基于凍土水理性質(zhì)測(cè)試的低冰點(diǎn)惰性液體試驗(yàn)研究

胡仁強(qiáng)，李治軍，趙 悅，李 鐸

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

我國東北部絕大多數(shù)地區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，氣候條件具有周期性的變化，所以導(dǎo)致土水體系的季節(jié)性凍融[1]。土壤和巖石孔隙中的水在低溫條件下凍結(jié)會(huì)使土的力學(xué)性質(zhì)、滲透性質(zhì)以及熱學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，水分、熱量等方面的遷移和變化與非凍結(jié)土壤存在很大區(qū)別[2]。低溫與凍融作用使寒區(qū)水文循環(huán)機(jī)理變得較復(fù)雜。如果將應(yīng)用于非寒區(qū)的相對(duì)理論方法不加改變地應(yīng)用于寒區(qū)，水文循環(huán)就會(huì)出現(xiàn)很多問題，主要原因在于凍土水理性質(zhì)的不同[3,4]。

1 研究背景及意義

凍土是指溫度低于0 ℃并含有冰的土壤和巖石[5]。而凍土層作為一種特殊的區(qū)域性隔水層或弱透水層，其存在及其對(duì)全球變化的響應(yīng)改變了寒區(qū)的地表徑流和水系模式，對(duì)寒區(qū)地下水的形成、運(yùn)移過程、分布格局和循環(huán)方式更起到了決定性作用[6]。另外，凍土的水理性質(zhì)與非凍土相比也發(fā)生了本質(zhì)的變化，表現(xiàn)為凍層的相對(duì)無滲透性滯留了融雪水的入滲以及凍土條件下持水性的加大[7]。近幾年對(duì)土壤水理特性的研究絕大部分集中于土壤水動(dòng)力學(xué)、凍土學(xué)科等[8]，對(duì)于凍土條件下水理特性的研究較少，有關(guān)文獻(xiàn)也相對(duì)匱乏。本項(xiàng)研究以寒區(qū)低溫條件為主要特色，以尋求測(cè)試凍土水理參數(shù)的低冰點(diǎn)液體作為創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行研究，對(duì)于寒區(qū)春季水利計(jì)算和節(jié)水灌溉技術(shù)以及寒區(qū)冬季地下水溢流有著重要意義。

2 低冰點(diǎn)惰性液體的選取

2.1 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

土壤水分入滲是地面上的水轉(zhuǎn)化成為地下水的重要途徑，根據(jù)寒區(qū)的自然地理狀況和季節(jié)性凍層土壤的特征等因素分析，凍結(jié)土壤的水理特性與非凍結(jié)土壤的水理特性具有很大的差別。凍結(jié)土壤有抑制蒸發(fā)、調(diào)節(jié)蓄水以及不透水的水文特性，但是要在凍土條件下保證土壤滲流，必須要確保滲流液體在低溫條件下不凍結(jié)且黏滯性與水相近。通過本項(xiàng)試驗(yàn)選出適合用于凍結(jié)土壤基本參數(shù)測(cè)定的液體，要求所選液體的凍結(jié)溫度小于零下20 ℃，性質(zhì)穩(wěn)定且無污染。

2.2 試驗(yàn)初始液體選取

對(duì)于選定的液體，需要滿足溶液性質(zhì)穩(wěn)定且無毒無污染，酸堿類溶液具有一定的腐蝕性，對(duì)土壤及植被包括一些土壤微生物都有不同程度的危害，不建議選取使用。甲醇、乙醇、丙酮溶液均易燃、易揮發(fā)且?guī)в写碳ば詺馕?，該?shí)驗(yàn)也不建議選取。鹽類溶液性質(zhì)穩(wěn)定，無毒無污染，黏滯系數(shù)與水相近，且不同濃度下的凍結(jié)溫度(冰點(diǎn))也不同。乙二醇是防凍劑的主要原料，能與水以任意比例混合，不易揮發(fā)，故可以配置成不同濃度的溶液進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)選取要求，本次試驗(yàn)初始液體選取20%濃度氯化鈉溶液、25%濃度氯化鈉溶液、 20%濃度氯化鉀溶液、25%濃度氯化鉀溶液、 20%濃度氯化鈣溶液 、30%濃度氯化鈣溶液、5%濃度碳酸氫鈉溶液、20%濃度碳酸氫鉀溶液、30%濃度乙二醇溶液、40%濃度乙二醇溶液、45%濃度乙二醇溶液、50%濃度乙二醇溶液共12種溶液。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析

