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      融雪水入滲規(guī)律分析及模擬

      2018-11-06 08:25:30孫海寧孫穎娜
      水利科學(xué)與寒區(qū)工程 2018年10期
      關(guān)鍵詞:融雪土壤濕度凍土

      孫海寧,孫穎娜,姜 宇

      (黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

      在我國東北部季節(jié)性凍土區(qū),春季融雪徑流是非常重要的淡水資源,也是造成春汛的主要原因。而融雪水入滲是徑流形成的主要環(huán)節(jié)之一。同時(shí),研究融雪水入滲規(guī)律對于農(nóng)田春耕的保墑和合理灌溉有重要意義[1]。因此,十分有必要對融雪水入滲規(guī)律進(jìn)行分析探討。

      國外學(xué)者對融雪水入滲規(guī)律的研究較早,主要包括影響融雪水入滲的因素、融雪水入滲過程中土壤含水量、入滲量的測定與計(jì)算等。Zhao和Gray[2]通過HAWTS模型分析了融雪水在凍土中下滲的影響因素。Suzuki K[3]對融雪水在凍土中的年際變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

      在國內(nèi),胡順軍等[4]通過不同方法對古爾班通古特沙漠南緣的融雪水土壤入滲量進(jìn)行了研究,并驗(yàn)證了其合理性。戴長雷等[5]從宏觀上分析了高寒地區(qū)融雪入滲特征及影響因素。眾多學(xué)者對融雪水入滲特性進(jìn)行了大量研究,并取得了一定的成果,但由于季節(jié)性凍土區(qū)土壤入滲的復(fù)雜性,仍然有必要進(jìn)行深入研究,以便更好地解決與之相關(guān)的問題。本文利用室外試驗(yàn)資料,在融雪期對凍土的入滲特性進(jìn)行了初步的分析,并用回歸方法得到了在該地區(qū)相對適用的入滲模型。

      1 材料與方法

      1.1 研究區(qū)概況

      研究區(qū)位于黑龍江省伊春市小興安嶺帶嶺區(qū)。研究區(qū)屬于溫帶季風(fēng)性氣候,年平均氣溫1.6 ℃;月平均氣溫在1月份最低,為-19.4 ℃,7月份最高,為20.9 ℃;試驗(yàn)區(qū)冬季降雪日數(shù)較多,降雪從11月份開始,并且雪層逐漸加厚,到次年3月末逐漸開始融化,雪深最大時(shí)甚至超過100 mm。

      研究區(qū)土壤主要包括灰黑土、黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土等。土壤上層為壤土,厚度范圍是10~20 cm;土壤中層為黃土,厚度約為20~30 cm;土壤下層為沙土,厚度約為30~40 cm。研究區(qū)11月中旬土壤封凍,隨著氣溫的持續(xù)降低和負(fù)積溫的累積,凍層厚度穩(wěn)定增加,最大凍深曾達(dá)2.15 m,4月上旬開始解凍。由于太陽輻射和深層地溫的影響,春季凍土開始雙向解凍,上層解凍速度相對較快,直到6月,除了某些地區(qū)的永久凍土,其余的季節(jié)性凍土全部融通。

      1.2 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)獲取

      從中國氣象網(wǎng)站獲得了3—4月中旬伊春市帶嶺區(qū)的逐日氣象資料。包括最高氣溫(Tmax,℃)、最低氣溫(Tmin,℃)和平均氣溫(Tmean,℃)。

      主要試驗(yàn)儀器為土壤墑、旱情自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)和雙環(huán)入滲儀。將土壤墑、旱情傳感器布置于土壤層中,深度為20 cm、40 cm、60 cm和80 cm,通過與遙感終端的連接,室內(nèi)電腦直接存儲(chǔ)各埋深的土壤濕度數(shù)據(jù)。

      入滲量通過雙環(huán)入滲試驗(yàn)獲取,儀器需要在秋季土壤凍結(jié)前預(yù)先埋于土中,本實(shí)驗(yàn)采用外環(huán)直徑為45 cm、內(nèi)環(huán)直徑為25 cm、環(huán)高為35 cm的雙環(huán)入滲儀。下環(huán)深度為20 cm。入滲試驗(yàn)于 3月1日開始 ,直至4月底結(jié)束。根據(jù)氣象、融雪狀況,試驗(yàn)間隔選擇為5~10 d,中午12:00進(jìn)行試驗(yàn)。

      1.3 數(shù)據(jù)分析

      將試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、處理,為了使數(shù)據(jù)更具有準(zhǔn)確性和合理性,經(jīng)過研究分析,剔除奇異值,并采用Excel和SPSS22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,Excel用于繪圖和模擬函數(shù),SPSS22.0用于顯著性分析。

