寒區(qū)包氣帶凍結(jié)土壤垂向水熱參數(shù)監(jiān)測方案分析與設(shè)計

高　宇，商允虎，戴長雷，伍根志，劉　月，逄淑然

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

3.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

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寒區(qū)包氣帶凍結(jié)土壤垂向水熱參數(shù)監(jiān)測方案分析與設(shè)計

高宇1,2,3，商允虎3，戴長雷1,2,3，伍根志1,2，劉月1,2，逄淑然1,2

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

3.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

摘要：參數(shù)測定是包氣帶凍土研究的基礎(chǔ)和難點，在分析已有研究的基礎(chǔ)上，以綜合質(zhì)量含水量(含冰量與未凍水含量)、凍土溫度為目標(biāo)參數(shù)，立足野外原位監(jiān)測，設(shè)計提出了以語音式低溫地溫計、凍土水熱遙測裝置、凍土水熱簡易監(jiān)測裝置為基礎(chǔ)的監(jiān)測方案，并結(jié)合黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)凍土水文試驗場凍結(jié)條件下包氣帶土壤垂向水熱實際試測結(jié)果，對監(jiān)測方案進行了分析和評價。

關(guān)鍵詞：凍土；水熱參數(shù)；監(jiān)測；儀器；方法；寒區(qū)

1問題的提出

凍土是指負溫條件下，含冰的巖土。一般可分為短時凍土、季節(jié)凍土以及多年凍土。地球上多年凍土、季節(jié)凍土和短時凍土區(qū)的面積約占陸地面積的70%，其中，多年凍土面積占陸地面積的25%[1]。凍土使得寒區(qū)的水文循環(huán)機理產(chǎn)生了本質(zhì)的變化，這種變化致使寒區(qū)在生態(tài)環(huán)境與生活生產(chǎn)方面存在著種種與非寒區(qū)不同的現(xiàn)象，如凍土保墑、春澇、春汛以及冰凌洪水等。因此凍土水文研究的是寒區(qū)合理開發(fā)與寒區(qū)人民財產(chǎn)安全保障的關(guān)鍵。其中水熱參數(shù)監(jiān)測，貫穿于絕大部分凍土水文研究，是凍土水文研究的核心內(nèi)容之一。Jame等[2]用雙γ線衰減法觀察到了水流沿溫度梯度的變化。Flerchinger等[3]于1989年開發(fā)了SHAW模型，主要用于垂向一維凍土水熱耦合模擬。Jansson 等[4]在SOIL與SOILN的基礎(chǔ)上，開發(fā)出水熱傳輸模型COUP。陽勇等[5]則利用COUP構(gòu)建了祁連山凍土區(qū)的水熱傳輸模型。李瑞平[6]通過基礎(chǔ)實驗與SHAW數(shù)值模擬研究探討了內(nèi)蒙古河套灌區(qū)凍融期水熱遷移規(guī)律。戴長雷等[7-8]在封凍期以地表以下20 cm、40 cm、80 cm和100 cm土壤為研究對象，完成了積雪和凍土保墑監(jiān)測試驗設(shè)計。王子龍[9]以雪被與凍土為聯(lián)合體，研究探討了聯(lián)合體中的水熱交換規(guī)律以及相關(guān)數(shù)值模擬。

凍土水熱參數(shù)是凍土水熱遷移研究、凍土水熱模型構(gòu)建以及凍土墑情研究的主要數(shù)據(jù)支撐。而在已有文獻與研究中對水熱研究支撐數(shù)據(jù)來源、監(jiān)測方法以及精度涉獵較少。鑒于此，本文以位于哈爾濱市的黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)為研究區(qū)，提出了凍土水熱參數(shù)監(jiān)測方案，介紹了方案所涉及到的方法與相關(guān)儀器，并對儀器的應(yīng)用效果與精度進行了分析。

