寒區(qū)凍結(jié)巖層與地下水關(guān)系研究

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫著;戴長(zhǎng)雷,于成剛譯

(1.俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國(guó) 雅庫(kù)茨克 677010;

2.黑龍江大學(xué) 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；

4.黑龍江省大興安嶺水文局，黑龍江 加格達(dá)奇 165000)

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寒區(qū)凍結(jié)巖層與地下水關(guān)系研究

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫1著;戴長(zhǎng)雷2,3,于成剛4譯

(1.俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國(guó) 雅庫(kù)茨克 677010;

2.黑龍江大學(xué) 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；

4.黑龍江省大興安嶺水文局，黑龍江 加格達(dá)奇 165000)

摘要：基于自然水圈系統(tǒng)及水相轉(zhuǎn)換間關(guān)系，對(duì)重力地下水與凍結(jié)巖層相互關(guān)系展開研究，分析了水文地質(zhì)學(xué)、凍土學(xué)視角下的水循環(huán)特征。指出：①地下水的凍結(jié)大大改變了巖層的滲透性；②當(dāng)含水巖層凍結(jié)及融化時(shí)，巖層中水的容量會(huì)有所改變，會(huì)極大地影響水文地質(zhì)環(huán)境，促進(jìn)特殊的低溫物理地質(zhì)過程和現(xiàn)象的發(fā)展；③巖層凍結(jié)和融化程度受水文地質(zhì)條件制約的原因在于，凍融條件下地下水聚集態(tài)變化過程中的熱量釋放和耗損；④含水巖層的凍結(jié)和融化過程會(huì)對(duì)水化學(xué)環(huán)境產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，促進(jìn)地下水特殊化學(xué)成分的形成，引起地下水水化學(xué)垂直分帶的改變；⑤含水層的多重凍結(jié)和融化會(huì)改變含水巖層的物理屬性，提高巖層的裂隙度和孔隙率，導(dǎo)致在解凍和凍結(jié)巖層的接觸面形成了非常強(qiáng)的水淹帶；⑥非凍結(jié)重力地下水是寒區(qū)含水層對(duì)流熱流形成的原因。

關(guān)鍵詞：自然水圈系統(tǒng)；水相轉(zhuǎn)換；重力地下水；凍結(jié)巖層；寒區(qū)

本文是在維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫教授的代表性著作《寒區(qū)凍結(jié)層上水》(新西伯利亞科技出版社，2011)漢譯稿的基礎(chǔ)上節(jié)選修訂而成的。

作者現(xiàn)為俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所(該研究所在中國(guó)通常被稱為西伯利亞凍土所)科研副所長(zhǎng)、薩哈(雅庫(kù)特)共和國(guó)科學(xué)院院士、俄羅斯工程院通訊院士，長(zhǎng)期致力于寒區(qū)地下水相關(guān)方向的科研和教學(xué)工作。本文立足于作者扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、俄羅斯廣袤的寒區(qū)環(huán)境，以及西伯利亞凍土所豐富的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，相關(guān)研究成果在寒區(qū)地下水領(lǐng)域達(dá)到了世界一流的水平。

本文節(jié)選的內(nèi)容主要為關(guān)于寒區(qū)凍結(jié)巖層和地下水相互關(guān)系的論述，值得一提的是，本文眾多的參考文獻(xiàn)可為中國(guó)同行提供一個(gè)重要的了解俄羅斯寒區(qū)地下水研究進(jìn)展的窗口。

1基于水文地質(zhì)學(xué)的水循環(huán)研究

水是地質(zhì)環(huán)境的基本組成部分，В.И.維爾納茨克認(rèn)為：“在整個(gè)地質(zhì)時(shí)期，水一直起著獨(dú)一無二的作用,它是首要的地質(zhì)因素[1]。”之所以這樣認(rèn)為，既是因?yàn)樗趲r石圈中含量大，富有多變性，也是因?yàn)樗畢⑴c的機(jī)械物理變化和化學(xué)反應(yīng)，以及相位間轉(zhuǎn)換帶來的損耗和大量熱能的釋放比較活躍。正因?yàn)檫@種情況，我們不能簡(jiǎn)單地把水作為地質(zhì)環(huán)境中普通的一部分，而應(yīng)將其視為地質(zhì)過程(沉積成因、巖石成因、變質(zhì)作用等)的主要能量來源?？紤]到地球水循環(huán)，可以肯定的是，水為無機(jī)與有機(jī)物質(zhì)的合成、轉(zhuǎn)化過程提供取之不盡的能量。

要理解水在地球地質(zhì)環(huán)境中的重要作用和特殊意義，首先要以整個(gè)地質(zhì)圈中水的狀態(tài)和不同形式的起源及辯證關(guān)系為依據(jù)。在這一方面，首先要指出的是著名的自然水圈原則，這一原則涉及古希臘、古羅馬科學(xué)，它在大自然的認(rèn)識(shí)、改造、保護(hù)方面，是指導(dǎo)行動(dòng)的原則，是基本理論、基本方法的原則，體現(xiàn)了世界整體觀。但是，到如今，許多地球科學(xué)學(xué)科對(duì)這一原則持有形式主義的態(tài)度。片面和孤立地研究整個(gè)水循環(huán)中的部分循環(huán)，割裂了各學(xué)科中不同形式的自然水(水文學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、凍土學(xué)、水文化學(xué)、水文地?zé)釋W(xué)、水文氣象學(xué)、冰川學(xué)、湖沼學(xué)、海洋學(xué)等)在聚合、表層狀態(tài)、積累形式等方面的聯(lián)系。

