高寒區(qū)冰泉水探析

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫 著；戴長雷，王 敏，苗興亞 譯

(1.俄羅斯科學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 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.中國科學院寒區(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；5.黑龍江大學 中俄聯(lián)合研究生院，黑龍江 哈爾濱 150080)

?

高寒區(qū)冰泉水探析

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫1著；戴長雷2,3,4，王 敏3，苗興亞5譯

(1.俄羅斯科學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 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.中國科學院寒區(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；5.黑龍江大學 中俄聯(lián)合研究生院，黑龍江 哈爾濱 150080)

高寒地區(qū)冰泉水的探析對寒區(qū)凍結(jié)層上水的研究具有重要的意義。通過對高寒區(qū)冰泉水的探析，指出：①目前對凍結(jié)層上水冰泉形成狀況的研究還不夠深刻；②地下水冰泉的形成受負溫因素、冰凍因素、凍土因素的影響；③通過實例分析可得出：在河谷中的凍結(jié)層上地下水冰泉的形成過程具有雙波峰特性，它有2個體積最大增長值；④冰泉只由季節(jié)性融化層水形成，而沒有凍結(jié)層上地下水的參與。

冰泉水；季融層；凍結(jié)層；高寒區(qū)

1 研究進展

許多研究學者致力于研究地下水冰泉形成狀況，其中，關(guān)于凍結(jié)層上水冰泉形成狀況的研究尤為普遍[1-48]。

盡管越來越多的人開始關(guān)注這一問題，然而目前對它的研究還不夠深刻全面。針對這一現(xiàn)狀，B.P.阿列克謝耶夫認為：“主要原因在于：目前所設(shè)置的動態(tài)觀測點數(shù)量有限，而且大部分觀測點都是隨機選擇的，觀測方法也不盡相同，冰層的固有特性一般也不計。因此，總體的或區(qū)域的觀測結(jié)果具有局限性[49]?！?/p>

基于對實際數(shù)據(jù)和個人的觀測結(jié)果的分析，可以得出在一年期和多年期冬季凍結(jié)層上水冰泉形成的幾個共有特征[50-57]。

2 影響因素

地下水冰泉的形成首先受負溫因素影響。負溫因素主要影響地下水的排泄。換句話說，冰泉是一種冬季獨特的泉水上涌泉。因此可以得出，冰泉的形成主要依賴于冬季的長短和嚴寒程度，并受平均晝夜負溫變化影響。

對于凍結(jié)層上水形成的冰泉來說，冰凍因素對它們的形成，影響十分復(fù)雜。這種情況主要是因為冬季在負溫的影響下，埋藏不深的凍結(jié)層上含水層發(fā)生了凍結(jié)。這使得凍結(jié)層上水具有低溫、靜水壓性質(zhì)，使它的排泄得到強化；同時，由它形成的冰泉的水量和面積也有所提高。

通過對凍結(jié)層上水冰泉的形成進行觀察，其結(jié)果證實了凍土因素對冰泉的形成產(chǎn)生了重要影響。詳見圖1凍結(jié)層上地下水形成的冰泉的綜合發(fā)育曲線圖。其中，凍結(jié)層上地下水源自外貝加爾的水量、面積不大的克拉克河的河底沉積層[58-59]。

在初冬(10月)的結(jié)冰區(qū)，季節(jié)性凍結(jié)層的底部邊界通常高于凍結(jié)層上水水位。因此，凍結(jié)層上水的排泄只靠水力梯度就可以實現(xiàn)。在此期間，增冰量不是很明顯，因為大部分凍結(jié)層上地下水從河床下流走。冰泉的首次噴水一般始于11月，此時，季節(jié)性凍結(jié)層的底部邊界達到凍結(jié)層上水的埋藏深度，凍結(jié)層上水具有了水壓。冰泉再次噴水發(fā)生在冬末，此時，結(jié)冰區(qū)的凍結(jié)層上地下水具有低溫靜水壓。

