凍結(jié)層上包氣帶邊界特征分析

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫著；戴長雷，孫穎娜，劉　月譯

(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 雅庫茨克 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)

凍結(jié)層上包氣帶邊界特征分析

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫1著；戴長雷2,3，孫穎娜3，劉月2,3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 雅庫茨克 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)

摘要：在寒區(qū)，關(guān)于凍結(jié)層上包氣帶邊界特征的分析一直備受人們關(guān)注。在充分梳理既有研究成果的基礎(chǔ)上指出：凍結(jié)層上包氣帶一般指的是位于地表與凍結(jié)層上地下水之間巖層圈最頂部的地帶；包氣帶的分類依據(jù)凍土和地貌條件劃分；在包氣帶邊界處，巖層中的孔隙氣體會和大氣圈進(jìn)行交換；凍結(jié)層上包氣帶水分遷移的影響因素有水分飽和差和熱梯度差。

關(guān)鍵詞：凍結(jié)層；包氣帶；邊界特征；水分遷移；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)的基礎(chǔ)上翻譯節(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(該研究所在中國通常被稱為西伯利亞凍土所)科研副所長、薩哈(雅庫特)共和國科學(xué)院院士、俄羅斯工程院通訊院士，長期致力于寒區(qū)地下水相關(guān)方向的科研和教學(xué)工作。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)容主要為凍結(jié)層上有關(guān)包氣帶邊界特征的相關(guān)分析，值得一提的是，本文的許多研究成果都是作者在系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上完整提出，可為國內(nèi)從事寒區(qū)水文水資源研究的同行提供一個(gè)重要的參鑒材料。

1凍結(jié)層上包氣帶的概念

巖層包氣帶，通常理解為位于地表與凍結(jié)層上地下水之間巖層圈最頂部的地帶。該層基本特點(diǎn)是：在大部分時(shí)間內(nèi)，巖層的裂隙和孔隙中充滿了水分和空氣，它們不斷地和大氣進(jìn)行能量交換。包氣帶中的液相水可能以結(jié)合水的形式存在(吸附水和薄膜水)，也可能以飽和巖層毛細(xì)水的形式存在。在包氣帶中形成臨時(shí)的重力地下水(上層滯水或季節(jié)水)。

在包氣帶中的水以兩種相位狀態(tài)存在(氣態(tài)和液態(tài))，各狀態(tài)都和巖層表面(吸附水、薄膜水、毛細(xì)水、自由水)相互聯(lián)系，包氣帶位于巖石圈和大氣圈兩大地圈的交界處，這就使其內(nèi)部水分的存儲、運(yùn)移和消耗機(jī)理極其復(fù)雜。

在多年凍結(jié)層的分布區(qū)域，由于包氣帶中出現(xiàn)固相水，且冰-水-水蒸汽相位間的變化不但在單獨(dú)巖層中進(jìn)行，還會在大部分巖層中進(jìn)行，這就使得該機(jī)理變得更加復(fù)雜。

必須指出的是，直到現(xiàn)在，研究學(xué)者們對多年凍結(jié)層的包氣帶的定義和界限沒有達(dá)成一致。有的人認(rèn)為，包氣帶就是巖層季節(jié)性融化層；有的人認(rèn)為，包氣帶只是季節(jié)性融化層的一部分；還有的人認(rèn)為，不僅季節(jié)性融化層屬于包氣帶，所有的多年凍結(jié)層或部分多年凍結(jié)層都屬于包氣帶[1-3]。

2寒區(qū)包氣帶的垂向劃分

在蘇聯(lián)地區(qū)包氣帶分布地圖(1∶5 000 000)中[4]，對多年凍結(jié)層分布區(qū)內(nèi)包氣帶的相關(guān)問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究。A.И.葉菲莫夫、P.Я.科爾德舍娃在一部描述該圖編制方法的著作中，指出：在多年凍結(jié)層的分布區(qū)域，位于地表和自由水面含水層之間的包氣帶巖層中，入滲水與包含在裂隙和空隙中的氣體有關(guān)。之后，他們具體闡釋了這一概念，如包氣帶巖層：①長期地或暫時(shí)地存在于凍結(jié)層上水的自由水面上；②存在于地下水的自由水面上(包括凍結(jié)層上-間水)在閉合融區(qū)與透水融區(qū)的形成地帶上[5]。

在這類觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)凍土和地貌條件，研究者們提出了包氣帶的分類(圖1)。圖1指出，在活動層和多年凍結(jié)層融合時(shí)，包氣帶下部的巖層夏季發(fā)生融化的深度或者季節(jié)融化層水水位狀況。在這些條件下，季節(jié)性凍結(jié)層不視為包氣帶的組成部分，因?yàn)榘鼩鈳е挥性谙募静艜纬桑揪蜁А?/p>

