積雪和凍土保墑監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案分析與設(shè)計(jì)

戴長(zhǎng)雷，常龍艷，梁麗青，彭 程

（黑龍江大學(xué)a.水利電力學(xué)院；b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱150080）

1 問(wèn)題的提出

在季節(jié)凍土區(qū)存在著積雪和凍土，它們對(duì)農(nóng)田土壤墑情有著重要的影響，盧路等［1］認(rèn)為：積雪覆蓋對(duì)土壤含水率有顯著影響，和同等水量的降雨相比，凍融土壤平均含水率高出多年平均土壤含水率10%以上；積雪覆蓋導(dǎo)致土壤各層含水率隨時(shí)間變化波動(dòng)較為均勻，使土壤水分下滲延時(shí)效應(yīng)明顯；積雪覆蓋有利于維持土壤含水率的穩(wěn)定，同時(shí)使土壤含水率有增加的趨勢(shì)。王子龍［2］，王曉?。?］認(rèn)為：凍結(jié)土壤具有明顯的減滲性、不透水性和抑制蒸發(fā)性，雪被覆蓋對(duì)土壤與大氣之間的熱交換具有阻滯作用，所以土壤凍融和雪被覆蓋對(duì)土壤蓄水保墑、防止春旱具有十分顯著的作用。魏丹［4］指出：在土壤凍結(jié)過(guò)程中，積雪的存在，保持了地溫，減緩了土壤凍結(jié)速度，增加了土壤水分向冷端的遷移量；在土壤融化過(guò)程中，凍土層的冰體從表層和下層凍結(jié)面進(jìn)行雙向融化，含水率剖面呈現(xiàn)中間大，上下小的狀況，但在有積雪覆蓋的近地表處由于融雪水的補(bǔ)給而增大。鄭秀清等［5］認(rèn)為土壤凍融作用改變了土壤顆粒直徑從而改變了土壤的持水能力。戴長(zhǎng)雷［6－7］等認(rèn)為：融雪入滲是寒區(qū)春季最重要的水文過(guò)程之一，融雪入滲對(duì)于保持土壤墑情具有重要作用。周宏飛［8］等提出：土壤凍融期間，雪融水轉(zhuǎn)化為土壤水分的比例高達(dá)78.8%～92%，為春季荒漠植被的生長(zhǎng)提供了很好的水分條件。以上研究中較一致的看法是，積雪和凍土的存在對(duì)于土壤墑情的保持有正作用。

但是，從整體上看，關(guān)于積雪／凍土保墑的研究主要停留在對(duì)這一現(xiàn)象的描述層面，對(duì)于規(guī)律和機(jī)理的研究還有待加強(qiáng)。造成這一現(xiàn)實(shí)的重要原因之一，就是來(lái)自相關(guān)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還不夠豐富?；诖?，在梳理相關(guān)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，從試驗(yàn)環(huán)境、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)測(cè)方法4個(gè)方面對(duì)積雪／凍土保墑監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，以期為進(jìn)一步獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供參考。

2 試驗(yàn)方案分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)康姆治?/h3>

積雪／凍土保摘的機(jī)理：①凍層的不透水作用，蓄水調(diào)節(jié)作用和抑制蒸發(fā)作用阻礙了融雪水和上層土壤水的入滲和下部土壤水分的蒸發(fā)［9］；②積雪的強(qiáng)反射性和低導(dǎo)熱性保持了土壤的溫度和水分，且雪被貯藏的大量淡水可為雪被覆蓋地區(qū)春季土壤提供重要的水分補(bǔ)充。

監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)康模韩@取積雪／凍土生消期間土壤墑情及相關(guān)環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)，為規(guī)律的總結(jié)和機(jī)理的探明提供基礎(chǔ)信息。

2.2 試驗(yàn)環(huán)境與監(jiān)測(cè)方法分析

通過(guò)分析已有的研究資料，按地域劃分提取了與積雪／凍土保墑監(jiān)測(cè)試驗(yàn)相關(guān)的幾種代表性的試驗(yàn)方法，對(duì)其中的試驗(yàn)環(huán)境和監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行梳理，見表1。為積雪和凍土保墑監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的開展提供技術(shù)參考。