許多研究學(xué)者表示，對(duì)大自然水的研究不可以孤立和片面地去對(duì)待。從對(duì)這一問題研究的廣度和深度來看，無論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，至今無人能超越В.И.維爾納茨克的著作《自然水發(fā)展史》一書的研究思想。這本書的整體思想對(duì)自然科學(xué)的研究具有革命性的意義，它不止一次的強(qiáng)調(diào)自然水圈的重要性。他在書中寫到，“在自然水圈中，無論什么地方發(fā)生怎樣的變化，都會(huì)不可避免的全部反映出來，即使是以不明顯的形式。水的化學(xué)和數(shù)量變化會(huì)在地殼留下特殊的痕跡。無論是水的各種表現(xiàn)形式(冰山、大洋、河流、土壤溶液、間歇噴泉、礦物泉等)之間，還是與地球巖石圈、活質(zhì)之間，都存在整體上的直接的或間接的聯(lián)系。

在其他研究者的著作中，關(guān)于自然水圈也有類似的看法。在地球科學(xué)的研究中，脫離自然水統(tǒng)一原則，對(duì)其不加考慮，未必緣于對(duì)其基本理論和方法論的不理解，這很可能與20世紀(jì)至21世紀(jì)初自然科學(xué)發(fā)展的總體趨勢(shì)有關(guān)。當(dāng)時(shí)，在許多自然科學(xué)中，人類不再只專注于對(duì)基本理論的研究，而是把實(shí)踐放在首位，迫切需要實(shí)用的科學(xué)研究，這自然導(dǎo)致了科學(xué)探索帶有狹義專業(yè)化傾向。但是，對(duì)成果不進(jìn)行基本理論總結(jié)，這種片面性遲早會(huì)對(duì)科學(xué)研究、人類本身乃至自然環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。在科學(xué)研究中，只有將深度和廣度辯證結(jié)合，運(yùn)用好分析和綜合的辯證方法，才能在認(rèn)識(shí)地球自然環(huán)境、合理開發(fā)和環(huán)境保護(hù)方面找到最正確的道路。

20世紀(jì)后半葉，由于在自然水研究方面出現(xiàn)了太過專業(yè)化的傾向，進(jìn)而割裂了與其他學(xué)科間的聯(lián)系，這對(duì)自然水的研究產(chǎn)生了負(fù)面影響。維爾納茨克的學(xué)生，著名的水文地質(zhì)學(xué)家Б.Л.利奇科夫，在20世紀(jì)50—60年代初，在自己的著作中批判了水文地質(zhì)學(xué)的現(xiàn)狀，他指出，造成水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展遲緩的原因主要是：①割裂了和其他學(xué)科的聯(lián)系；②水文地質(zhì)學(xué)向狹義專業(yè)化的方向發(fā)展。他提出必須要重新審視水文地質(zhì)學(xué)的基本概念、基本內(nèi)容和用途，指出了在研究自然水時(shí)，應(yīng)該緊密聯(lián)系其他學(xué)科。他強(qiáng)調(diào)：“水文地質(zhì)學(xué)的首要任務(wù)是讓人們認(rèn)識(shí)并承認(rèn)整個(gè)地球的水系統(tǒng)是一體的，而陸地地質(zhì)學(xué)的研究重點(diǎn)是獲得底土的濕度值。因此，新的水文地質(zhì)學(xué)應(yīng)當(dāng)建立在以下3個(gè)基礎(chǔ)之上：自然水圈的整體性、水循環(huán)的統(tǒng)一性、陸地底土的濕度。

如今，研究自然水的其他學(xué)科也存在孤立狀態(tài)和狹義專業(yè)化傾向，主要原因在于對(duì)自然水圈原則估計(jì)不足。這會(huì)對(duì)自然的保護(hù)和利用產(chǎn)生消極的影響。人類的實(shí)踐活動(dòng)是一面鏡子，既反映科學(xué)活動(dòng)的成果和成績(jī)，也反映科學(xué)造成的缺陷和錯(cuò)誤。譬如，河流和湖泊排泄污水、大氣污染和海洋水污染、地下水的過度開采、在平原建設(shè)的水庫(kù)、用以調(diào)節(jié)水流的工程項(xiàng)目，上述所有活動(dòng)都是在技術(shù)統(tǒng)治世界觀的支配下進(jìn)行的，而這種世界觀的形成，正是狹義的科學(xué)研究帶給我們的。

對(duì)自然水圈原則的考慮不周，還可能是因?yàn)槠鋾簳r(shí)只是一個(gè)口頭宣言。時(shí)至今日，該原則的本質(zhì)仍未被揭開，地球水循環(huán)機(jī)制的復(fù)雜性最終未被理解，這也證明了利奇科夫以及其他研究者所說。因此，為了使它能夠被真正地理解，必須要找出新論據(jù)、新觀點(diǎn)，來論證自然水圈原則的基礎(chǔ)，及其對(duì)地球自然環(huán)境、自身研究和合理開發(fā)的特殊作用。

研究水體相位間的變化(水從一種聚集狀態(tài)向另一種轉(zhuǎn)變)特性，對(duì)于揭示自然水圈原則，理解地球水循環(huán)具有重要的意義?？傮w上，物質(zhì)相位間的轉(zhuǎn)變是自然界中最重要的過程。這一過程的目的是為了維持各熱力體系之間的平衡狀態(tài)。物質(zhì)相位間轉(zhuǎn)變形式，例如，巖石圈的地殼運(yùn)動(dòng)，同時(shí)這也是地球內(nèi)部能量最有力的表現(xiàn)形式。從規(guī)模和數(shù)量來看，地球上一些水相位間變化過程規(guī)模是宏大的。實(shí)際上，地球水循環(huán)是全球規(guī)模最大的相位間變化之一。與水的相位間變化相關(guān)的有：地球水圈的出現(xiàn)，巖石圈水平衡的動(dòng)態(tài)變化，季節(jié)性凍結(jié)層和多年性凍結(jié)層的形成，在河流和水體表面覆蓋的雪以及形成的冰蓋，同時(shí)也包括陸地和水域的水平衡性。

