融雪入滲特征參數(shù)確定方法梳理分析

齊 凡，孫穎娜，李 娜

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086；2. 黑龍江大學(xué)寒區(qū)水文與水利工程中俄聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086)

融雪入滲是寒區(qū)代表性的水文循環(huán)過程之一，凍土是寒區(qū)典型的土壤。凍土滲透過程復(fù)雜，日間溫度升高時(shí)積雪融化成雪水，一部分雪水向土壤中入滲，當(dāng)溫度降低時(shí)，融雪水變成固態(tài)凍結(jié)在土壤中，從而延遲融雪水的滲透[1-2]。國(guó)外對(duì)凍土的研究較早，學(xué)者們?cè)?0世紀(jì)70年代開始關(guān)注凍土[3]。我國(guó)凍融土壤入滲規(guī)律研究主要集中在融雪水分入滲和農(nóng)業(yè)灌溉兩方面。本文分析了前人的研究成果，以土壤含水量、凍土滲透系數(shù)、雪水當(dāng)量、土壤溫度、非閉合孔隙度等為特征參數(shù)，針對(duì)參數(shù)確定的方法進(jìn)行梳理，旨在為以后的相關(guān)研究提供幫助。

1 主要特征參數(shù)的基本概念

滲透系數(shù)：多孔介質(zhì)中的流體運(yùn)動(dòng)稱為滲流，土壤的滲透性是指土壤輸送水或其他流體的能力。表征土壤滲透的定量參數(shù)是滲透系數(shù)K。當(dāng)水力梯度J=1時(shí)，滲透系數(shù)在數(shù)值上等于滲流速度。滲透系數(shù)表示土壤對(duì)不同流體的滲透性。

孔隙度：土壤由不同大小的固體顆粒組成，顆粒之間的空隙稱為土壤孔隙，其大小以孔隙度為特征?？紫抖仁峭寥乐锌紫扼w積與土壤固體體積之比。

含水量：土壤孔隙中水與土壤的比例。凍土中的含水量由冰含量和未凍水含量?jī)刹糠纸M成。

雪水當(dāng)量：雪完全融化時(shí)形成的水層的垂直深度。

2 寒冷地區(qū)水文模型中特征參數(shù)的確定

寒區(qū)水文模型對(duì)滲透率的需求較高。以天山北坡軍塘湖流域的Kostiakov模型為例，滲透公式為：

k=cx-b

(1)

式中：k為下滲率，mm/min；c和b為比例系數(shù)；x為下滲時(shí)間,min。通過測(cè)量的大量數(shù)據(jù)，用Excel，SPSS等軟件進(jìn)行分析，將滲透量視為滲透時(shí)間的函數(shù)[4]。以回歸分析方式進(jìn)行模擬，選出一個(gè)確定性系數(shù)最高的回歸模擬，可以得出c和b的值。

基于雪水當(dāng)量與溫度之間的正線性關(guān)系建立的度日模型是模擬積雪消融量的有效工具。21世紀(jì)初，根據(jù)HBV水文模型的基本原理，康爾泗等人將中國(guó)西部山區(qū)分水嶺劃分為高山冰雪凍土帶和山區(qū)植被帶，建立了高寒地區(qū)的水文模型[5]。該模型的融雪量采用度日因子法進(jìn)行計(jì)算，模型的輸入為月氣溫和降水量,輸出為徑流，模型應(yīng)用于河西走廊地區(qū)并成功預(yù)測(cè)徑流。SRM融雪徑流模型是一個(gè)以融雪為主的水文模型，用于模擬和預(yù)測(cè)山區(qū)流域的徑流。它是一個(gè)基于物理的概念性分布式水文模型，融雪量采用度日因子法換算。陳仁升等在黑河干流流域建立了一個(gè)DWHC模型, 該模型考慮了凍土水熱耦合問題，也采用度日因子法解決季節(jié)性積雪融化模型問題。度日因子法的基本假設(shè)是融雪量與溫度之間存在顯著的正線性關(guān)系，借助經(jīng)驗(yàn)參數(shù)模擬溫度和融雪量之間的關(guān)系[6]。這個(gè)概念最初由Finsterwalder提出，用于研究阿爾卑斯山的冰川變化。在諸多研究中，度日因子法的一般形式是：

M=DDF·PDD

(2)

式中:M為融雪量,mm；DDF為度日因子,mm/(℃·d)；PDD為某一時(shí)段內(nèi)的正積溫,℃。

3 原位方法確定特征參數(shù)