當(dāng)活動層與多年凍結(jié)層不融合，或者后者不存在的情況下，包氣帶下部邊界或者是凍結(jié)層上地下水水位的反映，或者是地下水蘊(yùn)藏深度的反映。因此，這種情況與前面不同，季節(jié)性凍結(jié)層被視為包氣帶的組成部分。

1—多年凍結(jié)層；2—短期不含水的解凍層；3—永久不含水的解凍層；4—帶自由水面的地下水；A—包氣帶；HT—季節(jié)性融化層；HM—季節(jié)性凍結(jié)層；T—無凍結(jié)-融化的包氣帶巖層；M—多年凍結(jié)層圖1　不同地貌和凍土條件下的包氣帶示意圖

在圖1中還反映了包氣帶邊界的其他情況。例如，劃分了冬季時(shí)凍結(jié)的包氣帶區(qū)和不凍結(jié)的包氣帶區(qū)。Г.В.索洛維耶娃在描述編制地圖的原則時(shí)，指出：冬季時(shí)，在凍結(jié)的包氣帶區(qū)，當(dāng)活動層凍土和多年凍結(jié)層頂部重合時(shí)，包氣帶將不再存在。她認(rèn)為，冬季時(shí)，不凍結(jié)的包氣帶區(qū)會暫時(shí)和冬季凍結(jié)層的大氣層分開。

這樣，依據(jù)編制地圖的原則，在凍結(jié)的包氣帶區(qū)，活動層與多年凍結(jié)層重合時(shí)，冬季凍結(jié)層不作為包氣帶的組成部分。在不凍結(jié)的包氣帶區(qū)，當(dāng)活動層和多年凍結(jié)層頂部分開或者多年凍結(jié)層消失時(shí)，冬季凍結(jié)層可理解為是包氣帶上的臨界不透水面(區(qū)別于A.И.葉菲莫夫.和.P.Я.科爾德舍娃的定義)。

3凍結(jié)層上包氣帶的邊界

對多年凍結(jié)層分布區(qū)包氣帶的邊界定義模糊，主要是背離了包氣帶概念造成的結(jié)果。如上文所述，地質(zhì)剖面的近地表部分通常屬于包氣帶，在包氣帶邊界處，巖層中的孔隙氣體會和大氣圈進(jìn)行交換。因此，無論它處于凍結(jié)還是解凍狀態(tài)，地表狀態(tài)都對其上邊界產(chǎn)生影響。

包氣帶的下部邊界或是長期存在的飽和巖層，或是整個(gè)冰飽和巖層。在第一種情況下，距穩(wěn)定的含水層表面的第一個(gè)水平面成為了包氣帶的下邊界，其中也包括凍結(jié)層上地下水的水平面。在第二種情況下，如果剖面圖上沒有長期存在的凍結(jié)層上地下水，有理由認(rèn)為冰飽和的多年凍結(jié)層頂部埋藏深度就是包氣帶下邊界。類似的情況還可以在下述兩種情況中觀察到：一種是活動層與飽和冰的多年凍結(jié)層頂部交匯時(shí)；另一種是多年凍結(jié)層與含冰的活動層分離時(shí)。

本文作者在其著作中[6-8]，更加詳實(shí)地?cái)⑹隽硕嗄陜鼋Y(jié)層分布區(qū)內(nèi)包氣帶的界線，詳情見圖2。當(dāng)活動層和多年凍結(jié)層交匯時(shí)，包氣帶就是該層的厚度。只有當(dāng)埋藏深度低于凍結(jié)層時(shí)，包氣帶厚度才會更大。因此，冬季時(shí)，包氣帶并不消失，而是在和季節(jié)凍層聯(lián)系中轉(zhuǎn)化成另一種狀態(tài)。在包氣帶中形成的地下冰會降低巖層的滲透性，使水的入滲變得困難，然而卻不影響該層水汽和大氣的交換。除此之外，根據(jù)各年的權(quán)威著作中所記載的結(jié)果，一些松散巖類在發(fā)生凍結(jié)后，其滲透性不但沒有減小，甚至還會增加[9-15]。例如，在很多著作中都指出，凍結(jié)后的黏土滲透性增加了5～140倍。首先，這與凍結(jié)層中低溫裂紋和微裂紋的形成有關(guān)，還與在凍結(jié)過程中孔隙度的增加有關(guān)?？紫抖仍龃笫怯捎诜蹱钗⒘ＤY(jié)成各種形狀的粉粒團(tuán)和結(jié)構(gòu)個(gè)體。