許多的研究者指出，研究和利用自然界水相位間轉(zhuǎn)變形式具有重要的意義[2-3]。В.А.普里科隆斯基在1958年依據(jù)地下水形成的條件特點(diǎn)，把水相位間的這種變化，比如蒸發(fā)和凍結(jié)，認(rèn)為是巖石圈中水運(yùn)動(dòng)的基本形式。對(duì)自然水運(yùn)動(dòng)的基本形式研究之后，А.Е.霍季科夫和Г.Ю.沃盧克尼斯在其專著中，從廣義的角度去理解水聚集狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化。Б.Л.索科洛夫在1996年則指出了運(yùn)用水物理知識(shí)研究全球水循環(huán)特點(diǎn)的必要性。

盡管在水交換的各個(gè)過程中的相變非常重要，但是水運(yùn)動(dòng)形式的研究目前尚不能令人滿意。并且，地球科學(xué)界對(duì)個(gè)別水聚集態(tài)的名稱還沒有統(tǒng)一。在物理和化學(xué)動(dòng)力學(xué)中，把水或其他任何物質(zhì)繞過液態(tài)，直接從固體轉(zhuǎn)為氣態(tài)的過程，稱為升華；而逆過程稱為凝華。但是在氣象學(xué)和冰川學(xué)中，把水從氣態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變，稱為升華。也就是說，同一名稱表示兩個(gè)完全相反的過程。在某些學(xué)科中，尤其是水文地質(zhì)學(xué)，一些研究者使用術(shù)語(yǔ)“升華”的第一個(gè)含義，另一些使用第二個(gè)含義，這引起了嚴(yán)重的混亂。所有這些表明，必須制定統(tǒng)一的水相位轉(zhuǎn)換示意圖。圖1就是總結(jié)類型的示意圖，它指出了水相位交換的方向和動(dòng)力平均值。

研究水相位間轉(zhuǎn)換十分復(fù)雜，這主要是因?yàn)椋汉暧^上來看，3種水分子的基本聚集態(tài)(冰、水、蒸汽)是不均衡的。例如，任何數(shù)量的冰中都含有一定量的液態(tài)水或水汽(水蒸氣)。同樣也可以說，一定量的液態(tài)水也含有一定量的氣體。正如В.И.維爾納茨基的學(xué)生，著名的水文地學(xué)者斯拉維亞諾夫所指出的：所有液態(tài)自然水都包含氣態(tài)溶液，并且水的氣體容量和成分都是固定的。他強(qiáng)調(diào)，自然水首先是均衡的。應(yīng)當(dāng)指出，溶解在水中的氣體量受水溫影響，因此在不等溫的環(huán)境下，會(huì)發(fā)生氣體交換。氣體交換的強(qiáng)度和方向受水溫變化大小的影響。當(dāng)水溫降低時(shí)，溶解在水中的

氣體量會(huì)增加，也就是說，水是各種氣體的吸收劑；當(dāng)水溫升高時(shí)，溶解在水中的氣體量會(huì)減少，導(dǎo)致水中的氣體本能地從水中析出。

2基于凍土學(xué)的水循環(huán)研究

水分子宏觀聚集態(tài)相位間基本成分不均衡的原因在于，自然界中沒有絕對(duì)固體狀態(tài)的水，也沒有百分百液體的水。在任何宏觀狀態(tài)下，水首先是分散介質(zhì)，在水中不僅包含以離子形式和其他形式的化學(xué)物質(zhì)，而且還有分散的以膠狀顆粒，懸浮液或溶膠體等形式存在的各種微觀物質(zhì)。一般情況下，在水分子中，這些微粒的表面張力大于氫鍵的力度。眾所周知，正是由于這些聯(lián)系使水成為特有的、獨(dú)一無二的分子化合物，并確定了水分子間的連帶程度，或者說其他的分子聚集態(tài)。因此，微粒表層單位能量的增加，促進(jìn)了表層獨(dú)特的微觀相位形成。該相位和分子宏觀聚集態(tài)不同。這些微粒存在于結(jié)晶、冷凝和蒸汽的過程中。也就是說，它們是一定量的水由一種宏觀分子聚集態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種宏觀分子聚集態(tài)的相位催化劑。

圖1　溫度影響下的水相轉(zhuǎn)換1—當(dāng)水轉(zhuǎn)換至較高水平的相位狀態(tài)時(shí)，從外部環(huán)境(氣候雨/漂浮物)吸收能量(吸熱相位變化)；2—當(dāng)水轉(zhuǎn)換至較低水平的相位狀態(tài)時(shí)，向外部環(huán)境(氣候雨/漂浮物)釋放能量(放熱相位變化)

因此，作為水相位間連續(xù)性介質(zhì)，體積水水分子聚集態(tài)反應(yīng)的僅僅只是宏觀的相位間均勻性。從微觀角度來看，這些體積水水分子聚集態(tài)是相位間不均勻的。一定宏觀體積的水中含有相位間微粒的量取決于水的分子聚集態(tài)和溫度。在溫度變化時(shí)，會(huì)發(fā)生相位間的水交換，例如，水的分散介質(zhì)和彌散相之間。因此可以得出，相位間相互作用是水循環(huán)進(jìn)行的前提條件，這不僅體現(xiàn)在宏觀狀態(tài)下，而且會(huì)首先體現(xiàn)在微觀層面上。由此可以看出，自然水圈原則的普遍性和他的包羅萬(wàn)象性。

考慮到相位轉(zhuǎn)換和相位間相互作用對(duì)各種水交換周期形成的影響，作者重新審視了現(xiàn)有的自然水總循環(huán)示意圖[4-11]。這樣，在氣候周期中除了大氣水交換周期外，建議將基本的水交換周期劃分為：水凍結(jié)生成、巖層中氣體生成、冰蝕生成、凍結(jié)巖層生成周期(表1)。