本次試驗(yàn)將選取的液體置于低溫環(huán)境下充分制冷，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液溫度，觀察并記錄凍結(jié)溫度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理見表1。

表1 低冰點(diǎn)試驗(yàn)記錄

通過表1可知，滿足要求在-20 ℃不結(jié)冰的液體有30%濃度氯化鈣溶液、40%濃度乙二醇溶液、45%濃度乙二醇溶液和50%濃度乙二醇溶液，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制凍結(jié)時(shí)間～溫度曲線，見圖1～圖4。

圖1 30%濃度氯化鈣溶液凍結(jié)時(shí)間～溫度曲線

圖2 40%濃度乙二醇溶液凍結(jié)時(shí)間～溫度曲線

圖3 45%濃度乙二醇溶液凍結(jié)時(shí)間～溫度曲線

圖4 50%濃度乙二醇溶液凍結(jié)時(shí)間～溫度曲線

3 融冰性試驗(yàn)

土壤中含有一定量的結(jié)合水和自由水，水的熱脹冷縮是反常的，在低于4 ℃時(shí)水是熱縮冷脹，水在低溫條件下凍結(jié)成冰，這就有了寒區(qū)水文特有的現(xiàn)象----土的凍脹。凍土中含冰量的多少直接影響到凍土分類、凍土環(huán)境以及寒區(qū)條件下的工程建設(shè)。凍土中的冰是區(qū)別于凍土和非凍土的顯著特征，所以，在研究凍土水理特性的過程中必須要考慮到冰的因素，也要考慮到外界條件因素對(duì)凍土中冰的融化作用。

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)于選定的低冰點(diǎn)惰性液體，不僅要保證化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定，而且還要確保該溶液在測(cè)定凍土水理參數(shù)的過程中不與凍土中的冰發(fā)生融冰現(xiàn)象，保證凍土中正常的穩(wěn)定滲流。所以，要對(duì)選定的低冰點(diǎn)惰性液體進(jìn)行融冰性試驗(yàn)，選取出一種不僅能夠在低溫條件下不凍結(jié)，而且不與土壤中的固態(tài)冰發(fā)生融冰現(xiàn)象的惰性液體。

3.2 融冰性試驗(yàn)結(jié)果分析

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)全程置于冬季哈爾濱室外環(huán)境，充分模擬東北地區(qū)季節(jié)性凍土所處溫度環(huán)境。稱取冰塊質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 融冰性試驗(yàn)結(jié)果 g

通過表2可知，30%濃度氯化鈣溶液和50%濃度乙二醇溶液都具有一定的融冰性；45%濃度乙二醇溶液和40%濃度乙二醇溶液融冰能力較弱。根據(jù)試驗(yàn)可以得出4種溶液的融冰能力從小到大的排列為：40%濃度乙二醇溶液<45%濃度乙二醇溶液<50%濃度乙二醇溶液<30%濃度氯化鈣溶液。

雖然40%濃度乙二醇溶液融冰能力最弱，但是其冰點(diǎn)溫度為-23.6 ℃，而冬季東北地區(qū)的最低溫度可達(dá)-30 ℃，所以本次研究選用45%濃度乙二醇溶液作為凍土水理性質(zhì)的試驗(yàn)液體。

4 土壤水理性質(zhì)測(cè)試

寒區(qū)是我國重要的地理分區(qū)，多年或季節(jié)性凍層土壤覆蓋了我國75%的國土[9]。凍層土壤所具有的不透水性、抑制蒸發(fā)作用、蓄水調(diào)節(jié)作用及調(diào)節(jié)產(chǎn)匯流作用，使寒區(qū)的水文循環(huán)機(jī)理與過程變得十分復(fù)雜。凍土層是季節(jié)性凍土區(qū)土壤中特有的土層,一般位于土壤包氣帶中， 其水理特征參數(shù)包括容水度、持水度、給水度、滲透系數(shù)、含冰率等，與非凍土存在著很大的差別，本項(xiàng)試驗(yàn)主要是以凍土與非凍土滲透系數(shù)的測(cè)定為主要內(nèi)容。

