融雪入渗特征参数确定方法梳理分析

齐 凡，孙颖娜，李 娜

(1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150086；2. 黑龙江大学寒区水文与水利工程中俄联合实验室，黑龙江 哈尔滨 150086)

融雪入渗是寒区代表性的水文循环过程之一，冻土是寒区典型的土壤。冻土渗透过程复杂，日间温度升高时积雪融化成雪水，一部分雪水向土壤中入渗，当温度降低时，融雪水变成固态冻结在土壤中，从而延迟融雪水的渗透[1-2]。国外对冻土的研究较早，学者们在20世纪70年代开始关注冻土[3]。我国冻融土壤入渗规律研究主要集中在融雪水分入渗和农业灌溉两方面。本文分析了前人的研究成果，以土壤含水量、冻土渗透系数、雪水当量、土壤温度、非闭合孔隙度等为特征参数，针对参数确定的方法进行梳理，旨在为以后的相关研究提供帮助。

1 主要特征参数的基本概念

渗透系数：多孔介质中的流体运动称为渗流，土壤的渗透性是指土壤输送水或其他流体的能力。表征土壤渗透的定量参数是渗透系数K。当水力梯度J=1时，渗透系数在数值上等于渗流速度。渗透系数表示土壤对不同流体的渗透性。

孔隙度：土壤由不同大小的固体颗粒组成，颗粒之间的空隙称为土壤孔隙，其大小以孔隙度为特征。孔隙度是土壤中孔隙体积与土壤固体体积之比。

含水量：土壤孔隙中水与土壤的比例。冻土中的含水量由冰含量和未冻水含量两部分组成。

雪水当量：雪完全融化时形成的水层的垂直深度。

2 寒冷地区水文模型中特征参数的确定

寒区水文模型对渗透率的需求较高。以天山北坡军塘湖流域的Kostiakov模型为例，渗透公式为：

k=cx-b

(1)

式中：k为下渗率，mm/min；c和b为比例系数；x为下渗时间,min。通过测量的大量数据，用Excel，SPSS等软件进行分析，将渗透量视为渗透时间的函数[4]。以回归分析方式进行模拟，选出一个确定性系数最高的回归模拟，可以得出c和b的值。

基于雪水当量与温度之间的正线性关系建立的度日模型是模拟积雪消融量的有效工具。21世纪初，根据HBV水文模型的基本原理，康尔泗等人将中国西部山区分水岭划分为高山冰雪冻土带和山区植被带，建立了高寒地区的水文模型[5]。该模型的融雪量采用度日因子法进行计算，模型的输入为月气温和降水量,输出为径流，模型应用于河西走廊地区并成功预测径流。SRM融雪径流模型是一个以融雪为主的水文模型，用于模拟和预测山区流域的径流。它是一个基于物理的概念性分布式水文模型，融雪量采用度日因子法换算。陈仁升等在黑河干流流域建立了一个DWHC模型, 该模型考虑了冻土水热耦合问题，也采用度日因子法解决季节性积雪融化模型问题。度日因子法的基本假设是融雪量与温度之间存在显著的正线性关系，借助经验参数模拟温度和融雪量之间的关系[6]。这个概念最初由Finsterwalder提出，用于研究阿尔卑斯山的冰川变化。在诸多研究中，度日因子法的一般形式是：

M=DDF·PDD

(2)

式中:M为融雪量,mm；DDF为度日因子,mm/(℃·d)；PDD为某一时段内的正积温,℃。

3 原位方法确定特征参数

原位测定方法一定程度上能反映数据的精确度和可靠度，融雪入渗研究常用的野外或原位测定方法有以下几种：

(1)双环渗水实验测量下渗量。测量土壤入渗的方法很多，双环渗透法是最典型和应用最广泛的方法。然而应用于存在季节性冻土的寒区时，需要在秋季预埋，以便于冬季和冻融期的测量[7]。

在实验过程中，将水加入内圈和内圈与外圈之间的环形部分，使两部分的水位保持在10 cm，并分别记录不同时间间隔的渗水量。外圈和内圈之间的渗水抑制了内圈渗水的横向运动，因此环形部分的渗透相关参数更接近实际。通过内环测量不同间隔的渗水量作为下一步计算的数据。根据达西定律，使用双环渗漏，水深约5 cm，环中的水头为10 cm。当时间长且稳定时，水力梯度J≈1(实际上略大于1)，则：

(3)

式中：Q为稳定渗流量，m3/min；A为双环内径面积，m2；V为渗透速度，m/min；K为渗透系数，m/min。渗透速度约等于渗透系数。

(2)电子地温计测量地温。采用锤击式原状取土钻为测温载体，土壤温度用电子地温计测量，一般取50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、250 cm、300 cm深度的土壤测量。