2凍土水熱參數(shù)的分析與選擇

2.1特征參數(shù)分析

基于已有文獻，總結(jié)梳理出定量描述凍土基本水熱性質(zhì)的參數(shù)主要包括未凍水含量、含冰量、飽和差、凍土溫度與熱通量。

未凍水含量是指巖土在穩(wěn)定負溫條件下，以液相形式存在的水的質(zhì)量與巖土總質(zhì)量之比。其表達式見式(1)。

(1)

式中：mw為凍土中未凍水質(zhì)量；ms為土粒質(zhì)量；mi為凍土中冰的質(zhì)量。

在凍結(jié)土壤中，大部分水分由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔唷６蚬滔囝w粒表面的電荷作用與分子力的作用，仍有部分水分以液相存在，其含量與溫度存在著動態(tài)關(guān)系，隨溫度的升高(降低)而升高(降低)。未凍水的存在也使得溫度成為凍土特性主要影響因素[10]。

凍土未凍水含量的常用測定方法為核磁共振原理的時域反射儀(TDR)。國內(nèi)的冷毅飛等[11]與陳友昌等[12]通過對土壤溫度與熱量的監(jiān)測，計算出溫度變化過程中由水發(fā)生相變放出或吸收的熱量，進而推算未凍水含量。

凍土含冰量分為質(zhì)量含冰量與體積含冰量，即凍結(jié)巖土中冰的質(zhì)量(體積)與巖土的總質(zhì)量(總體積)之比，表達式見式(2)。

(2)

關(guān)于凍土含冰量較成熟的直接測量方法較少，含冰量的測定通常分為凍結(jié)土壤總含水量監(jiān)測與未凍水含量監(jiān)測兩個步驟。

飽和差是指單位面積上的潛水上升單位水頭所需要的補給量。有別于給水度，飽和差不僅受巖性與潛水埋深的影響，也與上升段的巖土初始含水量有關(guān)。

凍土溫度是表征凍土冷熱的物理量，常用單位℃。主要測量工具為溫度計。凍土溫度不僅是凍土區(qū)別與非凍土的重要標(biāo)志，還是凍土物理與水理性質(zhì)的主要影響因素。凍土熱能量是凍土在單位時間、單位面積內(nèi)的熱量收支情況，是凍土溫度變化的驅(qū)動力。

2.2目標(biāo)參數(shù)的選定

實驗主要研究對象為土壤包氣帶(非飽和帶)，根據(jù)實驗條件與實驗?zāi)康模Y(jié)合凍土的基本物理與水理性質(zhì)，選定本實驗的主要監(jiān)測參數(shù)為綜合質(zhì)量含水量(含冰量與未凍水含量)與凍土溫度。

3監(jiān)測儀器與監(jiān)測方法的分析與選擇3.1相關(guān)儀器與方法的分析3.1.1凍土含水量監(jiān)測

如今用于土壤含水量監(jiān)測的方法中較為常見的有5類。

γ射線法：發(fā)射的γ射線穿透土壤時，根據(jù)衰減度和土壤濕度的關(guān)系確定出土壤水分。

中子法：利用已有的快中子碰撞氫原子的慢化速度與氫含量的關(guān)系，通過測定快中子的慢化速度，計算土壤水含量。

張力計法：又稱負壓計法，通過測土壤的基質(zhì)勢來計算土壤含水量。

時域反射儀(TDR)：通過測量電磁波在埋入土壤中的導(dǎo)線的入射反射時間差求出土壤的介電常數(shù)，進而求出土壤的含水量。

鉆土、烘干、稱重法：亦稱烘干法或稱重法，是目前國際上用于測量土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)方法，也是其他監(jiān)測土壤水分的校核與標(biāo)定方法。主要操作為土鉆取土，對土樣稱重、烘干、再稱重，前后重量差值與原土樣重量的比值即為土壤含水量。

3.1.2地溫監(jiān)測

地溫監(jiān)測即是對土壤溫度進行監(jiān)測，普遍使用的方法有3種。

地溫計是測量土壤溫度的專用儀表，地溫計采用水銀玻璃溫度計作為表芯，具有感溫快，靈敏度高的特點。地溫計一般分為地面溫度計、直管地溫計、曲管地溫計、直角地溫表4種類型。