在夏季形成的季節(jié)性融化層水，依據(jù)埋藏條件，劃歸為多年凍結(jié)層分布區(qū)的包氣帶地下水。必須指出的是，評估季節(jié)性融化層的凍結(jié)層上水埋藏條件的方法，目前只在教學(xué)文獻(xiàn)中論述過。例如，在莫斯科大學(xué)的В.М.舍斯塔科夫和 М.С.奧爾洛夫1984年編寫的教材《水文地質(zhì)學(xué)》中，季節(jié)性融化層的凍結(jié)層上水被視為特殊的包氣帶地下水范疇[16]。

如果季節(jié)性凍結(jié)層不與多年凍結(jié)層交匯，或者多年凍結(jié)層不存在時(shí)，包氣帶的下邊界由具體的水文地質(zhì)狀況決定。因此，它受穩(wěn)定存在的凍結(jié)層上地下水的埋藏深度或地下含水層本身的影響。包氣帶或者會完全包含季節(jié)性凍結(jié)層，或者只包含它的一部分，或者在某一時(shí)期，完全不含該層。同時(shí)，也應(yīng)該把這種條件下形成的凍結(jié)層上層滯水列入包氣帶地下水的范圍內(nèi)。因?yàn)樗诎鼩鈳?nèi)臨時(shí)形成，而后在季節(jié)性凍結(jié)層完全融化后消失。

在活動層與多年凍結(jié)層交匯的觀測區(qū)域，包氣帶的下邊界由凍土條件決定。因此，當(dāng)凍結(jié)層剖面較深時(shí)，包氣帶厚度或與活動層厚度一致，或超過活動層厚度。在季節(jié)性凍結(jié)層與多年凍結(jié)層不交匯區(qū)域，當(dāng)多年凍結(jié)層不存在時(shí)，包氣帶下邊界由水文地質(zhì)條件決定。這種情況下，包氣帶厚度與穩(wěn)定的凍結(jié)層上水或地下水埋藏深度一致。

4凍結(jié)層上包氣帶水分遷移影響因素

在有關(guān)多年凍結(jié)層分布區(qū)內(nèi)包氣帶邊界見解的基礎(chǔ)上，根據(jù)水分轉(zhuǎn)移在凍結(jié)層上水的水位和水化學(xué)動態(tài)狀況的形成過程，以及水資源條件與地表水和近地面空氣相互作用中發(fā)揮的特殊作用，總結(jié)了包氣帶水分運(yùn)移的特征。

如上所述，包氣帶上邊界通常與地面水平線一致，而下邊界可以從幾厘米延伸到3～4 m深，甚至更深。可見，包氣帶包含較薄的、聯(lián)系大氣和巖層圈的接觸層。正是這種狀況確定了影響包氣帶中水分轉(zhuǎn)移強(qiáng)度和方向的兩個(gè)因素。

第一個(gè)因素與大氣層近地面空氣的水分飽和差有關(guān)。然而，深達(dá)0.1～0.3 m的包氣帶巖層中的孔隙氣體通常是充滿水分的。因此，由于水汽飽和濕度差，包氣帶在全年的任何晝夜，水汽都會蒸發(fā)到大氣中。針對這種情況，A.A.羅德寫道：“可以這樣說，水汽不飽和大氣層似乎具有某種能量，它可以從土壤中吸取水汽[17]。應(yīng)當(dāng)注意，大氣的這種吸入力，實(shí)際上會引起水汽蒸發(fā)和土壤干旱。而且，大氣層可以無限地從包氣帶中吸收水汽。

可見，大氣吸入力的大小由近地面的水汽飽和濕度差決定(ΔEd)。該參數(shù)的大小可由已知的公式得出：

(1)

式中：ps為飽和水汽壓，Pa；pu為近地面空氣的水汽分壓，Pa。

水汽透過包氣帶的蒸發(fā)強(qiáng)度可以用以下公式表達(dá)：

(2)

式中：Jd ω為透過包氣帶孔隙氣體介質(zhì)的水汽的濃度擴(kuò)散強(qiáng)度；Df n為水汽的濃度擴(kuò)散系數(shù)；γc k為土壤骨骼的質(zhì)量；Pa為大氣壓。

在式(2)中，水汽的濃度擴(kuò)散系數(shù)受包氣帶孔隙度和水分含量的影響。

(3)

式中：n為巖層平均孔隙度；ωe為包氣帶巖層平均含水率；Do為水汽在大氣中的分子擴(kuò)散系數(shù)，它受溫度影響較小，平均約為0.22×10-4m2/s。

式(2)可以轉(zhuǎn)換為：

(4)

