布哈河流域土壤冻结对入渗影响研究

王冠楠，甘永德，魏加华，李润杰，吴玉帅，郑丽萍

(青海大学水利电力学院，青海 西宁 810016)

土壤的入渗产流过程是水文循环过程中的重要组成部分，降水入渗直接影响地面的产流过程以及地表产流量，因此对于入渗产流机理的研究是水文循环的一个关键内容[1]。布哈河流域是青海湖流域境内最大的子流域，该流域是典型的高原半干旱气候，气温日较差较大，区域内多风，夏季秋季多以东南风为主，冬春季以西风为主，其流域面积约1.5 万km2，海拔为3 185～5 229 m，土壤组成多为栗钙土和黑钙土，季节性冻土和永久性冻土在流域内广泛分布[2-3]。流域内海拔4 000 m以上,为终年冰雪覆盖，是青海湖最重要的径流补给河流，对其流域土壤入渗模拟进行研究，对青海湖生态安全有重要意义[4]。

在季节性冻土和多年冻土区随着气温的周期性变化而导致地表土层反复冻结融化的过程称为冻融过程[5]。土壤冻结会导致土壤中发生复杂的水热迁移变化，改变土壤结构和水力特征[6]。土壤含水率的变化影响土壤的热特性参数，同时土壤温度梯度的存在会改变土壤渗透系数、土壤水分特征参数、以及影响土壤水分迁移[7-8]。土壤的冻融过程与土壤含水量密切相关，而含水量的变化又会影响土壤的渗水性能[9]。土壤中冰的形成，改变了水分在土壤中的入渗率，而冰的形成又与土壤的性质、环境温度、以及土壤初始含水量有关，所以不同结冰状态下的土壤导水率也有所不同[10-12]。综上所述，由于冻结土壤中冰晶的存在改变了非冻结土壤条件下的水力特征和土壤结构，使得在季节性和永久性冻土区域形成了特殊入渗产流模式[13]。

土壤的入渗过程可以用土壤的入渗强度进行描述，土壤的入渗强度主要由两个方面决定，即土壤的水分供应条件和土壤的渗水性能[14-15]。目前对土壤入渗理论的研究主要分为非饱和下渗理论和饱和下渗理论。对于冻结土壤入渗研究，前人多是考虑土壤整体冻融阶段温度变化对于土壤入渗产流的影响，没有考虑不同土壤初始含水量对于冻结土壤入渗的影响。通过控制土壤含水量和温度作为变量，模拟积水定水头垂向一维均质冻结土壤入渗试验时，发现影响均质冻结土壤入渗除去温度因素外，土壤初始含水量也是需要考虑的因素，因此本研究在冻结条件下进行了不同初始含水量均质土壤入渗试验，以分析其对土壤入渗的影响。通过分析不同初始温度及不同初始含水量的冻结土壤入渗规律，可以为构建冻融条件下土壤入渗产流模型提供基础理论支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

首先测定布哈河流域典型土壤剖面，用环刀法取得原状土壤样品(100 cm3)，并在室内测定土壤水分特征参数，包括干容重及饱和体积含水量等。再在采样区取得土壤，带回实验室，土壤经风干过筛(4 mm)后备用。用烘干法测定其初始体积含水量，定水头法测定饱和导水率，采用离心机法测定土壤水分特征曲线，并用van Genuchten模型拟合(表1)，吸管法测定土壤颗粒组成。试验土样物理性质如表2所示。试验所用水样取自西宁市地表淡水。