4.1 滲透定律-達(dá)西定律

滲透系數(shù)的測(cè)定以滲透試驗(yàn)為主要內(nèi)容，測(cè)試含水率為20%的凍結(jié)土樣和非凍結(jié)土樣的滲透系數(shù)，土樣的粒徑均小于等于2 mm。

根據(jù)線性滲透定律----達(dá)西定律，得到下列關(guān)系式：

進(jìn)而得到滲透系數(shù)關(guān)系式：

式中：Q為滲透流量(出口處流量即為通過土柱各斷面的流量)；ω為過水?dāng)嗝婷娣e(相當(dāng)于土柱的橫斷面積)；H1、H2為上下游過水?dāng)嗝娴乃^；L為滲透途徑(上下游過水?dāng)嗝娴木嚯x)；K為滲透系數(shù)，cm/s。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)所使用達(dá)西儀的過水?dāng)嗝婷娣eω=100 cm2，上下游過水?dāng)嗝娴木嚯xL=10 cm，凍土試驗(yàn)的情況下要保證土樣的充分冷凍，并保證選取的惰性液體與土樣溫度相同，防止實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)較大誤差。

對(duì)于凍結(jié)土壤進(jìn)行多次滲流試驗(yàn)后取平均值作為最終結(jié)果，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 凍土水理性質(zhì)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

取與凍結(jié)土樣相同標(biāo)準(zhǔn)的非凍結(jié)土樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，多次試驗(yàn)后取平均值作為最終結(jié)果，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 非凍土水理性質(zhì)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

通過計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值，求得最終滲透系數(shù)，凍結(jié)土壤的滲透系數(shù)K1=0.010 85 cm/s，非凍結(jié)土壤的滲透系數(shù)K2=0.018 65 cm/s，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，凍土的滲透性要小于非凍土的滲透性。

5 結(jié) 論

本項(xiàng)研究以東北地區(qū)冬季凍土為主要研究對(duì)象，以探求適合凍土水理特性的低冰點(diǎn)惰性液體為主要內(nèi)容。在進(jìn)行低冰點(diǎn)惰性液體的試驗(yàn)中，對(duì)于初步選定的12種液體進(jìn)行低溫制冷試驗(yàn)和融冰性試驗(yàn)，最終選擇出45%濃度乙二醇溶液作為試驗(yàn)液體。此液體結(jié)冰點(diǎn)遠(yuǎn)低于-20 ℃，且融冰能力較差，符合本試驗(yàn)的選取要求。

以45%濃度乙二醇溶液作為滲流液體進(jìn)行滲流試驗(yàn)，測(cè)出含水率為20%的凍結(jié)土壤和含水率為20%的 非凍結(jié)土壤的滲透系數(shù)，測(cè)得凍土的滲透系數(shù)為0.01085cm/s，非凍土的滲透系數(shù)為0.01865cm/s。此試驗(yàn)結(jié)果可以判斷出凍土的滲透性要小于非凍土的滲透性。另外本項(xiàng)試驗(yàn)存在一定的誤差，可以通過改善實(shí)驗(yàn)儀器來減小誤差。

：

[1] 王曉巍. 北方季節(jié)性凍土的凍融規(guī)律分析及水文特性模擬[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

[2] 李 楊. 季節(jié)凍土水分遷移模型研究[D]. 長春：吉林大學(xué),2008.

[3] 常龍艷. 凍層持水性質(zhì)對(duì)寒區(qū)凍土保墑的影響研究[D]. 哈爾濱：黑龍江大學(xué),2014.

[4] 常龍艷,戴長雷,商允虎,等. 凍融和非凍融條件下包氣帶土壤墑情垂向變化的試驗(yàn)與分析[J]. 冰川凍土,2014,36(4):1 031-1 041.

[5] 唐保春,馬月花,權(quán)國蒼,等. 凍土凍融對(duì)地下水的影響:以祁連山多年凍土區(qū)大通河谷融區(qū)為例[J]. 地質(zhì)科技情報(bào),2016,35(4):164-171.

[6] 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.

[7] 戴長雷,孫思淼,葉 勇. 高寒區(qū)土壤包氣帶融雪入滲特征及其影響因素分析[J]. 水土保持研究,2010,17(3):269-272.

[8] 商允虎. 寒區(qū)凍土水理性質(zhì)特征參數(shù)綜合試驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱：黑龍江大學(xué),2015.

[9] 戴長雷,常龍艷,孫思淼,等. 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):1-8,18.