凍土溫度自動測報系統(tǒng)是利用遙測、通信、計算機和網(wǎng)絡(luò)等先進技術(shù)，完成凍土分層溫度的信息采集、傳輸和處理。

凍深觀測主要采用丹尼林凍深計，丹尼林凍深計由外部塑料管與內(nèi)部橡皮管組成，埋入土壤豎直鉆孔中，用水充填橡皮管。觀測時提出塑料管中的橡皮管，測量橡皮管內(nèi)結(jié)冰長度即是凍結(jié)深度。因此丹尼林凍深計亦是界定凍土中正負溫度的儀器[13-14]。

3.2儀器與方法的選擇

為保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，實驗對同一參數(shù)采用多種監(jiān)測方法，綜合對比、率定可用數(shù)據(jù)。

含水量主要采用中子儀與鉆土、烘干、稱重法對土壤總含水量監(jiān)測，采用時域反射儀對凍土中未凍水含量監(jiān)測，間接完成對凍土質(zhì)量含冰量的監(jiān)測。

地溫監(jiān)測主要采用常規(guī)地溫計、語音式低溫地溫計、地溫遙測自動播報系統(tǒng)對凍土進行分層溫度監(jiān)測，同時采用丹尼林凍深計對凍深監(jiān)測并標(biāo)定正負溫度分界點。

4實驗方案設(shè)計

4.1實驗?zāi)繕?biāo)的確定

實驗以現(xiàn)場原位監(jiān)測與原始數(shù)據(jù)分析為主要方式，旨在研究在一個凍融周期內(nèi)凍土水熱時空分布特征與凍土內(nèi)水分遷移特征及其與溫度的相關(guān)關(guān)系。

4.2實驗場地的選擇

選擇黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)為典型實驗區(qū)，實驗區(qū)位于哈爾濱市北部，松花江左岸，屬松嫩平原，大部分為新生界第四紀(jì)形成，主要土壤有黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土、砂土、鹽土等。多年(1956—2000年)平均年降水量為516.9 mm，豐水年降水量達762.8 mm(1960年)，枯水年降水量為323.4 mm(1976年)，豐枯水年年降水量相差439.4 mm，42年內(nèi)等于或大于平均年降水量的占54.76%，年降水量均在400～600 mm，最大月降水量311.6 mm(1960年8月)，最小月降水量為0 mm(1986年4月、1996年1月、2月)，年蒸發(fā)量為959 mm，5—6月蒸發(fā)強烈，水面蒸發(fā)726 mm。在區(qū)內(nèi)地表以下100 cm內(nèi)以20 cm為間隔，分層取土進行密度測定、粒徑分析、含水量監(jiān)測。結(jié)果表明實驗區(qū)土壤干密度在0.37~0.41 g/cm3之間，屬于細粒土(細粒組≥50%)，初凍期土壤含水量在0.219~0.272之間。

本實驗所測溫度的參數(shù)分布為地表以下10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm地溫；含水量的參數(shù)監(jiān)測點分布為地表以下10 cm、40 cm、80 cm。

4.3時間與邊界條件的控制

監(jiān)測時間：實驗水熱參數(shù)監(jiān)測時段為自凍期開始(氣溫轉(zhuǎn)負)至凍層全部融化。

監(jiān)測頻率：地溫計溫度監(jiān)測，鉆土、烘干、稱重法含水量監(jiān)測與丹尼林凍深計凍深監(jiān)測等需要人工，主要監(jiān)測的參數(shù)每5 d監(jiān)測一次。具有自動采集功能的中子儀、時域反射儀(TDR)與地溫遙測自動播報系統(tǒng)的監(jiān)測頻率為12 h/次。