2.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與監(jiān)測(cè)儀器分析

對(duì)以上幾種代表性試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，提取其中的土壤墑情、凍土生消、積雪變化參數(shù)及相應(yīng)監(jiān)測(cè)儀器，見表2。為積雪和凍土保墑監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的參數(shù)選定和監(jiān)測(cè)儀器使用提供參考。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)背景

哈爾濱冬季（11～3月）長(zhǎng)達(dá)150d之久，在地面以下形成連續(xù)分布的凍層；降水形式以降雪為主，往往在地面形成大范圍的積雪覆蓋，屬于典型的季節(jié)凍土區(qū)。

積雪和凍土保墑監(jiān)測(cè)試驗(yàn)擬在哈爾濱市進(jìn)行，擬監(jiān)測(cè)在不同積雪厚度10、15、20cm等條件下，距離地面以下1.5m內(nèi)的凍土生消期間土壤墑情及環(huán)境變化參數(shù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納，以為規(guī)律的總結(jié)和機(jī)理的探明提供基礎(chǔ)信息。

3.2 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)分析已有研究的試驗(yàn)方法，結(jié)合現(xiàn)有的研究經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮試驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)性、可控性和易于對(duì)比性提出3種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，可根據(jù)試驗(yàn)的具體條件和實(shí)際需要，進(jìn)行試驗(yàn)方案的選擇。

3.2.1 試驗(yàn)方案1設(shè)計(jì)

在考慮試驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)性和開放性的前提下，提出試驗(yàn)方案1。選用 “大頂子山航電樞紐工程上游松花江兩岸浸沒(méi)影響試驗(yàn)［17］”的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)思路。采用大頂子山浸沒(méi)范圍內(nèi)的稻田土壤，在土壤深度分別為20、40、60、80、100cm處，人工取樣并利用物理烘干法進(jìn)行土壤含水率測(cè)定。

表1 相關(guān)試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)環(huán)境及監(jiān)測(cè)方法Table 1 Monitoring environments and monitoring methods

續(xù)表1Continoues table 1

表2 相關(guān)試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及相應(yīng)監(jiān)測(cè)儀器Table 2 Monitoring contents and the corresponding monitoring instruments

續(xù)表2Continoues table 2

該方案的特點(diǎn)是全開放、純現(xiàn)場(chǎng)，充分尊重土壤的原結(jié)構(gòu)和環(huán)境的真實(shí)性。且烘干法認(rèn)為是最經(jīng)典和最準(zhǔn)確的方法，是國(guó)際公認(rèn)的測(cè)定土壤水分的標(biāo)準(zhǔn)方法，其它所有土壤水分測(cè)定方法都以此法作為標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行校對(duì)。但是該方案費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，深層取樣困難；當(dāng)土壤質(zhì)地分布不均時(shí)，很難取出有代表性的土樣，且對(duì)田土有破壞，不易進(jìn)行長(zhǎng)期定位觀測(cè)。

3.2.2 試驗(yàn)方案2設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案2在考慮試驗(yàn)可控性的前提下提出，該方案已在黑龍江大學(xué)校園內(nèi)開展過(guò)。在試驗(yàn)場(chǎng)地的中間位置開挖規(guī)格為1m×1m×1m的試坑，在試坑中及周圍設(shè)負(fù)壓計(jì)、地溫計(jì)、TRIME－T3型TDR土壤水分速測(cè)儀、溫度計(jì)、濕度計(jì)、風(fēng)速儀、蒸發(fā)皿等用來(lái)監(jiān)測(cè)土壤水勢(shì)、土壤溫度、土壤含水率、氣溫、大氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、蒸發(fā)量等項(xiàng)目。試驗(yàn)方案2布置見圖1。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Sketch of test layout

該方案的特點(diǎn)是半控制性，雖然破壞了土壤原狀，但試驗(yàn)的邊界條件得以控制，避免了外界環(huán)境變動(dòng)帶來(lái)干擾，但是監(jiān)測(cè)環(huán)境真實(shí)性得不到保障。