圖1 受凍結(jié)層上水和季節(jié)性凍結(jié)層影響的冰泉發(fā)育曲線圖

3 實例分析

通過分析實例以及其他觀測結(jié)果，可以看出：在河谷中的凍結(jié)層上地下水冰泉形成的過程中，冰泉的形成過程具有雙波峰特性，它有2個體積最大增長值[見圖2(b)、圖2(c)]。第一個波峰的形成與在河谷的河漫灘階地上發(fā)育的，季節(jié)性融化層的凍結(jié)層上水的冬季凍結(jié)有關(guān)。第二個波峰的形成主要是由于結(jié)冰區(qū)巖層凍結(jié)，凍結(jié)層上水流的橫截面最大程度的收縮造成的。

當由凍結(jié)層上地下水形成的冰泉位于河床區(qū)和河灘區(qū)以外時，在它的形成過程中，通常只有一個體積最大增長值，一般出現(xiàn)在冬末。在冬季前期，冰泉的增長強度相對較低，主要由于過境水沿著由冰泉形成的河道流淌[見圖2(a)]。在冬季后期，由于河道凍結(jié)，河床下融區(qū)泄水能力大大減弱，冰泉形成的強度明顯提高。在冬季后期，冰泉凍結(jié)所形成的冰錐約占總體的70%～80%。

圖2 各凍結(jié)層上水冰泉形成狀況(△Wn冰泉體積增長值)

在冬末，冰錐體積出現(xiàn)最大增量，這為定位(在水力梯度作用下排泄的)凍結(jié)層上地下水提供了有利條件。B.M.皮古佐娃與O.H.托爾斯基辛認為，冰泉體積的最大增量被計作冬季冰泉的出水量指數(shù)是合情合理的。根據(jù)增長值可以確定冬季臨界期凍結(jié)層上的地下水資源量。

(1)

由式(1)計算出了某些凍結(jié)層上和凍結(jié)層間地下水形成的冰泉的冬季出水量，將它與傳統(tǒng)水文測驗方法測量出來的夏季出水量作對比(表1)。由表1可知，地下水形成的冰泉的冬季出水量，與按傳統(tǒng)水文觀測方法測量出來的夏秋平水期的流量十分相近。必須指出的是，冬季泉水的出水量一般很難用其他方法確定，因為泉水結(jié)成的冰堵住了地下水的排泄口，大部分泉流以冰的形態(tài)蓄積。

表1 冰泉出水量對比(按冰泉指數(shù)及傳統(tǒng)水文測量方法確定的)

4 季節(jié)性融化層冰泉

關(guān)于季節(jié)性融化層的凍結(jié)層上水形成的冰泉的發(fā)展情況，文中在研究河谷區(qū)凍結(jié)層上地下水的冰泉狀況時已經(jīng)說明。然而，我們經(jīng)常觀察到這種情況——冰泉只由季節(jié)性融化層水形成，而沒有凍結(jié)層上地下水的參與。

在冬季，季節(jié)性融化層的凍結(jié)層上水形成的冰泉狀況，充分地反映了凍結(jié)層上水水文動態(tài)狀況特征。據(jù)觀測，大多數(shù)情況下，冰泉體積最大增量出現(xiàn)在11月份，有時出現(xiàn)在12月份。這不僅與含水層的凍結(jié)強度有關(guān)，還與凍結(jié)層上水的極大儲量有關(guān)。在冬季前期末，季節(jié)性融化層的凍結(jié)層上水形成了冰泉。通常，在凍結(jié)層上水枯竭時，冰泉消失。

隨著春季的來臨，冬季形成的冰泉開始受到破壞。除了冰泉與近地空氣進行熱交換外，流動的融水和迅水對冰錐的破壞十分顯著。20%～30%的冰泉是因該因素破壞。冰泉的最大破壞強度發(fā)生在積雪覆蓋銳減，河流通汛時期。冰泉與近地面的熱交換也使其受到破壞，冰泉融化的溫度系數(shù)平均為3～5 mm/℃[60]。

5 結(jié)論與討論

目前，對凍結(jié)層上水形成的冰泉的多年變化特性的研究還很薄弱。主要原因是在多年地質(zhì)斷面上觀測的和已有的冰泉動態(tài)數(shù)據(jù)不足。這一問題的研究結(jié)果表明：凍結(jié)層上水形成的冰泉斷面的多年變化特性主要受氣候條件制約。許多研究者發(fā)現(xiàn)，在最寒冷的冬季，通常冰泉形成的強度很高，相應(yīng)地，冰泉體積也達到最大。然而，這個規(guī)律是季節(jié)性融化層的凍結(jié)層上水形成的冰泉所固有的特征。對于由凍結(jié)層上地下水和位于河床區(qū)和河灘區(qū)以外的水所形成的冰泉，它們的多年變化性通常不大，冰泉多年平均變化的參數(shù)值相對有些偏差，但不超過6%～7%。