由于包氣帶厚度較小，且與大氣層聯(lián)系較多，包氣帶巖層中的氣壓一般和大氣壓力差別甚微。因此，在式(4)中，Pa的大小反映了巖層的滲汽性受氣壓條件影響。在同等條件下，當(dāng)大氣壓降低時(shí)，包氣帶巖層的透氣性將增加。

引起包氣帶水汽運(yùn)移下滲的第二個(gè)因素是熱梯度差。它由近地面與包氣帶巖層孔隙氣體的溫度差決定，會引起水流和水汽的上升或下降。在一年中的暖季，當(dāng)近地面氣溫超過包氣帶下邊界巖層的溫度時(shí)，水流將會下降。眾所周知，當(dāng)兩股對流的夾雜水汽且溫度不同的潮濕空氣移動時(shí)，水蒸汽會發(fā)生冷凝。而且，當(dāng)氣流中的水汽發(fā)生冷凝時(shí)，氣流的溫度會更高[18-19]。據(jù)觀測，由熱梯度因素引起的、下降的濕氣流溫度升高時(shí)，濕氣流所運(yùn)輸水汽將會發(fā)生冷凝。在這種情況下，當(dāng)下降氣流中的水汽運(yùn)輸強(qiáng)度超過對流氣流的水分運(yùn)輸強(qiáng)度時(shí)，水蒸汽的冷凝量大于蒸發(fā)量。反之，如果下降氣流的強(qiáng)度小于上升的等溫氣流，那么蒸發(fā)量大于冷凝量。

在冬季，濕氣流借助熱梯度因素，從包氣帶流入大氣圈，即由于空氣濕度梯度差，引起了氣流外泄。通常，我們可以觀察到這類情況，特別是在暖季的夜間尤為明顯。可見，在這種條件下，氣流不會發(fā)生移動。然而，當(dāng)水汽流進(jìn)入到包氣帶上部的低溫環(huán)境時(shí)，由于較暖的上升水汽流遇冷，水汽接近于過飽和狀態(tài)，隨后發(fā)生冷凝。在這種情況下，冷凝或凝華過程的強(qiáng)度主要由包氣帶上部巖層的滲透性決定。如果巖層滲透性較高，上升的水汽流將很快直達(dá)近地大氣層；如果巖層滲透率不高，那么大多數(shù)水汽將會在包氣帶上部冷凝，或直接轉(zhuǎn)成冰。

5結(jié)論

關(guān)于寒區(qū)凍結(jié)層上包氣帶邊界特征的分析一直是寒區(qū)水文研究的重要議題之一。結(jié)合理論分析和自身研究，本文指出：

(1)凍結(jié)層上包氣帶一般指的是位于地表與凍結(jié)層上地下水之間巖層圈最頂部的地帶，在包氣帶中的水以氣態(tài)和液態(tài)兩種相位狀態(tài)存在。

(2)包氣帶的分類依據(jù)凍土和地貌條件劃分。在凍結(jié)的包氣帶區(qū)，活動層與多年凍結(jié)層重合時(shí)，冬季凍結(jié)層不作為包氣帶的組成部分。在不凍結(jié)的包氣帶區(qū)，當(dāng)活動層和多年凍結(jié)層頂部分開或者多年凍結(jié)層消失時(shí)，冬季凍結(jié)層可理解為是包氣帶上的臨界不透水面。

(3)在活動層與多年凍結(jié)層交匯的觀測區(qū)域，包氣帶的下邊界由凍土條件決定。在季節(jié)性凍結(jié)層與多年凍結(jié)層不交匯區(qū)域，當(dāng)多年凍結(jié)層不存在時(shí)，包氣帶下邊界由水文地質(zhì)條件決定。

(4)凍結(jié)層上包氣帶水分遷移的影響因素有水分飽和差和熱梯度差。

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Analysis of vadose zone boundary characteristics in frozen layerWritten by Viktor Vasilievich Shepelev1;Translated by DAI

Changlei2,3,SUN Yingna3，LIU Yue2,3

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences，Yakutsk677010，Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China;3.SchoolofHydraulicandElectricpower，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China)

Abstract：Analysis of vadose zone boundary characteristics in frozen layer has been drawing people’s attention in cold regions.On the basis of combing research results adequately，this paper points out:Vadose zone in frozen layer generally refers to the topmost zone in rock layer between the surface and the groundwater in frozen layer；The classification of vadose zone can be divided according to permafrost and landform condition；The pore gas in the rock layer can be exchanged with the atmosphere circle on the border of the vadose zone；The influence factors about vadose zone moisture migration in frozen layer are saturated moisture difference and thermal gradient difference.

Key words：frozen layer；vadose zone；boundary characteristics；moisture migration；cold regions

作者簡介：維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫(1941-)，男，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。 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)和科研工作。

中圖分類號：TU445;P642.14

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)05-0017-05