3.2.3 試驗(yàn)方案3設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案3建立在易于對(duì)比的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。該方案計(jì)劃在黑龍江省水利科學(xué)研究院哈爾濱綜合試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行，該站配套設(shè)施完備，技術(shù)先進(jìn)，設(shè)有綜合試驗(yàn)大廳、凍土試驗(yàn)室、微潤(rùn)灌溉試驗(yàn)田、水肥耦合試驗(yàn)田、氣象監(jiān)測(cè)場(chǎng)等。已經(jīng)開展了多年節(jié)水灌溉與農(nóng)田排水、農(nóng)業(yè)水土資源綜合利用、農(nóng)業(yè)水土環(huán)境保護(hù)，節(jié)水抗旱機(jī)械，“3S”技術(shù)與旱情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等方面的試驗(yàn)與研究，田間試驗(yàn)包括土壤凍結(jié)和融化試驗(yàn)、凍融土壤入滲試驗(yàn)和土壤蒸發(fā)觀測(cè)等，擁有較好的試驗(yàn)條件和基礎(chǔ)。

利用水科院試驗(yàn)基地中的試驗(yàn)田為研究對(duì)象，試驗(yàn)土壤為黑土、黏性壤土和黏土。地下水埋深約7～8m。試驗(yàn)區(qū)的整體布置為5m×5m正方形區(qū)域，監(jiān)測(cè)儀器布置呈 “米”字型。試驗(yàn)總體布置圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)布置示意圖Fig.2 Sketch of test layout

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：積雪／凍土的生消過(guò)程中凍層的埋深、厚度，土壤的含水率、入滲量和蒸發(fā)量、土壤溫度與水勢(shì)，土壤含鹽量、土質(zhì)參數(shù)、土壤容重、降雪量、積雪的厚度、積雪的入滲量、入滲歷時(shí)等。

監(jiān)測(cè)儀器：中子儀、H8多點(diǎn)土壤溫度記錄儀、EQ－15平衡式土壤水勢(shì)測(cè)定儀、E601水面蒸發(fā)皿、雙環(huán)入滲儀、TDR、頻域反射儀FDR、水平入滲儀、單環(huán)入滲儀、WM－1型負(fù)壓計(jì)系統(tǒng)、雨量計(jì)等［18］。

方案3可充分利用黑龍江省高寒地區(qū)季節(jié)性凍土的凍融期天然凍結(jié)條件和試驗(yàn)站的各種便利設(shè)施進(jìn)行試驗(yàn)。且在垂直試驗(yàn)區(qū)有對(duì)比試驗(yàn)場(chǎng)地 （見文獻(xiàn) ［2－3］），其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)方法可對(duì)本試驗(yàn)起到對(duì)比、參照的作用。目前方案3已經(jīng)布置，試驗(yàn)正在進(jìn)行中。

4 結(jié) 論

1）從監(jiān)測(cè)環(huán)境 （試驗(yàn)地點(diǎn)、土壤類型、積雪條件、上層植被覆蓋、檢測(cè)點(diǎn)布置、檢測(cè)時(shí)間段等）、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 （土壤含水率、土壤溫度、凍脹量、土壤水勢(shì)等）、監(jiān)測(cè)儀器 （TDR、中子儀、地溫計(jì)、負(fù)壓計(jì)等）、監(jiān)測(cè)方法 （烘干法、儀器法、積水入滲法等）4個(gè)方面提出了一套 “積雪和凍土保墑監(jiān)測(cè)試驗(yàn)”的試驗(yàn)分析方法，為試驗(yàn)的分析提供有利的方法基礎(chǔ)。

2）已有研究中積雪／凍土保墑監(jiān)測(cè)試驗(yàn)相關(guān)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有土壤含水率、土壤溫度、土壤水勢(shì)、土壤入滲量、雪深、積雪入滲量等。監(jiān)測(cè)儀器主要有TDR、中子儀、H8多點(diǎn)土壤溫度記錄儀、EQ－15平衡式土壤水勢(shì)測(cè)定儀、雙環(huán)入滲儀、水平入滲儀、WM－1型負(fù)壓計(jì)系統(tǒng)、雨量計(jì)等。

3）在借鑒已有研究的試驗(yàn)內(nèi)容和方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的研究經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮試驗(yàn)的真實(shí)性、可控性和易于對(duì)比性提出了3種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，可根據(jù)試驗(yàn)的具體條件和實(shí)際需要，進(jìn)行試驗(yàn)方案的對(duì)比選擇。

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