本文總體評價了關(guān)于凍結(jié)層上水形成的冰泉體積多年變化性的現(xiàn)有研究成果。須要指出的是，冰泉形成的強度受各年份氣候變化特征的影響，具有復(fù)雜的非線性特征。這種情況也指出了未來研究過程的多因素性，以及綜合處理問題的必要性。

[1] Петров В Г. Наледи на Амуро-Якутской магистрали[M].Ленинград: Изд-во АН СССР, 1930:177.

[2] Толстихин Н И. Инструкция по изучению наледей—Сборник инструкций и программных указаний по изучению мерзлых грунтов и вечной мерзлоты[М].Л енинград: Изд-во АН СССР, 1938:73-84.

[3] Толстихин Н И. Подземные воды мерзлой зоны литосферы[M].Москва: Госгеол-техиздат, 1941:202.

[4] Чекотилло А М. Наледи и борьба с ними[M]. Москва: Гушосдор НКВД СССР, 1940:136.

[5] Швецов П Ф. Подземные воды Верхояно-Колымской горноскладчатой области и особенности их проявления, связанные с низкотемпературной вечной мерзлотой[M].Москва: Изд-во АН СССР, 1951:279.

[6] Иевенко Б И, Чистяков Г Е. Тойон-Тирэхский тарын в Верхоянском хревте // Исследование вечной мерзлоты(Вып 3)[M]. Москва: Изд-во АН СССР, 1952：31-47.

[7] Калабин А И. Источники и наледи подземных вод на Северо-Востоке СССР(Вып. 7) [M]. Магадан；1958：11-32.

[8] Калабин А И.Вечная мерзлота и гидрогеология Северо-ВостокаСССР(Вып. 18)[M]. Магадан:Тр. ВНИИ-I,1960:472.

[9] Мудрое Ю В. Морфология и генезис наледей в Центральном Забайкалье—Вопросы географического мерзлотоведения и перигляциальной морфологии[M]. Мocква: Изд-во Моек, ун-та, 1962:173-183.

[10] Лыло В М.Методы полевых исследовании и учета наледий при изучении режима рек —Материалы по мерзлотоведению Сибири и Дальнего Восто- ка[M]. Иркутск,1964：74-85.

[11] Румянцев Е А. Анализ динамики наледей и эффективности различных типов противоналедных устройств на Забайкальской и Дальневосточной желез- ных дорогах[D]. Хабаровск:Автореф. дис. канд. техн. наук,1966: 22.

[12] Румянцев Е А. Режим надмерзлотных вод Керакского наледного участка и связанные с ним особенности развития наледи — Мерзлотно-гидрогеотер- мичческие и гидрогеологи-ческие исследования на Востоке СССР[М]. Москва: Наука, 1967： 40-50.

[13] Румянцев Е А. Влияние мерзлотно-гидрогеологических условий на динамику грунтовых наледей —Наледи Сибири[М]. Москва:Наука, 1969：117-127.

[14] Румянцев Е А. Теория наледных процессов и практика противоналедных мероприятий[M].Хабаровск: Изд-во ХабИИЖТ, 1982：58.

[15] Румянцев Е А. Механизм развития наледного процесса—Проблемы наледеоб- разования[M]. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991： 55-66.

[16] Чижова Н И. Изучение наледей подземных вод при гидрогеологической съемке и оценке подземного стока в области распространения многолетнемерзлых пород на примере Южной Якутии — Мерзлотные исследования[M]. Москва:Изд-во Моск. ун-та, 1966：188-193.

[17] Дзенъ П Ф. Некоторые данные наблюдений за формированием и таянием наледи на р. Нижний Ингамакит (бассейн р. Чары) [C]. Ялта:Материалы 19-й науч. конф., посвященной 50-летию Советской власти, 1967: 71-74.

[18] Пигузова В М, Толстихин О Н. Некоторые вопросы исследования наледей—Мерзлотно-гидрогеотермические и гидрогеологические исследования на Востоке СССР[М]. Москва:Наука, 1967：30-39.