(3)土壤传感器监测土壤含水量和温度。TDR(时域反射仪)法是一种测量土壤湿度的方法，出现于20世纪80年代。TDR是一种类似于雷达系统的具有很强独立性的系统，其结果基本上与土壤类型、密度和温度无关。TDR可以在结冰条件下测量土壤水分，这一点很重要，非常适合测定寒区土壤特征参数。此外，TDR可同时监测土壤水分和盐分含量。

电阻法利用石膏、尼龙、玻璃纤维等的电阻与其含水量的关系设计而成。当这些中间体与电极一起放在潮湿的土壤中时，一段时间后，这些物质的含水量是平衡的。先前设定的电阻与含水量之间存在一定的对应关系，然后可以借助这些组件获得100～1500 kPa大气压吸入范围内的水分读数。

中子法适用于确定田间土壤水分。它的设计原理是氢迅速降低快中子的速度并使其散射。中子水分计有许多优点，但它对于有机土壤有相当大的限制，不适合测量0～15 cm的土壤含水量。

与中子水分计类似，γ射线透射方法使用放射源137 Cs发射γ射线，探测器接收通过土壤传输的γ射线的能量，计算转换后得到土壤含水量。

如今，随着技术和精度的提高，土壤水分传感器越来越多，越来越常见，常见的有插针式土壤水分传感器、“中国管”土壤水分传感器等。

(4)染色示踪法测融雪入渗深度。染色示踪剂是研究融雪水在土壤中迁移的主要方法之一。含有染色剂的融雪水流入地下，由于示踪剂的作用，被融雪水渗透的土壤被染成不同的颜色。以这种方式，可以清楚且直观地观察土壤中融雪水运移的轨迹[8]。根据染色剂的染色机理，染色剂通常分为两种类型：一种是直接给土壤着色的染色剂，如亮蓝色和亚甲蓝色。这类染色剂易于使用，易于掌握，但由于土壤的黏性作用，染色剂保留在土壤层中，因此染色剂的轨迹滞后于融雪水的运动；另一种是不能直接显示颜色，必须与显色剂反应以使颜色可视化的着色剂，例如碘离子。尽管着色剂需要与显色剂反应，比第一种更复杂，但是渗透能力相对较强，并且土壤的黏性力所造成的影响较小。因此，更适合观察土壤水分在较高黏性土壤中的渗透。实验需在实验地降雪之前选取一定面积的站点均匀抛洒染色剂并记录地点。在积雪完全融化后，选择挖土的时间挖掘土壤并用测量工具测量渗透深度。

4 室内方法确定特征参数

野外实验受气候、下垫面、温度等条件影响较大，有时导致误差较大或者实验无法进行，这时需要设计室内实验来满足研究所需要的参数要求[9]。

土壤含水量通常通过烘干法测量。将试样放入温度105～110 ℃的烘干箱中，水分完全蒸发后，测量对比试样烘干前后重量。

实验室采用饱液法测量非闭合孔隙度。以密度与粒径为主要控制指标制备试验土样，放于装置内，进行配水-冻结制得特定含水量的稳定冻结试验土柱。土柱制备好后，对其进行饱液，直到当测试液体溢出土壤柱的上表面时，停止饱液，记录已填充液体体积。该体积是冻土中的非闭孔体积，土壤样品中非闭孔体积与土壤颗粒体积的比值是孔隙度。其中，值得注意的是测试液体的选取问题。

另外，TST-70渗透仪也是室内测量的有效工具[10]。针对寒区土壤特性需要对实验进行改进，选用30%乙二醇溶液作为常水头渗透实验的测试液体。因为该惰性液体凝固点低，测试温度为-7.5 ℃时不会冻结。可取土或按照研究区土壤特性配置土样。计算方法同样根据达西定律，不做赘述。

5 结论与展望

寒区本身的恶劣环境、经济滞后、研究人员的稀缺，以及复杂的地下水运动，导致使用常规方法进行的研究不会产生十分合理和令人满意的结果。

原位实验与室内实验的拟合有时存在误差。由于环境、气候、人员、运输和其他条件，现场实验的数量与测量设备、测试方法和监测项目中的室内测试有显著差异。在安装和校准仪器方面，有时在实际生产操作中不能保证科学研究所需的精确度和操作程序。

实验研究追求测试数据的单点精度，但对指导实际生产的意义不大，因为研究目标的规模远大于测试点。而水分在土壤中也不是高度均匀的。只有具有稳定输出、有历史数据可比性和足够大的平均体积的数据才可用。

在实验方法和仪器中，应引用更先进的仪器和技术。单一的一维流研究非常有限，3S技术也应用到对寒区水分运移方向的研究上来，更好的描述二维、三维流研究也是待解决的问题；另外，随着实验的复杂性和精确性的发展，根据研究区的特殊条件设计和改进实验装置也将发挥更加有效和实用的作用，从而弥补直接引用其他地区的实验装置而存在不适应当地情况的不足。