希望以后能加强相关领域的研究，使其不断完善。

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