水凍結(jié)生成周期為每年在河流和水體的表層形成的冰、冰丘、積雪，以及寒區(qū)活動(dòng)層形成的地下冰，這些冰和積雪從冷季形成到暖季時(shí)融化的周期。

表1　自然水的變化周期及水交換的平均強(qiáng)度

巖層中氣體生成周期與包氣帶巖層中水的蒸發(fā)、冷凝、升華和凝華作用相關(guān)聯(lián)。包氣帶是獨(dú)特的地下大氣圈，在包氣帶中有足夠強(qiáng)的水分轉(zhuǎn)移，這使大氣圈和巖石圈保持了相互聯(lián)系。冰蝕生成和凍結(jié)巖層生成周期不是受氣候的季節(jié)性影響，而是受氣候的常年性影響。例如，在冷季，冰川區(qū)和寒區(qū)的固相水增加；與此相反，在暖季，由于寒區(qū)冰川和地下冰融化，液相水增加。因此，冰蝕生成周期和凍結(jié)巖層生成周期對(duì)液相自然水年平衡性有影響，從而降低或提高了世界大洋的儲(chǔ)量、資源量和水位。

自然水圈原則及其循環(huán)周期對(duì)凍土學(xué)研究具有重要意義。因?yàn)樵搶W(xué)科的主要任務(wù)之一就是：研究寒區(qū)水-冰-蒸氣相位轉(zhuǎn)換的各種形式。例如，根據(jù)這一原則，把包含在多年非凍結(jié)層中的地下冰，看作是地球水循環(huán)凍結(jié)階段的基本組成部分是合理的。這一階段的持續(xù)時(shí)間由巖層在冷凍條件下存在的時(shí)間，即與寒區(qū)固定區(qū)域，冰-水相位轉(zhuǎn)換的持續(xù)時(shí)間相一致。

受自然分子動(dòng)力的影響，水相位的交換以多年低溫微過程的發(fā)展為基礎(chǔ)。因此，在20世紀(jì)40年代崔托維奇提出了巖層中不凍結(jié)溶液的分布均勻原則，并隨后通過實(shí)驗(yàn)予以確認(rèn)[12-13]。這一原則的物理基礎(chǔ)是：在凍結(jié)巖層氣溫變化不明顯時(shí)，薄膜水和固相水之間會(huì)發(fā)生相位交換。在等溫的條件下，區(qū)分薄膜液體、縫隙、冰的相位界限沒有移動(dòng)，也就是說，這一相位位于平衡的狀態(tài)。

盡管自然水圈原則的意義是顯而易見的，然而它在凍土學(xué)研究中還沒有受到足夠的重視。因此，同其他地球?qū)W科一樣，人們至今仍然是形式化地認(rèn)識(shí)該原則。這無疑對(duì)現(xiàn)代凍土學(xué)各學(xué)科發(fā)展，以及實(shí)踐應(yīng)用產(chǎn)生了消極影響，對(duì)凍土學(xué)的普遍理論、方法論、概念的形成尤其不利。

3凍結(jié)巖層和地下水相互作用

根據(jù)上文所陳述的自然水圈原則的概念，以及相位間水體運(yùn)動(dòng)的形式，可以看出，關(guān)于凍結(jié)巖層和地下水相互作用的特點(diǎn)這一問題，實(shí)質(zhì)上就是寒區(qū)水的相位交換問題。

因此，在巖層季節(jié)性和多年性的凍結(jié)融化條件下，不僅會(huì)發(fā)生從液態(tài)到固態(tài)，從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變，也會(huì)發(fā)生從氣態(tài)到固態(tài)(凝華過程)，從固態(tài)到氣態(tài)(升華過程)，從液態(tài)到氣態(tài)(蒸發(fā)過程)，從氣態(tài)到液態(tài)(冷凝過程)的轉(zhuǎn)變。

因此，巖層的冷凍和融化過程被視為是綜合性的相位間轉(zhuǎn)換過程，在一年期或多年期的氣溫正負(fù)變化下，這一綜合性的相位間轉(zhuǎn)換過程使巖層和地下水相互作用具有一定程度的復(fù)雜性。

然而，在水文地質(zhì)學(xué)和凍土學(xué)中，有關(guān)地下水和凍結(jié)巖層的相互作用問題的研究有幾點(diǎn)不同，這通常與國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)“地下水”術(shù)語(yǔ)的闡釋不同有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)有的概念，只有在巖層空隙流動(dòng)的自由“液態(tài)”水才是地下水[14]。而在巖層中以氣態(tài)和固體形式存在的水，不能稱之為地下水。因此，當(dāng)重力水以固態(tài)形式(地下冰)進(jìn)行相位交換時(shí)，它不屬于地下水，而被認(rèn)為是巖層的組成部分，凍結(jié)巖層這一名稱強(qiáng)調(diào)了這點(diǎn)。

類似的闡釋地下水概念的方法，以及對(duì)它與凍結(jié)巖層間相互作用問題的研究，不僅沒有考慮到自然水圈原則；而且，在某種程度上，與土壤學(xué)、土質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)和其他學(xué)科對(duì)巖層中水的分類相互矛盾，也與把地下水圈作為統(tǒng)一的研究對(duì)象相悖[15-21]。

當(dāng)今，在凍土學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)界對(duì)凍結(jié)巖層和地下水相互作用的特點(diǎn)進(jìn)行研究是有根據(jù)的，這些根據(jù)就是之前所取得的重要成果，這些成果很大一部分來源于已出版的研究多年凍結(jié)層分布區(qū)域水文地質(zhì)特點(diǎn)的圖書文獻(xiàn)資料中。在這些文獻(xiàn)資料中，有一類專門闡述了關(guān)于凍結(jié)巖層和重力地下水相互作用的具體問題[22-54]。