邊界控制：為保證目標(biāo)凍土體的原位性，同時明確其與外界水熱的交換關(guān)系，對目標(biāo)凍土體四周進行防滲隔熱處理，監(jiān)測水熱參數(shù)的同時分別對地下水水位與地表融雪凈入滲量進行監(jiān)測。

5監(jiān)測裝置設(shè)計與集成

5.1語音式低溫地溫計

為了在低溫環(huán)境條件下，準(zhǔn)確可行實時的測定凍土溫度，設(shè)計研發(fā)了以取土鉆為載體的溫度測量與語音播報的語音式低溫地溫計。語音式低溫地溫計主要監(jiān)測對象為負溫狀態(tài)下低溫凍土溫度。

語音式低溫地溫計主要由AT89S51單片機、DS18B20溫度傳感器、ISD1420語音芯片、RT1602液晶顯示器組成，如圖1所示。電路集成如圖2所示。

圖1　語音式低溫地溫計結(jié)構(gòu)圖

圖2　電路系統(tǒng)集成圖

5.2凍土水熱遙測裝置

遙測裝置傳感器可埋于地下，長期無損傷的監(jiān)測原位土壤的含水量與土壤溫度。在實驗過程中分別對環(huán)境、地表、凍土(地表以下10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm)進行溫度監(jiān)測，對

地表以下10 cm、40 cm、80 cm墑情進行監(jiān)測。

凍土水熱遙測裝置主要由TRIME—PICO64土壤水分傳感器、中子儀探頭、信號傳輸RVVP電纜線、遠程監(jiān)測終端(RTU)、供電設(shè)備12V蓄電池與開頭電源(D-30B)、充電設(shè)備太陽能光板、信號輸出設(shè)備藍牙(HC-06)與GPRS通信模塊(F2102)、數(shù)據(jù)顯示設(shè)備TK6070iK顯示屏等組成。裝置可實現(xiàn)遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出上傳的同時對數(shù)據(jù)本地存儲。

凍土水熱遙測裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳感器如圖4所示。

圖3　凍土水熱遙測裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4　TRIME—PICO64土壤水分溫度傳感器

5.3凍土水熱簡易監(jiān)測裝置

根據(jù)實驗內(nèi)容與參數(shù)監(jiān)測要求，凍土水熱簡易裝置主要監(jiān)測土壤含水量與溫度。

土壤含水量監(jiān)測為烘干法?？捎糜谌⊥恋墓ぞ哂需F鍬、地鉆、取土鉆、電鎬等。采用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DH-101)對土樣進行烘干，電子天平對烘干土樣稱重，實現(xiàn)對土壤質(zhì)量含水量的監(jiān)測。土壤溫度監(jiān)測采用地溫計為主要材料，同時配合丹尼林凍深計確定土壤凍深。

6實際應(yīng)用與效果分析

6.1語音式低溫地溫計

彭程等[15]完成了語音式低溫地溫計的設(shè)計、研發(fā)與較準(zhǔn)。呂雅潔[16]將其作為一個主要的地溫監(jiān)測方法應(yīng)用于哈爾濱地區(qū)凍層土壤水熱參數(shù)監(jiān)測試驗研究中，同時用常規(guī)地溫計對所監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了校核，校核結(jié)果表明語音式低溫地溫計所監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差在3%以內(nèi)，可用于凍土溫度監(jiān)測。語音式低溫地溫計的探頭可裝于取土鉆的鉆頭部位，通過取土鉆可監(jiān)測指定土層的地溫。該裝置測得數(shù)據(jù)精確且連續(xù)，整理部分數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　地溫測量結(jié)果表

6.2凍土水熱遙測裝置

凍土水熱遙測裝置已被冬季較長的漠河水文站采用，作為凍土水文基礎(chǔ)參數(shù)的監(jiān)測裝置，完成野外無人站點的土壤水分與溫度監(jiān)測。應(yīng)用結(jié)果表明，溫度監(jiān)測誤差在允許范圍之內(nèi)。將常規(guī)取土、烘干、稱重與凍土水熱遙測裝置中的中子儀同頻率監(jiān)測凍土水分，監(jiān)測結(jié)果對比如表2所示。