      2 溫度對融雪水入滲的影響因素分析

      融雪期、凍結(jié)期與非凍結(jié)期一樣,入滲特性均受土壤基本理化性質(zhì)的影響。土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量等都影響融雪水入滲。土壤結(jié)構(gòu)對入滲的影響通過土壤干容重來反映,干容重越小,土壤越疏松,相應(yīng)土壤孔隙率越大,孔隙之間連通性越好,單位勢梯度下土壤水分通量越大,即土壤水力傳導(dǎo)度大,融雪水入滲量就大;反之融雪水入滲量小。土壤質(zhì)地對土壤入滲的影響主要通過土壤黏粒含量所占比例反映,土壤黏粒含量越多,土壤孔隙越小,即土壤水力傳導(dǎo)度小,累積入滲量也越小;反之,土壤黏粒含量越少,累積入滲量越大。土壤有機(jī)質(zhì)含量越高,土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越多,團(tuán)粒內(nèi)部毛管孔隙數(shù)量越大,水力傳導(dǎo)度越大,累積入滲量就大;反之,有機(jī)質(zhì)含量越低,累積入滲量越小。此外,大氣溫度、土壤溫度、地下水埋深、土壤含水量等也影響融雪水的入滲[6]。這里不再贅述。通過大量的文獻(xiàn)查看,發(fā)現(xiàn)學(xué)者對大氣溫度影響融雪水入滲的研究相對不多。因此,本文從具體試驗(yàn)出發(fā),主要通過分析大氣溫度對土壤濕度的影響,來分析其對融雪水入滲的影響。

      融雪水入滲量的變化很大程度上可以由土壤濕度的變化來反映,土壤濕度是反映土壤狀況的一個(gè)重要指標(biāo),與地溫、氣溫等有著緊密的聯(lián)系[7]。試驗(yàn)期內(nèi)大氣溫度變化見圖1。大氣溫度的變化影響著土壤濕度,且大氣溫度的數(shù)據(jù)較容易獲取,因此可以作為影響融雪入滲的因素[8]。

      圖1 大氣溫度

      各層土壤濕度與大氣溫度的顯著水平見表1。在不同埋深下,通過對土壤濕度和大氣溫度進(jìn)行相關(guān)性分析,分析結(jié)果見圖2。經(jīng)擬合得到?jīng)Q定性系數(shù)R2=0.8112,說明表層的土壤濕度與大氣溫度具有較好相關(guān)性,且通過了P<0.010的顯著性檢驗(yàn),這也表明表層土壤與大氣直接接觸,大氣對表層土壤的影響更大。當(dāng)埋深20 cm、60 cm、80 cm時(shí),決定性系數(shù)R2在0.6以下,沒有通過顯著性檢驗(yàn),證明大氣溫度對深層土壤的影響不大。而在埋深40 cm時(shí),雖然通過了顯著性檢驗(yàn),但也不足以說明埋深40 cm的土壤濕度與大氣溫度的關(guān)系。所以在研究土壤濕度時(shí),在有一定埋深的情況下,大氣溫度的參考性并不大。

      表1 各層土壤濕度與大氣溫度的顯著水平

      注:P<0.010為通過顯著性檢驗(yàn);P<0.001為通過極顯著檢驗(yàn)。

      圖2 大氣溫度與土壤濕度

      3 融雪期融雪水入滲特性分析

      3.1 融雪水入滲過程分析

      融雪水入滲過程可以通過土壤濕度隨埋深的變化過程反映,把融雪過程按照時(shí)間劃分為融雪初期、融雪中期、融雪后期,對融雪水入滲量的分析轉(zhuǎn)換成對土壤濕度的分析。

      由圖3(a)可知,融雪初期,土壤濕度主要是在埋深0~40 cm發(fā)生變化,且在埋深20 cm處變化最大,而下層土壤濕度只有微小變化。這說明融雪初期的融雪水只能入滲到土壤的淺層,這是由于土壤中冰層的存在,阻礙了融雪水的入滲。由于受到冰層的阻礙作用,在滿足淺層融雪水入滲后,剩余的融雪水會(huì)在表層形成融雪徑流,所產(chǎn)生的匯流匯入到河道中,這個(gè)階段極易產(chǎn)生融雪洪水,對人們的生產(chǎn)生活造成不利的影響[9]。

      由圖3(b)可知,融雪中期,土壤表層土壤濕度仍有變化,在埋深20~60 cm范圍內(nèi),土壤濕度變化非常明顯,在埋深40 cm處土壤濕度達(dá)到最大值,因?yàn)樵谶@段時(shí)間,土壤溫度隨大氣溫度的升高而升高,土壤中的冰層逐漸融化,融雪水會(huì)繼續(xù)向土層深處入滲。

      由圖3(c)可知,融雪后期,大氣溫度繼續(xù)升高,融雪入滲過程繼續(xù)進(jìn)行,但是沒有全部融通。在埋深0~40 cm范圍內(nèi),土壤濕度變化較大,在地下埋深40 cm以下,土壤濕度變化逐漸趨于穩(wěn)定[10]。

