春季土壤融冻期地下水系统的均衡分析——以哈尔滨市为例

李治军，臧珊珊，胡仁强

(1.黑龙江大学 水利电力学院， 黑龙江 哈尔滨 150080; 2.黑龙江大学寒区地下水研究所， 黑龙江 哈尔滨 150080 3.黑龙江省三北水利科技开发公司，黑龙江 哈尔滨 150080)

冻土是指在负温条件下含有固态冰的土壤和岩石，季节性冻土区存在着周期性的冻结和融化过程。据可靠调查，我国绝大多数灌区的冬灌和春灌都是在土壤融冻期进行的[1-3]。冻土的冻融过程在极大程度上影响了地下水的补给、径流以及排泄方式，而冻土层作为一种特殊的隔水层或弱透水层，它的存在也直接影响了寒区的地表径流和水系模式，对寒区地下水系统的分布、盐分迁移以及地下水的循环方式都有着极其重要的影响[4-8]。

地表水补给地下水是地下水的重要来源之一，春季土壤的融化使地表水分增加，冻土层下融化的土壤超过了自身的持水度，开始大量释水，从而导致地下水位的升高。所以，对春季冻融条件下地下水系统的均衡分析，对于春季的防汛减灾、春灌的合理安排以及地下水污染的防治具有重要的现实意义[9-12]。

1 冻融作用下影响地下水系统变化的主要因素

1.1 冻土层结构变化

在土壤冻融过程中，土壤自身的物理性质会发生较大变化，其最主要的是温度、湿度及土壤孔隙度的变化，土层经过冻融作用后，温度升高，土壤湿度加大[13-16]。另外，在冻土层融化后，土壤孔隙度变大，增加了地表水的入渗补给，也为融雪水的入渗提供了便利条件。

1.2 春季降雨及融雪水入渗

我国东北部地区属于温带季风性气候，存在季节性周期变化，冬季降雪会在地表面形成积雪层。春季气温升高导致积雪融化，使融雪水渗入土壤，增加土壤水分含量并间接影响土壤蒸发量，改变非饱和带土壤水分的收支平衡。徐斅祖、邓友生等在变化的气候下河流运动与积雪覆盖之间的关系中得出春季融雪期地表径流受积雪融化的影响较大，并且影响河流的循环以及范围[17-20]。

春季降雨也是地下水补给的重要来源，大气降水落到地面后，地表温度升高，加快冻土层融化速度，使土壤空隙度变大。另外，降雨形成的地表径流一部分水量滞留于土壤的包气带中，通过入渗转化为地下水[21-22]。

2 地下水系统的均衡分析

地下水系统的计算方法通常为均衡法，这种计算方法首先要确定均衡区和均衡期。均衡区是一个完整的地下水系统，在计算中最好将潜水、承压水和上层滞水分开考虑。均衡期是指确定的时间段，均衡期的开始时间和结束时间要根据计算的要求和目的进行选定[23]。

地下水均衡在于补给Q补、排泄Q排的动态平衡，支撑着相关水文系统和生态系统的正常运行。春季融冻期地下水补给的来源主要有大气降水入渗Q降水、春季融雪水入渗Q融雪水、地表水补给Q表补、含水层侧向径流补给Q侧补，以及深层含水层越流补给浅层含水层Q深补；排泄项主要包括潜水蒸发Q蒸发、地下水补给地表水Q表排、含水层侧向径流排泄Q侧排、浅层含水层越流补给深层含水层Q越排，以及人工开采地下水Q开采等[24-26]。

2.1 均衡方程

均衡计算的主要依据为均衡方程如式(1)所示：

(Q补-Q排)Δt=ΔQ

[(Q降水+Q融雪水+Q表补+Q侧补+Q深补)-

(Q蒸发+Q表排+Q侧排+Q越排+Q开采)]Δt=μΔhF

(1)

式中：μ为给水度；Δt为计算时间段，d；Δh为时段内的浅层水位变化值,m；F为计算区面积,m2。

2.2 均衡要素

2.2.1 地下水补给量

(1)降水入渗/融雪水入渗，是指大气降水或积雪融化后的水入渗到土壤包气带中，并在重力作用下补给地下水，计算公式如式(2)所示：

Q降水(Q融雪水)=αFP

(2)