[19] Шульгин М Ф.Типы и динамика наледей на Восточном Саяне —Проблемы регионального зимоведения[M].Чита：Изд-во Чит. ун-та, 1968：95-96.

[20] Алексеев В Р. Условия форомирования и распространения наледей на юге Якутии-Наледи Якутии[M].Новосибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1969:31-41.

[21] Алексеев В Р. Наледи Сбири и Дальнего Востока - Сиб.геогр.сб[M].Новосибрик: Наука. Сиб.отд-ние,1974(8): 5-68.

[22] Алексеев В Р. Наледи Саяно-Байкальского нагорья-Наледи и наледные процессы Восточной Сибири[M].Иркутск：Ин-т географии СО РАН, 1976:22-87.

[23] Алексеев В Р.Наледи и наледные процессы[M].Новосибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1978:189.

[24] Алексеев В Р. Основные проблемы наледеведения-Проблемы наледеведения[M].Но- восибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1991:5-23.

[25] Алексеев В Р.Вода и лёд в криосфере Земли -Фундаентальные проблемы изучения и использования воды и водные ресурсов[M].Иркутск:Ин-т географии СО РАН,2005:4-7.

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

[27] Алексеев В Р,Сизиков А В.Динамическое особенностиналедей подземных вод Центрального Закайкалья -Наледи и наледные процессы в Восточной Сибирии[M].Иркутск：Ин-т географии СО РАН, 1976:88-97.

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

[29] Букаев Н А. Основные закономерности режима гигантских наледей в верховьях р. Колымы— Наледи Сибири[M].Москва： Наука, 1969： 62-78.

[30] Соколов Б Л. Исследование закономерностей формирования наледей[M]. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1970:73-96.

[31] Соколов Б Л. Математическое описание процессов формирования и разрушения наледей[M].Обнинск: ВНИИГМИ, 1977:64.

[32] Соколов Б Л. Стокоформирующая роль наледей[J].Вод. ресурсы, 1986,( 1 ):3-14.

[33] Соколов Б Л. Гидрология наледей. Основные итоги и задачи исследований—Проблемы наледеведения[M]. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991：24-40.

[34] Башлаков Я К. К вопросу о формировании и абляции наледей в бассейне р. Чуй — Проблемы зимоведения(Вып. 4) [M]. Чита, 1972： 78-80.

[35] Рябов В К, Полин Ю К. Динамика развития наледей и инженерно-геологические условия на автомобильных дорогах Дальнего Востока в зимний период —Проблемы зимоведения[M]. Чита,1972：76-78.

[36] Алексеев В Р,Дзень П Ф. Динаика наледи подземных вод по данным ежедневных наблюдений-Проблемы наледеобразования[M]. Чита：Изд-во Чит. гос. техн. ун-та, 1973:104-107.

[37] Алексеев В Р,Фурман М М.Многолетния изменчивость пораметров Нижне-Инга- макитской наледи(Северное Забайкалье) Пробремы наледеоброзования[M]. Чита：Изд-во Чит. гос. техн. ун-та, 1973:98-102.

[38] Невский С Д. Методика количественной оценки наледей надмерзлотных вод —Проблемы наледеобразования[M].Чита, 1973：28-30.

[39] Федоров А М. Режим формирования наледей Аимо-Учурского междуречья—Региональные и тематические исследования[M].Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1975： 64-68.

[40] Алексеев В Р,Сизиков А В.Динамическое особенностиналедей подземных вод Центрального Закайкалья -Наледи и наледные процессы в Восточной Сибирии[M].Иркутск：Ин-т географии СО РАН, 1976:88-97.

[41] Казаков А П. Исследовгииие наледей на автомобильных дорогах Сибири —Наледи и наледные процессы в Восточной Сибири[M].Чита, 1976： 124-151.

[42] Климовский И В. К динамике наледного процесса в верховьях ледниковых долин(Инженерно-геологические и мерзлотные условия Дальнего Востока[M]. Хабаровск: Изд-во ХГТУ,1977: 51-55.

[43] Бойцов А В. Динамика образования средних по размеру наледей в Южной Якутии —Исследование наледей[M]. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1979：97-105.

[44] Бойцов А В. К вопросу о методике режимных наледных наблюдений—Методика гидрогеологических исследований криолитозоны[M]. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1983：91-96.