表1 栗钙土van Genuchten模型参数

表2 试验土样物理性质

1.2 试验设计

冻结土壤入渗试验采用垂直土柱法进行垂向一维积水入渗试验。根据野外Em50土壤水分温度传感器探测数据得到布哈河流域年内土壤负温的变化区间为0～-7 ℃，因此室内模拟冻结土壤温度变化设置为0、-5、-10 ℃。试验装置由土柱，恒温箱，马氏瓶和数据采集器构成。由于恒温箱温度较低，土壤冻融试验过程中，为防止土柱损坏，试验所用土柱材质为不锈钢。试验首先在土柱底部装填5 cm砂石，然后在砂石上面铺设纱网，最后再将均质风干过筛后的土壤以野外同等容重(干容重为1.25 g/cm3)分层(各层厚度为10 cm)均匀装入直径为28 cm、高40 cm的不锈钢材质土柱中(土柱高30 cm)，试验装置见图1。在土柱5、15、25 cm处埋处设Em50土壤水分温度传感器(Em50-5、Em50-15、Em50-25)，以便测定土柱0～10、10～20和20～30 cm处土壤含水量和温度。试验用马氏瓶恒压供水(水头高度 2 cm)。在试验过程中测定马氏瓶读数和土柱内积水深度，计算得到时段内冻结土壤的累积入渗量。Em50探头每隔5 min记录冻结土壤在入渗试验时段内的含水率及温度变化。设定不同初始温度(0、-5、-10 ℃)相同初始含水量土样及不同初始含水量(0.1、0.20、0.3 cm3/cm3)相同初始温度土样进行入渗试验，每组不同含水量以及温度试验设置3个重复，取平均值。每组试验时间固定在4 h。

图1 试验装置图Fig.1 Experiment device diagram

试验开始前，首先将配置好的不同体积含水量(0.1、0.2、0.3 cm3/cm3)的土柱放入恒温箱，待土壤温度达到预设温度(0、-5、-10 ℃)且恒定后，进行入渗试验。由于在较短试验(4 h)条件下，野外土壤温度不会有大幅度波动，为控制变量，室内试验进行期间，土柱周围温度同样保持恒定，即土柱温度恒定时所设定的周围环境温度。

2 结果与分析

2.1 冻结土壤累积入渗量随入渗时间的变化

2.1.1 初始含水量相同时冻结土壤累积入渗量随时间的变化 相同初始含水量的冻结土壤在不同温度(0、-5、-10 ℃)条件下累积入渗量随时间变化过程见图2。从图中可以看出，土壤累积入渗量随入渗时间的延长单调增加，在同一初始含水量的条件下，相同入渗时间内，冻结土壤温度为0 ℃时，土壤累积入渗量最大；冻结土壤温度为-5 ℃时次之；冻结土壤温度为-10 ℃时，土壤累积入渗量最小。研究结果说明,冻结条件下土壤的温度影响土壤的累积入渗量，冻结土壤的累积入渗量随温度升高而增加，即冻结土壤初始温度越低，土壤累积入渗量越小。

图2 相同初始含水量土样在不同温度条件下累积入渗量随时间的变化Fig.2 Variation of cumulative infiltration with time at different temperatures of soil samples with the same initial water content

2.1.2 同一温度条件下冻结土壤累积入渗量随时间的变化 同一温度的冻结土壤在不同初始含水量(0.1、0.2、0.3 cm3/cm3，冻结土壤对应饱和度分别为21%、42%、64%)条件下累积入渗量随时间的变化过程见图3。

图3 同一温度的冻结土壤在不同初始含水量的条件下累积入渗量随时间的变化Fig.3 Variation of cumulative infiltration with time under the different initial water content of frozen soil at the same temperature

从图中可以看出，土壤累积入渗量随入渗时间的增大而增加，在同一温度条件下，相同入渗时间内，初始含水量为0.1 cm3/cm3时，土壤累积入渗量最大；初始含水量为0.2 cm3/cm3时次之；初始含水量为0.3 cm3/cm3条件下的土壤累积入渗量最小。产生这种现象的原因一方面是因为土壤的入渗能力与土壤含水量有关，另一方面是因为土壤孔隙内液态水转化为固态冰，冰晶的存在阻碍土壤入渗，导致土壤累积入渗量就越小。试验结果说明冻结条件下，土壤的初始含水量影响土壤的累积入渗量，相同负温条件下，冻结土壤初始含水量越低，土壤的累积入渗量越大。

2.2 冻结土壤入渗率随入渗时间的变化

同一温度的冻结土壤在不同初始含水量(0.1、0.2、0.3 cm3/cm3)的条件下入渗率随时间的变化过程见图4。从图中可以看出，与相同含水量15 ℃条件下土壤入渗率相比，0、-5、-10 ℃的冻结土壤入渗率随入渗时间的增大呈先增加后降低的过程。从变化趋势上看，在同一温度条件下，相同入渗时间内，初始含水量为0.3 cm3/cm3时，土壤入渗率最小；初始含水量为0.1 cm3/cm3和0.2 cm3/cm3时，土壤入渗率数值大小相差不大且变化趋势相似。研究结果说明,冻结土壤的入渗率与土壤温度和土壤含水量有关。