4結(jié)論與討論

對(duì)現(xiàn)有的關(guān)于重力地下水和凍結(jié)巖層相互作用的研究成果，總結(jié)分析如下：

(1)地下水的凍結(jié)大大改變了巖層的滲透性，因?yàn)楹畬觾鼋Y(jié)后形成的地下冰填滿了巖層孔隙和裂縫中。從水文地質(zhì)學(xué)的角度來看，這導(dǎo)致隔水層在完全凍結(jié)前會(huì)變成一種新的狀態(tài)，即變成含水層。這種低溫隔水層引起水文地質(zhì)斷面的分隔，使水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的水容量減少，造成補(bǔ)給條件的復(fù)雜化，破壞了地下水與地表水的聯(lián)系等，使多年凍結(jié)巖層區(qū)域的水文地質(zhì)環(huán)境發(fā)生改變，逐漸復(fù)雜化。

(2)當(dāng)含水巖層凍結(jié)及融化時(shí)，巖層中水的容量會(huì)有所改變，這極大地影響水文地質(zhì)環(huán)境，促進(jìn)了特殊的低溫物理地質(zhì)過程和現(xiàn)象的發(fā)展。

地下水的凍結(jié)使水容量增加。因此，在冰的形成過程中，重力地下水會(huì)從巖層的凍結(jié)區(qū)域縮至不凍結(jié)區(qū)域。在結(jié)晶壓縮或活塞效應(yīng)的作用下，或在無壓含水層中形成低溫壓力，或在凍結(jié)發(fā)生前出現(xiàn)有靜水壓增大，這本質(zhì)上改變了地下水補(bǔ)給、運(yùn)輸和排泄條件(圖2)。當(dāng)距地表不深的含水層發(fā)生凍結(jié)時(shí)，受結(jié)晶壓縮效應(yīng)的影響，融化的晶狀體和盤狀物表面會(huì)形成類似低溫現(xiàn)象和形式的生成物——季節(jié)性多年的冰脹丘、冰、裂縫等。

當(dāng)凍結(jié)的含水巖層部分融化時(shí)，正好相反，它們的水量會(huì)減少，這會(huì)導(dǎo)致低溫水壓的降低或消失。有時(shí)把這種效果稱為結(jié)晶真空，尤其是在寒區(qū)一些自流結(jié)構(gòu)的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)反常的凍結(jié)層下水位低于承壓水位值。一般情況下，在凍結(jié)層下含水層中低溫承壓減弱時(shí)，由于水壓差作用，地下水的垂直入滲會(huì)增強(qiáng)。其結(jié)果是在較深含水層出現(xiàn)高壓地下水流。水文地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境受水從固態(tài)到液態(tài)的相位交換的擾亂，需要較快的平穩(wěn)下來。但是，在巖石圈水壓的影響下，地下水含水層與較深的高壓地下水分離時(shí)，會(huì)出現(xiàn)低溫承壓的反常，不會(huì)很快的平穩(wěn)下來，這時(shí)靜水壓的均衡基本上依靠的是弱強(qiáng)度的水平滲透，而不是垂直入滲。正是在這樣的地區(qū)如今還能觀察到異常的地下水低承壓水位。

(3)在融化和凍結(jié)條件下，地下水聚集態(tài)的變化伴隨著相應(yīng)熱量的釋放和耗損。這便是巖層凍結(jié)和融化程度受水文地質(zhì)條件制約的原因。

當(dāng)?shù)叵碌畠鼋Y(jié)時(shí)，冰成物會(huì)釋放潛在熱量(約0.334×106J/kg)。由此可以得出，巖層吸水性越強(qiáng)，水飽和度越大，地下水發(fā)生凍結(jié)的速度將越慢。這種情況決定了凍土條件受水文地質(zhì)因素制約。因此，在寒冷的多年期來臨時(shí)，巖層的隔水層和弱飽和巖層將被凍結(jié)至深層，和含水巖層相比，具有更高的吸水性。而當(dāng)含淡鹽、含鹽地下水的含水層或整體凍結(jié)時(shí)，由于溫度降低，地下水開始凍結(jié)，當(dāng)它們冷卻到0 ℃以下時(shí)，一般無法產(chǎn)生冰成物。因此，在這種情況下，吸收熱源的平衡被排除，導(dǎo)致巖層冷卻深度增加，形成負(fù)溫地下水。

與之相反，凍結(jié)巖層的融化，伴隨著熱量的消耗。因此，季節(jié)性多年凍結(jié)的含水層融化的程度取決于巖層的吸水特性，首先受巖層的冰飽和率制約。

圖2　自流型地下含水系統(tǒng)的流動(dòng)特征1—巖層的隔水層；2—含水巖層；3—多年凍結(jié)巖層及其分布界限；4—在水力梯度影響下地下水流動(dòng)方向；5—在凍結(jié)水文動(dòng)態(tài)水體填積構(gòu)造中，地下水流動(dòng)方向；6—地下水水位；7—泉水；8—自噴井；Ⅰ—地下水補(bǔ)給；Ⅱ—靜壓力水頭的構(gòu)成；Ⅲ—地下水的排泄；H—靜水壓大?。籱—含水層厚度

(4)含水巖層的凍結(jié)和融化過程對(duì)水化學(xué)環(huán)境產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的影響，促進(jìn)了地下水特殊化學(xué)成分的形成，引起了地下水水化學(xué)垂直分帶的改變。