表2　凍土墑情監(jiān)測結(jié)果對比表

由表2可知相比取土、烘干、稱重，中子儀在地表以下10 cm的凍土水分監(jiān)測誤差在7%~14%之間，40 cm與80 cm水分監(jiān)測誤差在5%以內(nèi)。根據(jù)中子儀的監(jiān)測原理，10 cm為腐殖質(zhì)層氫元素含量較多，導(dǎo)致其誤差較大。

7結(jié)論

關(guān)于土壤含水量監(jiān)測的方法主要有γ射線法，中子法，張力計法，時域反射儀(TDR)，鉆土、烘干、稱重法等。這些方法多適用于非凍土壤水分監(jiān)測，而關(guān)于凍土含水量監(jiān)測的方法與研究較少。為了探求凍土的含冰特性，本實驗采用中子儀，時域反射儀(TDR)與鉆土、烘干、稱重法監(jiān)測凍土的含水、含冰量。其中中子儀與鉆土、烘干稱重法測定凍土的總含水量；時域反射儀測定凍土中未凍水含量，從而可得其含冰量。

本實驗的凍土溫度監(jiān)測主要采用集數(shù)據(jù)采集、存儲與上傳為一體的遙測裝置，可語音播報的語音式低溫地溫計為凍土溫度監(jiān)測儀器。該裝置每隔30 min測量一次土壤的溫度，得到的數(shù)據(jù)連續(xù)性好且精確。利用丹尼林凍深計完成對凍土凍深的監(jiān)測，同時界定正負溫度范圍。

實驗研究所涉及主要參數(shù)為凍土含水量與凍土溫度。主要監(jiān)測方法可分為兩類，即常規(guī)監(jiān)測方法與傳感器采集數(shù)據(jù)。相比較而言，常規(guī)方法的通用性與公認性較強，對硬件的要求較為簡單，所監(jiān)測數(shù)據(jù)直觀且準(zhǔn)確，監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時也可標(biāo)定與校核數(shù)據(jù)采集傳感器。而數(shù)采傳感器則可以實現(xiàn)全自動、高頻率的對各參數(shù)進行監(jiān)測。兩類方法結(jié)合可為凍土水熱參數(shù)相關(guān)研究提供準(zhǔn)確的、高密度的數(shù)據(jù)支撐。

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Scheme analysis and design of frozen vadose soil vertical water and thermal parameters monitoring in cold regionGAO Yu1,2,3,SHANG Yunhu3,DAI Changlei1,2,3,WU Genzhi1,2,LIU Yue1,2,PANG Shuran1,2

(1.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China；2.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China；3.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentaland

EngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)

Abstract：Frozen vadose soil research is a key content in the development of cold region,Water and thermal parameters studies is the core content of frozen vadose soil research.This paper selects comprehensive quality content (ice content and the unfrozen water content) and soil temperature as the objective parameters.Based on the field monitoring,we put forward monitoring schemes mainly include voice type low-temperature geothermometer,frozen soil water and thermal automatic monitoring device,frozen soil water and thermal artificial monitoring device.We complete the scheme evaluation on the basis of freezing soil vertical hydrothermal actual test results in Harbin Hulan campus of Heilongjiang University.

Key words：frozen soil;water and thermal parameters;monitoring;method;cold region

中圖分類號：P641.2

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)01-0025-06

作者簡介：高宇(1992-)，女，碩士研究生，主要從事寒區(qū)地下水模擬與評價方向的學(xué)習(xí)和研究工作。E-mail: hss_gaoyu@126.com通訊作者：戴長雷(1978-)，男，副教授，博士，主要從事寒區(qū)地下水及國際河流方向的教學(xué)及科研工作。E-mail：daichanglei@126.com

基金項目：凍土工程國家重點實驗室開放基金(No.SKLFSE201310)；黑龍江省水文局項目 (No.2014230101000411)；國家自然科學(xué)基金(No.41202171)