對(duì)于寒區(qū)凍土水文特性與地下水補(bǔ)給研究

李智博

【摘要】我國的寒區(qū)凍土大多呈現(xiàn)出季節(jié)性的變化特點(diǎn)，因此，在研究過程中要將季節(jié)變化充分考慮進(jìn)去。本文首先針對(duì)季節(jié)性寒區(qū)凍土的水文特性展開分析，在此基礎(chǔ)上又得出其對(duì)地下水補(bǔ)給產(chǎn)生了一定的影響。

【關(guān)鍵詞】寒區(qū)凍土；水文特性；地下水的補(bǔ)給

我國的北部地區(qū)是主要的寒區(qū)凍土地帶，而且高原地帶居多，這些地區(qū)在一年中的多數(shù)時(shí)間都非常寒冷，冰雪覆蓋，土壤被凍結(jié)，甚至在有些地區(qū)出現(xiàn)了永久性的冰凍情況，基于此，對(duì)于寒區(qū)凍土水文特性以及地下水補(bǔ)給的研究顯得尤為必要。

一、對(duì)寒區(qū)凍土水文特性的研究

1 季節(jié)性凍土對(duì)水文特性產(chǎn)生影響

積雪和凍土改變了包氣帶厚度，而包氣帶關(guān)系到水、熱、鹽的耦合作用，由于凍土的季節(jié)性變化，水、熱、鹽均發(fā)生相應(yīng)的變化，在三者的耦合作用下，它們的遷移互相受到影響，從而導(dǎo)致凍土的容水性質(zhì)、持水性質(zhì)、給水性質(zhì)、透水性質(zhì)、含冰性質(zhì)發(fā)生改變，通過對(duì)這五個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析能夠準(zhǔn)確得出凍土的季節(jié)性對(duì)水文產(chǎn)生的影響。

2 凍土增加了土壤含水量

由于在不穩(wěn)定凍結(jié)期，土壤滲透作用較強(qiáng)，因此，雨雪大量滲透；穩(wěn)定凍結(jié)期，凍結(jié)的土壤滲透能力明顯下降，而且由于冰凍導(dǎo)致其對(duì)水分的蒸發(fā)作用減弱，從而使水分能夠長(zhǎng)期存在于土壤中；在不穩(wěn)定融化期和穩(wěn)定融化期，冰雪的大量融化使土壤水分得到供給，防止了春季干旱現(xiàn)象的發(fā)生，另外，由于凍土融化后土壤較松散，因此其滲透作用相對(duì)較強(qiáng)，有利于融水的滲入。

此外，土壤的含水率還與起始土壤含水率和潛水蒸發(fā)率等有關(guān)，下面通過數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)其加以分析。

其中，g（t）是滲水率；h（t）是深層滲水率；k（t）為相對(duì)于深層的表面徑流率；m（t）為水分蒸發(fā)率；n（t）為潛水蒸發(fā)補(bǔ)給率。

其中， Q為土壤的含水變化量；G為土壤的滲水量；H為土壤的深層滲水量；K是相對(duì)于深層的表面徑流量；M是水分的蒸發(fā)量；N是潛水蒸發(fā)補(bǔ)給量。

由于凍結(jié)期H、K、M都非常小，近似可以忽略，所以該時(shí)期土壤的含水變化量為 Q=G+N。

在不穩(wěn)定凍結(jié)期，土壤有一部分滲水量，因此，G>0；在整個(gè)凍結(jié)期，潛水蒸發(fā)對(duì)于上層土壤有一定的補(bǔ)給作用，因此，N>0，由此可知 Q>0，即在整個(gè)凍結(jié)期內(nèi)，土壤的含水量有所增加。

在融化期，潛水蒸發(fā)補(bǔ)給基本停止，即N=0；又由于不穩(wěn)定融凍使得較深凍土層存在大量的冰晶，所以土壤的深層滲水量也很少， H=0，該時(shí)期的土壤含水量變化為 Q=G-K-M。

由于融化期的氣溫較低，所以蒸發(fā)速度較慢；降雨或者融化后的水還有很大一部分存在于凍土層，因而表面經(jīng)流減少，所以土壤含水量增加。

3 凍土使土壤的蒸發(fā)能力有所降低

首先，在土壤凍結(jié)的情況下，毛細(xì)管被小冰晶堵住，從而使其對(duì)水分的輸送能力產(chǎn)生遏制作用，而水分的蒸發(fā)主要發(fā)生在表面，因此，土壤的蒸發(fā)相當(dāng)微弱。