當(dāng)含水層凍結(jié)時(shí)，會(huì)重新為形成的冰、液相地下水和含水巖層(低溫變質(zhì)化學(xué)成分)分配鹽分地下水。根據(jù)研究學(xué)者Н.П.阿尼西莫夫娃，Б.Е.瓦利斯基，М.А.薩季科夫和Д.К.巴特魯諾夫，В.П.沃爾克娃,Г.Д.金斯堡,和Я.В.聶伊斯維斯特諾夫,А,В.伊萬(wàn)諾夫和Н.А.弗拉索夫,Р.С.科諾諾娃,В.Г.亞西戈,Е.В.皮涅克爾,和Б.И.皮薩爾斯基,В.Е.阿法納西果和В.А.博伊科沃,С.В.阿列克謝耶夫等的研究成果，地下水化學(xué)成分低溫變化的程度和特點(diǎn)，不但取決于凍結(jié)速度、含水巖層厚度和水交換強(qiáng)度，還受水的原始化學(xué)成分和無機(jī)鹽飽和度等因素影響。總之，地下水凍結(jié)導(dǎo)致冰成區(qū)中可溶鹽和微量成分向含水層不凍結(jié)地帶流動(dòng)活躍。由于地下水固相的無機(jī)鹽飽和度降低，其中只剩下難溶鹽及結(jié)晶水合物形式的化合物。冰成物促使負(fù)溫地下水形成，這改變了飽和巖層凍結(jié)的特點(diǎn)和程度，破壞了原始的水化學(xué)區(qū)域，使地下水液相的無機(jī)鹽飽和度得到極大地提高。

當(dāng)凍結(jié)的飽和巖層融化時(shí)，部分鹽從冰轉(zhuǎn)化成液相。這可能導(dǎo)致在某些條件下地下水發(fā)生低溫淡化，形成超淡水區(qū)域或地帶。

(5)含水層的多重凍結(jié)和融化改變了含水巖層的物理屬性，提高了巖層的裂隙度和孔隙率，導(dǎo)致在解凍和凍結(jié)巖層的接觸面形成了非常強(qiáng)的水淹帶。

在飽和水間歇式結(jié)晶的影響下，巖層的物理成分發(fā)生變化(根據(jù)И.Я.巴拉諾夫觀點(diǎn)——發(fā)生低溫變質(zhì)作用，或根據(jù)Ю.В.舒米洛夫觀點(diǎn)——發(fā)生低溫分解)，尤其是冰巖帶斷面的表層，在那里地下水進(jìn)行著季節(jié)性轉(zhuǎn)換：液相轉(zhuǎn)換為固相，固相又轉(zhuǎn)換為液相。這極大地提高了巖層的滲透性，使得各種凍土層上水的分布更加廣泛。

根據(jù)Н.В.古布金、А.И.卡拉賓、O.Н.托爾斯基辛、С.Е.蘇霍多利斯基、С.Н.布爾多維奇等的研究數(shù)據(jù)，在冰巖帶斷面的中部和底部，也出現(xiàn)了巖層的低溫分解，致使其產(chǎn)生了再生裂隙區(qū)(低溫解體)。在這種情況下，多年凍結(jié)巖層的厚度以及透水融區(qū)面積的變化，不僅與多年的溫度變幅有關(guān)，還與入滲型融區(qū)地下水的熱量對(duì)流遷移特征有關(guān)。在解凍層和凍結(jié)層的接觸面形成了非常強(qiáng)的巖層低溫解體水淹帶，這是水文地質(zhì)狀況的反映。增加了含水層的水交換強(qiáng)度，密切了地下水和地表水的聯(lián)系。

(6)重力地下水水溫在0℃以上，比熱高，具有流動(dòng)性，這是對(duì)流熱流形成的原因。在一定的水文地質(zhì)條件下，對(duì)流熱流對(duì)凍土條件和巖層溫度場(chǎng)作用明顯。國(guó)內(nèi)許多研究學(xué)者對(duì)這個(gè)問題十分關(guān)注。應(yīng)當(dāng)指出的是，就這一問題，現(xiàn)有的理論成果大體上涉及地下水入滲的層狀結(jié)構(gòu)。因此，依據(jù)巖層的熱量狀況，把對(duì)流熱交換分成兩種類型：第一種類型是融區(qū)地下水滲透時(shí)的熱交換，融區(qū)一般位于不透水凍結(jié)巖層下或者被不透水凍結(jié)巖層包圍；第二種類型是在負(fù)溫含鹽地下水和鹽溶液滲透時(shí)的熱交換。

迄今為止，第一種類型是最全面的研究對(duì)流熱量的，特別是對(duì)流的熱流橫向彌散效應(yīng)。一般情況下，彌散發(fā)生時(shí)，會(huì)造成巖層孔隙、裂隙中的速度矢量和導(dǎo)電性的熱流方向不重合。

上述的普遍規(guī)律反映了地下水和凍結(jié)巖層相互作用的主要特點(diǎn)，證明了水文地質(zhì)條件和凍土條件之間緊密的成因關(guān)系。有關(guān)該問題的后續(xù)研究，不僅應(yīng)當(dāng)關(guān)注水-冰間相位轉(zhuǎn)換對(duì)凍結(jié)層水文地質(zhì)條件的影響，還應(yīng)注意季節(jié)性多年凍結(jié)層和融化層中水的其他相位轉(zhuǎn)換的作用。

致謝

本文的翻譯整理工作主要由黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所的戴長(zhǎng)雷、黑龍江省大興安嶺水文局的于成剛完成，黑龍江大學(xué)中俄聯(lián)合研究生院的學(xué)生苗興亞、以及黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所的學(xué)生劉月、王思聰、尉意茹在文稿修訂過程中付出了心力，謹(jǐn)致謝意。

本譯稿的出版得到了中科院寒旱所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目“凍結(jié)土壤孔隙特征對(duì)凍土層滲透系數(shù)的影響研究(NO.SKLFSE201310)”、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“寒區(qū)地下凍土層水理性質(zhì)及其對(duì)融雪水入滲的影響機(jī)理研究(NO.1202171)”和黑龍江省水文局項(xiàng)目“寒區(qū)春季產(chǎn)流時(shí)凍土背景下融雪水入滲機(jī)理試驗(yàn)與分析((NO.2014230101000411)”的支持，特此致謝。

參考文獻(xiàn)：

[1]Вернадский В.И. Избранные сочинения. Т. IV, кн[М]. Изд-во: АН СССР, 1960:651.