原位測(cè)定方法一定程度上能反映數(shù)據(jù)的精確度和可靠度，融雪入滲研究常用的野外或原位測(cè)定方法有以下幾種：

(1)雙環(huán)滲水實(shí)驗(yàn)測(cè)量下滲量。測(cè)量土壤入滲的方法很多，雙環(huán)滲透法是最典型和應(yīng)用最廣泛的方法。然而應(yīng)用于存在季節(jié)性凍土的寒區(qū)時(shí)，需要在秋季預(yù)埋，以便于冬季和凍融期的測(cè)量[7]。

在實(shí)驗(yàn)過程中，將水加入內(nèi)圈和內(nèi)圈與外圈之間的環(huán)形部分，使兩部分的水位保持在10 cm，并分別記錄不同時(shí)間間隔的滲水量。外圈和內(nèi)圈之間的滲水抑制了內(nèi)圈滲水的橫向運(yùn)動(dòng)，因此環(huán)形部分的滲透相關(guān)參數(shù)更接近實(shí)際。通過內(nèi)環(huán)測(cè)量不同間隔的滲水量作為下一步計(jì)算的數(shù)據(jù)。根據(jù)達(dá)西定律，使用雙環(huán)滲漏，水深約5 cm，環(huán)中的水頭為10 cm。當(dāng)時(shí)間長(zhǎng)且穩(wěn)定時(shí)，水力梯度J≈1(實(shí)際上略大于1)，則：

(3)

式中：Q為穩(wěn)定滲流量，m3/min；A為雙環(huán)內(nèi)徑面積，m2；V為滲透速度，m/min；K為滲透系數(shù)，m/min。滲透速度約等于滲透系數(shù)。

(2)電子地溫計(jì)測(cè)量地溫。采用錘擊式原狀取土鉆為測(cè)溫載體，土壤溫度用電子地溫計(jì)測(cè)量，一般取50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、250 cm、300 cm深度的土壤測(cè)量。

(3)土壤傳感器監(jiān)測(cè)土壤含水量和溫度。TDR(時(shí)域反射儀)法是一種測(cè)量土壤濕度的方法，出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代。TDR是一種類似于雷達(dá)系統(tǒng)的具有很強(qiáng)獨(dú)立性的系統(tǒng)，其結(jié)果基本上與土壤類型、密度和溫度無關(guān)。TDR可以在結(jié)冰條件下測(cè)量土壤水分，這一點(diǎn)很重要，非常適合測(cè)定寒區(qū)土壤特征參數(shù)。此外，TDR可同時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分和鹽分含量。

電阻法利用石膏、尼龍、玻璃纖維等的電阻與其含水量的關(guān)系設(shè)計(jì)而成。當(dāng)這些中間體與電極一起放在潮濕的土壤中時(shí)，一段時(shí)間后，這些物質(zhì)的含水量是平衡的。先前設(shè)定的電阻與含水量之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后可以借助這些組件獲得100～1500 kPa大氣壓吸入范圍內(nèi)的水分讀數(shù)。

中子法適用于確定田間土壤水分。它的設(shè)計(jì)原理是氫迅速降低快中子的速度并使其散射。中子水分計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)于有機(jī)土壤有相當(dāng)大的限制，不適合測(cè)量0～15 cm的土壤含水量。

與中子水分計(jì)類似，γ射線透射方法使用放射源137 Cs發(fā)射γ射線，探測(cè)器接收通過土壤傳輸?shù)摩蒙渚€的能量，計(jì)算轉(zhuǎn)換后得到土壤含水量。