其次，雖然融化期氣溫有所提升，但是總體來講還不能大幅度改變土壤原來的蒸發(fā)狀態(tài)，我們知道，低溫條件不利于水分的蒸發(fā)，因此，土壤的蒸發(fā)能力依然有限。

再次，在融化期，冰雪要發(fā)生大量的融化，而融化吸熱，這就使本來溫度不高的土壤大幅度降溫，甚至達(dá)到了冰點(diǎn)以下的溫度產(chǎn)生凍結(jié)現(xiàn)象，抑制了土壤的蒸發(fā)能力。

4 凍土降低了土壤的入滲能力

在凍結(jié)期，土壤的凍結(jié)正處于由上到下的延伸階段，因此，包氣帶的厚度就會(huì)減小，大氣水與地表水以及地下水之間的轉(zhuǎn)換能力也隨之降低，從而導(dǎo)致土壤的滲水能力有所下降；在不穩(wěn)定融化期，凍土主要集中在地表附近，包氣帶的厚度達(dá)到最小，相應(yīng)的，降雨或融雪的入滲能力處于最低狀態(tài)，這就是初春北方地區(qū)土地存在大量積水的原因；隨著天氣的逐漸轉(zhuǎn)暖，凍土由上到下融化，包氣帶的厚度隨之增加，大氣水、地表水、地下水之間的循環(huán)得到加強(qiáng)，促進(jìn)了雨水和融雪的滲透；當(dāng)凍土完全融化時(shí)，包氣帶的厚度會(huì)在某一時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大，這使得雨水的滲透能力也達(dá)到最大。

二、寒區(qū)凍土對(duì)地下水補(bǔ)給產(chǎn)生影響的研究

1 在凍結(jié)期，溫度會(huì)有大幅度的降低，這使得溫度勢(shì)較高，在溫度勢(shì)的作用下，土壤的重力水、毛管水、潛水蒸發(fā)之后遇冷液化的水都會(huì)上升，當(dāng)達(dá)到凍結(jié)鋒面處的時(shí)候，就會(huì)凍結(jié)成冰，透水能力微乎其微，因而，地下水難以通過降雨得到補(bǔ)給，從這一方面來看地下水的補(bǔ)給已經(jīng)非常少。

另外，在凍結(jié)期，河渠等也會(huì)結(jié)冰，流動(dòng)的水很少，而此時(shí)地下水主要通過側(cè)向徑流補(bǔ)給或跨越流域補(bǔ)給，所以從這一方面看，凍結(jié)期地下水的補(bǔ)給也很少。

2 融化期地下水的補(bǔ)給受到影響

根據(jù)之前的分析，在不穩(wěn)定融化期，土壤的滲水能力很弱，幾乎無法實(shí)現(xiàn)通過降雨或者融雪的補(bǔ)給，地下水的補(bǔ)給方式主要還是通過湖渠等的側(cè)向補(bǔ)給或者跨流域補(bǔ)給，然而，這種補(bǔ)給方式也并非收到很好的效果。在不穩(wěn)定融化期，湖渠的側(cè)向處于凍土狀態(tài)，形成了不透水層，從而導(dǎo)致其對(duì)于水的滲透能力甚微，地下水難以得到補(bǔ)給；在完全融化期，雖然凍土已經(jīng)完全融化，但是地表水已經(jīng)很少，對(duì)于地下水的補(bǔ)給作用相當(dāng)微弱。

結(jié)束語：

由于我國的寒區(qū)凍土存在著季節(jié)性的變化，因此表現(xiàn)出很多特點(diǎn)，在寒區(qū)凍土的諸多優(yōu)勢(shì)作用下，我們也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到其缺點(diǎn)，最主要的就是寒區(qū)凍土降低了地下水的補(bǔ)給效果，希望以后能加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的研究，使其不斷完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 戴長(zhǎng)雷，常龍艷，孫思淼，呂雅潔，劉月，.... 寒區(qū)凍土層水理性質(zhì)研究[J]. 黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)， 2013， 4（2）：1-8

[2] 程國棟，金會(huì)軍. 青藏高原多年凍土區(qū)地下水及其變化 [J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2013， 40（1）：1-11

[3] 常娟，王根緒，李春杰，毛天旭. 青藏高原連續(xù)多年凍土區(qū)的凍結(jié)層上水季節(jié)動(dòng)態(tài)及其對(duì)活動(dòng)層土壤凍融過程的響應(yīng)特征[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，2015，45 （4）：481-493