[2]Вернадский В.И. Об областях охлаждения в земной коре[J]. Зап:Гидрологического ин-та, 1933(10):5-16.

[3]Славянов Н.Н., Учение В.И. Вернадского о природных водах и его значение[М]. Моск: о-во испытания природы, 1948:124.

[4]Шепелёв В.В. Принцип единства природных вод и необходимость его учета при геоэкологических исследованиях[M]. Геоэкология,1996:41-50.

[5]Шепелёв В.В. О феноменологическом подходе к оценке влагопереноса в зоне аэрации криолитосферы (на примере Центральной Якутии) [J]. Материалы Первой конф. геокриологов России Изд-во Моск. ун-та, 1996(2):91-100.

[6]Шепелёв В.В. К понятию о зоне аэрации криолитосферы. Современные проблемы гидрогеологии.[M] СПб: Изд-во С.Петерб. ун-та, 1996:51-53.

[7]Шепелёв В.В. Фазовые переходы водыоснова природных водообменных циклов. Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже 3-го тысячелетия. [M]Томск: Изд-во НТЛ, 2000:495-498.

[8]Шепелёв В.В., Шац М.М. Геоэкологические проблемы обводнения и подтопления территории г. Якутска[J]. Наука и образование,2000(3):68-71.

[9]Шепелёв В.В. О круговороте природных вод[J].Вод. ресурсы,2001(4):418-423.

[10] Шепелёв В.В. О схеме круговорота природных вод[M].Докл. VI Всерос. гидрологического съезда. Секц. 3, ч. 1: Метеоагентство Росгидромета, 2008:72-76.

[11] Shepelev V.V. A classification of ground water in the cryolithozone[M].Washington: Nat.Acad.Press,1983:1139-1142.

[12] Цытович Н.А. К теории равновесного состояния воды в мерзлых грунтах[J].Изв. АН СССР. География и геофизика,1945(5):493-502.

[13] Основы геокриологии (мерзлотоведения). Общая геокриология[М]. Изд-во: АН СССР, 1959:460.

[14] Основы гидрогеологии. Общая гидрогеология[М]. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1980:231.

[15] Овчинников AM. Общая гидрогеология[М]. Госгеолтехиздат, 1955:383.

[16] Пиннекер Е.В. Некоторые замечания о терминологии[J].Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1975(8):270-271.

[17] Пиннекер Е.В. Предмет гидрогеологии[M]. Основы гидрогеологии.Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1980:9-40.

[18] Шепелёв В.В. К понятию о криолитосфере Земли[М].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 1997:80.

[19] Шепелёв В.В. Гидрогеологические особенности района Якутска и основные проблемы борьбы с подтоплением территории[M]. Материалы науч.-практ. конф. "Якутск столица северной республики". Якутск: Фонд "Градосфера", 1997:51-56.

[20] Алексеев С.В, Криогидро геологические системы. Формирование понятия и классификация[J]. Криосфера Земли, 2005(2):85-93.

[21] Шварцев С.Л. Новые горизонты гидрогеологии[M].Подземные воды востока России: Материалы Всерос. совещ. Тюмень: Тюм. дом печати, 2009:3-7.

[22] Фотиев С.М. Подземные воды и мерзлые породы Южно-Якутского угленосного бассейна[М]. Наука, 1965:230.

[23] Фотиев С.М. Проблема взаимодействия подземных вод и мерзлых толщ в различных типах гидрогеологических структур на территории СССР[J]. Материалы 8-го Всесоюз. междувед. совещ. по геокриологии (мерзлотоведению). Якутск, 1966(2): 38-47.

[24] Фотиев С.М. Роль химического состава и минерализации подземных вод в процессе промерзания водоносных комплексов Сибирской платформы[J]. Геокриологические и гидрогеологические исследования при инженерных изысканиях, 1971(2): 205-209.

[25] Фотиев С.М. Гидрогеологические особенности криогенной области СССР[М]. Наука, 1978:236.

[26] Фотиев С.М. Криогенный метаморфизм пород и подземных вод (условия и результаты) [М]. Новосибирск: Акад. изд-во "Гео", 2009:279.

[27] Мотрич Л.Т., Калмыков П.А. Опыт управления взаимодействием подземных вод с многолетнемерзлой толщей[J]. Материалы 8-го Всесоюз. междувед. совещ. по геокриологии (мерзлотоведению)Якутск, 1966(2):206-211.

[28] Романовский Н.Н, Подземные воды области распространения многолетнемерзлых пород и их взаимодействие с мерзлыми толщами[M].Общее мерзлотоведение: Изд-во Моск, ун-та, 1967:310-330.

[29] Романовский Н.Н., Чижов А.Б. Вопросы взаимосвязи и взаимодействия подземных вод и мерзлых горных пород[J].Весты. Моск, ун-та. Геология, 1967(4):22-36.

[30] Чижов А.Б. О роли взаимодействия многолетнемерзлых пород и подземных вод в формировании мерзлотно-гидрогеологических условий (на примере Западной Якутии) [J]. Мерзлотные исследования Изд-во Моск. унта, 1968(8):111-122.

[31] Чижов А.Б. Вопросы исследования мерзлых пород и подземных вод как саморегулирующей системы[J]. Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1973(6):56-59.

[32] Кудрявцев В.А. Романовский Н.Н., Чижов А.Б. Взаимодействие подземных вод с многолетнемерзлыми породами[M]. 24-я сессия Междунар. геол. конгресса,Гидрогеология и инженерная геологияДокл: Наука, 1972:57-69.

[33] Кудрявцев В.А. Чижов А.Б. Тепловое взаимодействие мерзлых вод с подземными водами[J]. Материалы Всесоюз. науч. совещ. по мерзлотоведению: Изд-во Моек, ун-та, 1972:63-65.