式中：α为平均降水入渗系数；F为接受大气降水入渗补给的计算面积,m2;P为时段平均降水量,m/d。

(2)地表水补给地下水量、含水层侧向径流补给量以及深层含水层越流补给浅层含水层量的计算公式为达西公式，而且不同岩性的含水层应按照不同渗透系数K进行,计算如公式(3)、式(4)所示。

Q表补(Q侧补)=KIF

(3)

(4)

式中：K为含水层渗透系数,m/d；I为地下水水力坡度；M为天然情况下地下水含水层厚度，m；H2-H1为两个含水层之间的水头差，m；F为越流的过水断面面积，m2。

2.2.2 地下水排泄量

(1)潜水蒸发是地下水主要的排泄方式之一，也是占总排泄量比例最高的排泄方式，在计算过程中应注意极限蒸发埋深的取值，如式(5)所示：

Q蒸发=FC

(5)

式中：F为埋深小于极限蒸发深度的计算面积，m2；C为潜水蒸发强度，m/d。

(2)地下水补给地表水量Q表排、含水层侧向径流排泄量Q侧排，计算方法同补给量计算式(3)，浅层含水层越流补给深层含水层量Q越排。其计算方法同补给量式(4)计算方法。

3 参数确定及计算成果

3.1 计算参数的确定

计算参数主要有降水入渗系数、渗透系数以及给水度。降水入渗系数是指大气降水入渗补给地下水的水量与降水量的比值；渗透系数是指水力坡度等于1时的渗透速度；给水度是指土壤在重力作用下释出的水的体积。根据黑龙江省《地下水资源开发利用规划工作技术规则》给出的参考值进行深度分析，确定各参数的取值，降水入渗系数取值参考表1，渗透系数和给水度的取值参考表2。

表1 不同岩性不同水位埋深降水入渗系数取值

表2 不同岩性土渗透系数、给水度取值

计算区域属于亚黏土，故降水入渗系数为0.10，土壤渗透系数为0.003 m/d，给水度为0.002。

3.2 均衡计算

本项研究的研究区为哈尔滨市松北区的腰堡灌区，该灌区地处松花江与呼兰河漫滩区，总面积约38 km2，含水层厚度约20 m。该地区地质多为白色砂、砾砂层及黑灰色淤泥质黏土层，气象特征为中温带季风气候区，冬季严寒干燥；春季湿度小，蒸发量大，年内温差较大。地下水位值变化明显，故根据地下水等水位线图的划分，各均衡区以分区边界作为计算断面计算水力坡度I，本次分析将该地区分为五个时间段分别进行计算，各时间段划分见表3，其均衡期为15 d[27-28],而均衡期内每天的降水(融雪水)入渗量以及其他补给量(排泄量)的值见表4和表5。

表3 均衡分期

表4 降水(融雪水)入渗量计算

表5 其他补给量(排泄量)计算 m3·d-1

3.3 均衡方程验证

根据公式(1)对均衡期内的均衡量进行验证分析，通过实验观测可知，不同时期内的浅层水位变化值分别为-2.10 m、-1.90 m、-0.32 m、0.23 m、1.10 m，给水度μ为0.002，分别按照均衡期15 d的总补给、排泄量之差以及ΔQ=μΔhF进行计算和对照，其计算结果见表6。

表6 地下水系统均衡计算

根据计算结果可知，总补给、排泄量之差和ΔQ=μΔhF计算数值差异不大，双向验证了均衡方程的准确性，同时也表明在春季土壤融冻初期融雪水量不大时，其均衡量为负值，说明此阶段补给量小于排泄量，地下水资源量减少；在融冻期中期融雪水量逐渐增加时，地下水补给量也随之增加，到了融冻期后期，随着融雪水量的大幅度增加，其计算结果为逐渐增大的正值，说明此阶段补给量大于排泄量，地下水资源量增加。

4 结 论

本次分析主要是依据季节性冻土区春季融冻作用对地下水资源的影响进行探究，春季大气降雨和融雪水入渗是地下水资源量增加的主要因素，根据哈尔滨市松北区的腰堡灌区的水文地质因素和气象因数的分析，将该地区划分五个时间段的水资源系统进行均衡分析，其均衡期为15 d。本文通过对于均衡期地下水总补给量和总排泄量的计算，双向验证均衡方程的准确性，其计算结果也表明春季一、二月份时，地下水排泄量大于补给量，地下水资源量减少，但是从二月下旬开始至三月下旬，由于气温回升导致冻土冻融以及积雪融化，地下水系统的补给量大于排泄量，地下水资源量增加，为春季地下水资源评价提供科学依据。