      3.2 融雪水累積入滲量分析

      通過雙環(huán)入滲試驗(yàn),在融雪初期、中期、后期進(jìn)行土壤入滲過程的測定。隨著入滲時(shí)間的延長,累積入滲量逐漸增加,通過大量實(shí)驗(yàn)得出:土壤水入滲在非凍融期60 min左右趨于穩(wěn)定狀態(tài);凍融期趨于穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間相比于非凍融期更短,但是通過對試驗(yàn)資料一致性和可靠性的控制,凍融期穩(wěn)定入滲的時(shí)間取90 min[11]。利用在野外試驗(yàn)條件下獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

      圖3 融雪水入滲過程

      從圖4可以看出:在融雪的初期、中期、后期,土壤累積入滲量從入滲開始迅速增加,增加速度逐漸減慢,最后趨于穩(wěn)定。在融雪初期,累積入滲量最小;融雪中期、后期,累積入滲量逐漸增加;融雪后期,累積入滲量最大,甚至達(dá)到約130 mm。這是由于融雪初期土壤中存在冰,阻礙了融雪入滲,降低了融雪水在土壤中的入滲能力;融雪后期,季節(jié)性凍土中的冰已經(jīng)融化,沒有了冰層的阻礙,融雪水入滲量增大。

      圖4 不同時(shí)期累積入滲量

      3.3 入滲率分析與模擬及Kostiakov公式參數(shù)測定

      利用Excel和SPSS22.0軟件對入滲率和入滲時(shí)間進(jìn)行分析,分別采用線性回歸、多項(xiàng)式回歸、乘冪回歸、對數(shù)回歸、指數(shù)回歸對入滲率進(jìn)行模擬。見圖5、表2。

      圖5 融雪期入滲率

      時(shí)間模擬方式線性回歸多項(xiàng)式回歸乘冪回歸對數(shù)回歸指數(shù)回歸模擬函數(shù)y=-0.0089x+0.4704y=0.0005x2-0.0397x+0.7484y=1.9536x-0.83y=-0.244ln(x)+0.9387y=0.4598e-0.038x確定性系數(shù)R2=0.5319R2=0.8314R2=0.9731R2=0.8739R2=0.8739融雪初期顯著水平(P)<0.010<0.010<0.001<0.0010.001模擬函數(shù)y=-0.0095x+0.5083y=0.0004x2-0.0347x+0.7493y=2.0418x-0.807y=-0.239ln(x)+0.96y=0.5059e-0.037x融雪中期確定性系數(shù)R2=0.5385R2=0.802R2=0.9897R2=0.8571R2=0.8308顯著水平(P)>0.010<0.001<0.001<0.001<0.001模擬函數(shù)y=-0.0103x+0.558y=0.0004x2-0.0359x+0.8041y=2.1704x-0.781y=-0.253ln(x)+1.0323y=0.5702e-0.036x融雪后期確定性系數(shù)R2=0.5766R2=0.8299R2=0.9935R2=0.8878R2=0.8582顯著水平(P)>0.010<0.010<0.001<0.001<0.001

      注:P<0.010為通過顯著性檢驗(yàn);P<0.001為通過極顯著檢驗(yàn)。

      從表2可以看出,在融雪初期、中期、后期,乘冪函數(shù)的確定性系數(shù)分別為0.9731、0.9897、0.9935,融雪各時(shí)期乘冪函數(shù)的確定性系數(shù)與1最接近,說明乘冪函數(shù)的模擬效果最好,且通過了極顯著檢驗(yàn)。且融雪期入滲率回歸方程滿足乘冪回歸,即Kostiakov公式

      f(t)=βt-α

      (1)

      式中:f(t)為入滲速率,mm/min;t為入滲歷時(shí),min;β和α為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

      通過對融雪入滲模擬,融雪入滲初期得出β=1.9536,a=0.830;融雪入滲中期β=2.0418,a=0.807;融雪入滲后期β=2.1704,a=0.781;該公式在融雪入滲不同時(shí)期,都適用于伊春市帶嶺區(qū)的凍土入滲。融雪初期的初始入滲率為1.9536 mm/min;融雪中期的初始入滲率為2.0418 mm/min;融雪后期的初始入滲率2.1704 mm/min。

      4 結(jié) 論

      (1)大氣溫度對表層土壤的濕度有較大的影響,對下層土壤濕度的影響不大,對影響融雪水入滲的因素有待繼續(xù)研究。

      (2)通過對融雪期融雪水入滲過程的分析,融雪初期由于土壤中凍層的存在會(huì)阻礙融雪水入滲;融雪后期,由于凍層的融化,融雪水入滲量比融雪初期的入滲量大。

      (3)雙環(huán)入滲儀得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果符合Kostiakov入滲模型的形式,經(jīng)過參數(shù)率定,得到的入滲公式適用于研究區(qū)融雪期的入滲,在融雪的各時(shí)期,確定性系數(shù)都高于0.97,通過了極顯著性檢驗(yàn)。結(jié)果表明:乘冪回歸對融雪水入滲的模擬效果很好,在伊春市帶嶺區(qū)的融雪期可以采用Kostiakov入滲公式。本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型的模擬效果很好,為了繼續(xù)驗(yàn)證模型的可靠性,未來應(yīng)在時(shí)間和空間上擴(kuò)大試驗(yàn)樣本。

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