[34] НеизвестновЯ．В．тлстхинИ., Томирдиаро С ВЗемлииние криогенеза на формирование подземных вод[M].МлтериалыВсесоюз.науч. совещ: по мерзлотоведениюИзд-во Моск. ун-та, 1972:94-107.

[35] Пиннекер Е.B. Взаимодействие криолитосферы и подземных вод глубоких го- ризонтов артезианских бассейнов[J]. Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1973(5):106-110.

[36] Алексеев В.Р.Наледи Саяно-Байкальского нагорья[J]. Наледи и наледные процессыВосточной Сибири:Иркутск,1976:22-87.

[37] Алексеев В.Р.,ИванновА.В.Криогенная метаморфизация природных вод и её рольв круговороде веществ[M].Докл.Ин-то географии Сибирии и Дальнеого Востока.Новосибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1976:31-40.

[38] Алексеев В.Р.,Сизиков А.В.Динамическое особенностиналедей подземных вод Центрального Закайкалья[J]. Наледи и наледные процессы в Восточной Сибирии: Иркутск,1976:88-97.

[39] Алексеев В.Р., Фурман М.М. Наледи и сток[М].Новосибирск: Наука. Сиб. отд- ние, 1976:118.

[40] Басков ЕА. Основные черты взаимодействия поверхностных и подземных вод в гидрогеологических структурах разного типа на территории СССР[J]. Тр. IV Всесоюз. гидрологического съезда,1976(8):26-31.

[41] Зуев И.А. О гидрогеотермическом взаимодействии толщи вечномерзлых пород и подмерзлотных вод[J]. Колыма,1978(10):42-45.

[42] Пиннекер Е.В., Писарский Б .И. Особенности взаимодействия подземных вод и многолетнемерзлых пород[M].Региональная гидрогеология и инженерная геология Восточной Сибири.Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние,1978:21-27.

[43] Булдович С.Н. О роли сезонного промерзания пород в формировании гидрогеологических условий Чульманской впадины[J]. Вести. Моек, ун-та. Сер. 4. Геология,1979(5):60-67.

[44] Булдович С.Н. Особенности тепло- и влагообмена в породах в зоне развития прерывистой мерзлоты и их влияние на формирование мерзлотно-гидрогеологических условий (на примере Чульманской впадины) [М]. Автореф:дис.канд. геол.мин. наук, 1982:25.

[45] Суходольский С.Е. Парагенезис подземных вод и многолетнемерзлых пород[М]. Наука, 1982:152.

[46] Шепелёв В.В. Общие закономерности взаимосвязи подземных вод и многолетнемерзлых пород[J].Мерзлотно-гидрогеологические условия Восточной Сибири. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1984:58-61.

[47] Алексеев С.В. Криогенез подземных вод и горных пород (на примере Далдыно Алакитского района Западной Якутии) [М].Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000:119.

[48] Алексеева Л.П., Алексеев С.В. Взаимодействие подземных вод и многолетнемерзлых пород в условиях техногенеза[J].Материалы XVI Всероо. Совещ: по подземным водам Востока России.Новосибирск, 2000:77-79.

[49] Алексеев С.В. Криогидрогеологические системы Якутской алмазоносной провинции[М].Новосибирск: Акад. изд-во "Тео", 2009:319.

[50] Дроздов А.В. Захоронение дренажных рассолов в многолетнемерзлые породы (на примере криолитозоны Сибирской платформы) [М]. Иркутск: Изд-во Иркут. гос. техн. ун-та, 2007:296.

[51] Дроздов А.В, Пост Н.А., Лобанов В.В. Криогидрогеология алмазных месторождений Западной Якутии[М]. Иркутск: Изд-во Иркут, гос. техн. ун-та, 2008:507.

[52] Глотов В.Е. Гидрогеология осадочных бассейнов Северо-Востока России[М]. Магадан: Кордис, 2009:232.

[53] Brown R.J.E. Permafrost in Canada[М].Toronto:Univ.Toronto Press，1970:234.

[54] Carey K.L. Icings developed from surface water and ground water[М]. New Hampshire:Corps of Eng.U.S.Army，1973:67.

Researchin the relationship between freezing rock layers and groundwater in cold regions

Written by Viktor V.Shepelev1;Translated by DAI Changlei2,3,YU Chenggang4

(1.MelnikovPermafrostInstituteSBRAS,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080，China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080，China；4.Daxing’anlingHydrographicOfficeinHeilongjiangProvince,Jiagedaqi165000，China)

Abstract：This paper studies the relationship between gravity groundwater and freezing rock layers based on the relationship between natural water cycle system and water phase transformation.It analyzes water cycle characteristics from the perspective of hydrogeology and frozen soil.It points out that:(1) Groundwater freezing greatly changes permeability of the rock layers;(2) When rock layers with water freezes or melts,the amount of water in it will be changed,greatly influenced the hydrogeological environment and promoted the development of special low temperature physical geology process and phenomenon;(3) With the condition of groundwater agglomerate state’s heat release and consume,it’s

also the reason that the content of rock layers’ freezing and melting is restricted to hydrogeological conditions;(4) The process of freezing and melting in rock layers with water will give substantive influence,promote the function of special groundwater chemical ingredient and cause the change of groundwater chemical tropical types;(5) The aquifer’s multiple freezing and melting will change rock layers with water’s physical property,improve the fissures degree and porosity and take shape great watered-out zone in the contact surface of melting and freezing;(6) Non-freezing gravity groundwater is the reason forming the aquifer’s convection and heat current in cold regions.

Key words：natural water cycle system;water phase transformation;gravity groundwater;freezing rock layers;cold regions

中圖分類號(hào)：P641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)01-0010-09

作者簡(jiǎn)介：維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫(1941-)，男，俄羅斯薩哈共和國(guó)雅庫(kù)茨克人，博士，教授，主要從事寒區(qū)地下水相關(guān)方向的科研和教學(xué)工作。