如今，隨著技術(shù)和精度的提高，土壤水分傳感器越來越多，越來越常見，常見的有插針式土壤水分傳感器、“中國(guó)管”土壤水分傳感器等。

(4)染色示蹤法測(cè)融雪入滲深度。染色示蹤劑是研究融雪水在土壤中遷移的主要方法之一。含有染色劑的融雪水流入地下，由于示蹤劑的作用，被融雪水滲透的土壤被染成不同的顏色。以這種方式，可以清楚且直觀地觀察土壤中融雪水運(yùn)移的軌跡[8]。根據(jù)染色劑的染色機(jī)理，染色劑通常分為兩種類型：一種是直接給土壤著色的染色劑，如亮藍(lán)色和亞甲藍(lán)色。這類染色劑易于使用，易于掌握，但由于土壤的黏性作用，染色劑保留在土壤層中，因此染色劑的軌跡滯后于融雪水的運(yùn)動(dòng)；另一種是不能直接顯示顏色，必須與顯色劑反應(yīng)以使顏色可視化的著色劑，例如碘離子。盡管著色劑需要與顯色劑反應(yīng)，比第一種更復(fù)雜，但是滲透能力相對(duì)較強(qiáng)，并且土壤的黏性力所造成的影響較小。因此，更適合觀察土壤水分在較高黏性土壤中的滲透。實(shí)驗(yàn)需在實(shí)驗(yàn)地降雪之前選取一定面積的站點(diǎn)均勻拋灑染色劑并記錄地點(diǎn)。在積雪完全融化后，選擇挖土的時(shí)間挖掘土壤并用測(cè)量工具測(cè)量滲透深度。

4 室內(nèi)方法確定特征參數(shù)

野外實(shí)驗(yàn)受氣候、下墊面、溫度等條件影響較大，有時(shí)導(dǎo)致誤差較大或者實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行，這時(shí)需要設(shè)計(jì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來滿足研究所需要的參數(shù)要求[9]。

土壤含水量通常通過烘干法測(cè)量。將試樣放入溫度105～110 ℃的烘干箱中，水分完全蒸發(fā)后，測(cè)量對(duì)比試樣烘干前后重量。

實(shí)驗(yàn)室采用飽液法測(cè)量非閉合孔隙度。以密度與粒徑為主要控制指標(biāo)制備試驗(yàn)土樣，放于裝置內(nèi)，進(jìn)行配水-凍結(jié)制得特定含水量的穩(wěn)定凍結(jié)試驗(yàn)土柱。土柱制備好后，對(duì)其進(jìn)行飽液，直到當(dāng)測(cè)試液體溢出土壤柱的上表面時(shí)，停止飽液，記錄已填充液體體積。該體積是凍土中的非閉孔體積，土壤樣品中非閉孔體積與土壤顆粒體積的比值是孔隙度。其中，值得注意的是測(cè)試液體的選取問題。

另外，TST-70滲透儀也是室內(nèi)測(cè)量的有效工具[10]。針對(duì)寒區(qū)土壤特性需要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，選用30%乙二醇溶液作為常水頭滲透實(shí)驗(yàn)的測(cè)試液體。因?yàn)樵摱栊砸后w凝固點(diǎn)低，測(cè)試溫度為-7.5 ℃時(shí)不會(huì)凍結(jié)?？扇⊥粱虬凑昭芯繀^(qū)土壤特性配置土樣。計(jì)算方法同樣根據(jù)達(dá)西定律，不做贅述。

5 結(jié)論與展望

寒區(qū)本身的惡劣環(huán)境、經(jīng)濟(jì)滯后、研究人員的稀缺，以及復(fù)雜的地下水運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致使用常規(guī)方法進(jìn)行的研究不會(huì)產(chǎn)生十分合理和令人滿意的結(jié)果。

原位實(shí)驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的擬合有時(shí)存在誤差。由于環(huán)境、氣候、人員、運(yùn)輸和其他條件，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)量與測(cè)量設(shè)備、測(cè)試方法和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的室內(nèi)測(cè)試有顯著差異。在安裝和校準(zhǔn)儀器方面，有時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)操作中不能保證科學(xué)研究所需的精確度和操作程序。

實(shí)驗(yàn)研究追求測(cè)試數(shù)據(jù)的單點(diǎn)精度，但對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的意義不大，因?yàn)檠芯磕繕?biāo)的規(guī)模遠(yuǎn)大于測(cè)試點(diǎn)。而水分在土壤中也不是高度均勻的。只有具有穩(wěn)定輸出、有歷史數(shù)據(jù)可比性和足夠大的平均體積的數(shù)據(jù)才可用。

在實(shí)驗(yàn)方法和儀器中，應(yīng)引用更先進(jìn)的儀器和技術(shù)。單一的一維流研究非常有限，3S技術(shù)也應(yīng)用到對(duì)寒區(qū)水分運(yùn)移方向的研究上來，更好的描述二維、三維流研究也是待解決的問題；另外，隨著實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和精確性的發(fā)展，根據(jù)研究區(qū)的特殊條件設(shè)計(jì)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置也將發(fā)揮更加有效和實(shí)用的作用，從而彌補(bǔ)直接引用其他地區(qū)的實(shí)驗(yàn)裝置而存在不適應(yīng)當(dāng)?shù)厍闆r的不足。