大兴安岭松岭区冻土发育过程线绘制与分析

吴雨恒, 戴长雷，王 帝

(1．黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2．黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；3. 吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

高寒区是指由于海拔高或者因为纬度高而形成的特别寒冷的气候区[1]。我国青藏及东北部分地区都属于高寒区[2]，高寒区冻土发育研究涉及农业、工程和科研等多个方面。农业，林业对于冻土发育需求较为明显，例如农业生产中，对冻土进行严格把控，防止低温对农作物造成危害[3]。工程上，冻土区开挖隧道，采矿等诸多行业都需要对冻土进行实时监测。科研中，单个因素的数据对于研究作用不大，但如果通过冻土发育曲线将两个或多个数据结合生成图像，这便使冻土发育变化在这段时间内直观地呈现出来，对于冻土科学研究有着重要意义。

在对高寒区冻土进行研究分析时，经常可以通过试验或者数据收集获得一些变量的试验值，例如温度，含水率等，根据不同变量的不同试验值可以绘制出变量之间的关系曲线，按照常规方式，数据接收服务器上零散存储大量数据，需要经过手动下载后按照不同时间、类别进行合并，下载及合并数据工作量较大且极易出错。图线绘制时，人工绘制同样也费时费力。

冻土发育过程是指土壤由于低温冻结到消融的一整个周期。而冻土发育过程线具有清晰的反应冻土变化的特点，因此在研究冻土发育过程中有着重要的意义。冻土发育过程往往会涉及多种监测数据，人工进行大量数据的处理往往费时费力，因此，为了更加快速、准确、高效地汇总、处理数据，基于Excel对高寒区冻土发育过程进行曲线绘制，由于Excel具有较好的开放性、共享性及易操作性[4]，高寒区冻土发育过程线的绘制可以清晰的反应出更好地满足科研要求。

1 试验数据采集

本研究所采用的装置为黑龙江大学寒区地下水研究所的寒区低温地温自动检测仪器。仪器分别架设在黑龙江省哈尔滨市南岗区，大兴安岭地区洛古河村，大兴安岭地区松岭区。通过远程接收Excel表格数据，仪器分别在0时，3时，6时，9时，12时，15时，18时，21时分别对地温进行监测。监测仪器单条地温链有21个测温探头，将单条地温链所测数据进行加权平均得出地温日均值。现选取2019年12月10日大兴安岭松岭区监测点单个地温链测得的数据进行列表，见表1。

表1 大兴安岭松岭区地温监测点数据计算表(2019年12月10日) ℃

选取该天这8个时段的0 ℃处深度，如果没有准确0 ℃时埋深，则需要找到该时段内正负温度变化区间记录冻结深度[5]，通过内插法计算出0 ℃时埋深。经过Microsoft office Excel 2019表格中计算结果如下：

表1中显示0 ℃出现在探头14(100 cm)及15(120 cm)之间，由内插法可求得0 ℃处地下埋深H0 ℃由公式(1)计算可得：

(1)

经计算H0 ℃=112.35 cm。同理，可以求出其余0 ℃点处深度，结果见表2～表3。

2 冻土发育过程线的绘制与分析

由实测数据利用Excel自动生成冻土发育过程曲线，见图1。由表2～表3及图1可总结如下：大兴安岭松岭区监测点土壤于2019年11月2日起开始冻结，至2020年5月29日完全解冻，冻土存在时间为210 d，研究区域冻土于2020年3月25日达到最大冻结深度232.85 cm，在此之前，冻土日均冻结速率为1.61 cm/d，最大日均冻结速率11.25 cm/d，最小日均冻结速率-4.63 cm/d。

图1 大兴安岭松岭区监测点冻土发育过程线

表2 大兴安岭松岭区监测点0 ℃冻深计算表(2019年11月2—12日与2020年3月15—25日)

表3 大兴安岭松岭区监测点0 ℃冻深计算表(2020年05月19—29日)

分析数据及图像表明，仪器可在高纬度寒区正常工作，利用Excel处理数据及生成图像可行。根据实测数据可将冻土生消过程分为初冻期、冻结期、稳定冻结期和融化期4个阶段[6]。冻土冻结受地表温度影响较大[7]，最大日均冻结速率及最小日均冻结速率均发生在冻土发育初期，随着冻结深度增加，土层温度变化与地表温度变化的相关性越小。季节性冻土冻结期间是从地表开始逐渐向下单方向冻结，融化时则是有地面表层及冻土冻结最深处两个方向同时进行，直到某一深度冻土完全融化，大兴安岭地区松岭区在2020年3月下旬之前，冻土厚度逐渐增加，之后便逐渐减小，由表中数据可以看出，在2020年5月29日时曲线交汇，冻土完全融化。

3 结 论

(1)黑龙江大学寒区地下水研究所的寒区低温自动监测装置可以在大兴安岭松岭区良好运行，观测数据可靠。

(2)本研究对大兴安岭松岭区监测点进行实时监测，2019年11月2日起开始冻结，至2020年5月29日完全解冻，冻土存在时间为210 d，研究区域冻土于2020年3月25日达到最大冻结深度232.85 cm，冻土日均冻结速率为1.61 cm/d，最大日均冻结速率11.25 cm/d，最小日均冻结速率-4.63 cm/d。

(3)由观测数据可知，最大日均冻结速率及最小日均冻结速率均发生在冻土发育初期，冻土冻结初期受地表温度影响较大，随着冻结深度增加，土层温度变化与地表温度变化的相关性越小。

(4)使用电脑采集数据，可以使得数据采集工作变得快速且高效，Excel有强大的处理数据及作图功能，使得繁琐的数据处理过程变得简单易操作。冻土发育过程线绘制的核心需求是基本数据下载、数据库整合、冻土过程线绘制三方面，而最需要自动化研究的两部分是数据库整合和曲线绘制。数据下载的运行算法较为简单，但如果日常下载数据频繁，Excel需要大量人力，它的弊端就会显现出来，但如果将此功能集成到软件框架中，可以为用户带来操作上的便利，且有利于功能的扩展。在曲线绘制方面，也可解决单一依赖于Excel的现状，可以由用户简单输入日期、监测地点自动筛选，导入数据并按照需求自动生成。之后可对此类软件进行开发，实现寒区水利与计算机技术结合，提高效率，满足不同用户的需求。