图4 冻结土壤入渗率随时间变化曲线图Fig.4 Infiltration rate of frozen soil with time

2.3 剖面含水量随深度的变化

试验末时刻，同一温度下，不同初始含水量的冻结土壤体积含水量及体积含冰量随深度变化对比的剖面曲线图见图5。由于在土壤表面积水入渗且积水层未结冰，因此在试验末时刻土壤表层含水量为饱和含水率，含冰量为0。从图中可以看出，在深度为10 cm处，相同初始负温条件下初始含水量高的冻结土壤，未冻水的含量较低；与体积含水量相反，初始含水量越高的冻结土壤，体积含冰量越高；当深度为10～20 cm时，土壤含水量随深度增加而减少，且初始含水量越低，土壤含水量增加的趋势越大，初始负温越低，土壤含水量增加的趋势也随之减缓；当深度为20～30 cm时，冻结土壤的湿润峰深度未达到20 cm，因此土壤体积含水量与体积含冰量较试验初始时刻几乎无变化。随试验时间延长，冻结土壤体积含冰量随深度增加的趋势越大，体积含水量增加的趋势越小。土壤剖面含水量随初始试验负温升高呈增加趋势，温度越低，增加趋势越慢；体积含水量的变化与体积含冰量的变化相反，即体积含冰量随深度增加的趋势越大，体积含水量增加的趋势越小。

图5 土壤体积含水量及体积含冰量随深度变化剖面图Fig.5 Profile of variations of soil volumetric water content and volumetric ice content with depth

2.4 入渗过程内土壤温度随时间的变化

冻结土壤上层5 cm深度处土壤温度随时间变化曲线见图6。

图6 上层土壤温度随时间变化曲线图Fig.6 Variations of upper soil temperature with time

在试验过程中，由于湿润峰未达到深度为20～30 cm的冻结土壤，因此下层土壤温度随试验时间延长几乎不变。但由于积水入渗，并且试验所取水样温度为室温12 ℃，所以在冻结土壤的表层存在热量传输，使得土壤温度发生改变。在试验时间内，由于热量传输，上层土壤温度随试验时间延长而升高。并且在试验结束时刻可以看出，在初始土壤温度相同时，试验结束时刻累积入渗量越大的试验组土壤，试验结束时刻温度越高。这是因为累积入渗量越大意味着入渗到土壤内的试验水量越多，热量传导就越多，相应的土壤温度也就越高。

3 讨论与结论

冻结条件下，土壤孔隙内液态水部分转化为固态冰，冰晶的存在改变了土壤的孔隙结构，使得土壤在相同条件下的过水面积减少，且初始含水量越高，冰晶含量也就越高。这与樊贵盛等[16]的研究规律相似，冻结土壤孔隙内冰晶的存在会影响土壤的渗水性能，土壤冻结影响土壤液态水与土水势之间的关系，使得土壤的水力传导度发生了变化。因此，在垂直入渗条件下，均质冻结土壤初始条件下负温越低，累积入渗量越小；冻结土壤初始含水量越小，累积入渗量越大。在试验前期，由于积水入渗，入渗水体与冻结土壤存在热量传输，冻结土壤温度升高。根据Carey等[17]得出的研究规律，土壤孔隙中冰晶的存在，会影响土壤的热力传导率，同时土壤水力传导度降低，进而导致与非冻融区相比，降水下渗量减小，地表产流量增加。这与室内垂向一维土壤积水入渗实验所得出的结论相似，在试验前期，表层土壤孔隙内冰晶转化为液态水，使得孔隙增大，土壤入渗能力增强，土壤入渗率随之增大；在试验后期，由于湿润峰的增大导致土壤入渗能力降低，入渗率减小，所以入渗率变化曲线随入渗时间的延长呈先增加后降低的过程。同时，入渗过程中，土壤剖面含水量随深度增加而减少，初始含水量越低，土壤含水量增加的趋势越大，并且随着冻融温度越低，土壤含水量增加的趋势随之减缓，其入渗强度与土壤初始含水量及冻融温度有关。