[45] Марков М Л.Внутри годовая динамика наледей подземных вод и методыеё расчета—Проблемы наледеведения[M] Новосибирск,Наука.Сиб .отдˉн и е,1991:103-116.

[46] Верхотуров А Г, Трифонова Н В, Кудрявцева И И. Некоторые закономерности распространения и формирования наледей в Забайкалье [C]. Докл. I науч.-техн. конф. Горного ин-та. Чита: Изд-во Чит. гос. техн. ун-та, 1998:51-53.

[47] Верхотуров А Г. Мониторинг опасных наледных процессов на территории Читинской области [C]. Докл. III науч.-техн. конф. Горного ин-та. Чита: Изд- во Чит. гос. техн. ун-та, 2000:148-150.

[48] Шестернев Д М, Верхотуров А Г.Наледи Забайкалья[M].Чита: Изд-во Чит. ун-та, 2006: 213.

[49] Алексеев В Р. Основные проблемы наледеведения-Проблемы наледеведения[M].Но- восибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1991:5-23.

[50] Шепелёв В В. Оценка наледного питания и надледного стока бассейнов рек Момы и Тихон-Юрях (притоки Индигирки) —Геокриологические и гидрогеологические исследования Сибири[M]. Якутск: Кн. изд-во, 1972： 187-189.

[51] Шепелёв В В. Оценка суффозионно-эрозионной деятельности источников Центральной Якутии [J]. Изв. вузов. Геология и разведка, 1972,(9)： 88-92.

[52] Шепелёв В В. Некоторые вопросы изучения режима и классификации наледей мерзлой зоны литосферы // Проблемы наледеобразования[M].Чита： Изд-во Чит. ун-та, 1973： 14-18.

[53] Шепелёв В В. Режим наледей Северо-Востока СССР—Проблемы наледеобразования[M].Чита：Изд-во Чит. ун-та, 1973：45-47.

[54] Шепелёв В В. Особенности разгрузки подземных вод мерзлой зоны—Вопросы гидрогеологии криолитозоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1975： 45-56.

[55] Шепелёв В В. О взаимосвязи озер и подземных вод на массивах развеваемых песков Центральной Якутии —Гидрогеологические условия мерзлой зоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1976： 46-59.

[56] Шепелёв В В. Перераспределение воды в промерзающих грубодисперсных горных породах и надледные явления —Гидрогеологические исследования криолитозоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1976：93-99.

[57] Шепелёв В В. Режим источника и наледи Мугур-Тарын в Центральной Якутии // Исследование наледей[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1979： 87-97.

[58] Румянцев Е А. Режим надмерзлотных вод Керакского наледного участка и связанные с ним особенности развития наледи — Мерзлотно-гидрогеотер- мичческие и гидрогеологические исследования на Востоке СССР[М]. Москва: Наука, 1967： 40-50.

[59] Румянцев Е А. Влияние мерзлотно-гидрогеологических условий на динамику грунтовых наледей —Наледи Сибири[М]. Москва:Наука, 1969：117-127.

[60] Пигузова В М, Шепелёв В В. Методика изучения наледей[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1975: 62.

Analysis of ice fountain of alpine region

Written by Viktor Vasilievich Shepelev1; Translated by DAI Changlei2,3,4, WANG Min3, MIAO Xingya5

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China;5.JointgraduateschoolofChina&Russia,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Analysis of ice fountain of alpine region is important to study the frozen groundwater of cold region. Through the analysis of the ice fountain of alpine region. It points that: (1)The current study of forming conditions of the ice fountain of the frozen groundwater is not impressive enough; (2)The formation of ground ice fountain is affected at negative temperature factors, frozen factors, permafrost factors. (3)Through the analysis of the example: in the course of the upper valley of the formation of ground ice fountain, the formation of ice fountain having a double peak characteristics, it has the largest volume increase of two values; (4)Ice fountain only consists of water spring melt layer formed by the seasonal, but not participating in frozen layer on groundwater.

ice fountain; seasonal freeze and melt layer; region layer; alpine region

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)

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫(1941-)，男，俄羅斯薩哈共和國雅庫茨克市人，博士，教授，主要從事寒區(qū)地下水相關(guān)方向的科研和教學工作。

譯者簡介：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和科研工作。

P641

A

2096-0506(2016)10-0018-06