凍融作用下土壤粒徑對淺埋潛水與土壤水轉(zhuǎn)化的影響

陳軍鋒，高旭光，杜 琦，薛 靜，呂澤浩

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西省水文水資源勘測局太谷均衡實驗站，山西 太谷 030800)

0 前 言

中國北方干旱、半干旱地區(qū)大多屬于季節(jié)性凍土分布區(qū)，冬春季節(jié)土壤經(jīng)歷凍結(jié)和融化過程[1]。在地下水淺埋區(qū)，季節(jié)性凍結(jié)與融化過程中潛水與土壤水發(fā)生劇烈的相互轉(zhuǎn)化，不僅影響地下水位變化和水資源量的準確評價，而且易加劇土壤鹽漬化。因此，研究凍融作用下淺埋潛水與土壤水的轉(zhuǎn)化規(guī)律對于科學評價地下水資源和預防土壤鹽漬化具有重要的理論指導意義。

地下水淺埋區(qū)的土壤水與地下水聯(lián)系密切，土壤水向下入滲補給地下水與潛水蒸發(fā)補給土壤水的兩者相互轉(zhuǎn)化十分頻繁。國外有關學者通過不同試驗方法及數(shù)值模型相結(jié)合的方法，對地下水補給展開了一系列研究[2-4]。Scanlon等[5]利用氯離子質(zhì)量平衡法對干旱和半干旱地區(qū)140個補給研究區(qū)在氣候、土地利用與土地覆蓋變化條件下的地下水補給量與補給速率的研究結(jié)果進行了綜合分析。Jiménez-Martínez等[6]利用根區(qū)模型對西班牙東南部干旱和半干旱灌溉地區(qū)在特定灌溉制度下的地下水補給量進行了研究。中國學者針對潛水蒸發(fā)研究的試驗方法[7-9]、影響因素[10-12]及數(shù)值模型計算[13-15]等方面進行了積極探索，取得了重要研究成果。為了精確獲取潛水蒸發(fā)量數(shù)據(jù)及進行不同試驗條件下的潛水蒸發(fā)模擬，學者們利用地中蒸滲儀進行了大量的野外試驗研究[16,17]，但試驗主要是在非凍結(jié)期進行的，而且受試驗地區(qū)氣象和儀器條件等的影響較為明顯，研究結(jié)果存在較大差異。作為研究潛水蒸發(fā)過程的另一重要手段，潛水蒸發(fā)計算多采用經(jīng)驗公式的方法，而經(jīng)驗公式的建立是基于特定的區(qū)域自然條件，因此采用經(jīng)驗公式計算潛水蒸發(fā)量時常常需要考慮公式的適用性問題，針對各經(jīng)驗公式在不同地區(qū)的適用性問題，學者們進行了大量論證[18-21]。

潛水蒸發(fā)主要受土壤輸水能力和外界大氣蒸發(fā)能力的影響[22]，土壤輸水能力與土壤質(zhì)地密切相關，不同質(zhì)地土壤中毛管孔隙結(jié)構和大小以及土壤顆粒大小存在顯著差異，潛水蒸發(fā)量及潛水蒸發(fā)速率明顯不同。關于土質(zhì)對潛水蒸發(fā)影響的研究偏重于定性分析[23-25]，土壤質(zhì)地與潛水蒸發(fā)的定量研究成果較為薄弱。凍結(jié)作用下，潛水蒸發(fā)受凍結(jié)氣溫和土壤粒徑影響[26]，通過連續(xù)3個凍融期的蒸滲儀觀測數(shù)據(jù)，陳軍鋒分析了不同土壤質(zhì)地的潛水與土壤水轉(zhuǎn)化的影響，但未對土壤質(zhì)地的影響進行定量化分析[27]?；诖耍ㄟ^室內(nèi)人為控制恒定凍結(jié)氣溫，利用馬氏瓶恒定水頭供水原理控制恒定潛水埋深，對凍融作用下5種均質(zhì)粒徑土壤的潛水與土壤水轉(zhuǎn)化規(guī)律進行了研究，并定量分析了土壤凍結(jié)過程中土壤粒徑與潛水蒸發(fā)量的關系。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

淺埋潛水與土壤水轉(zhuǎn)化的室內(nèi)凍融模擬試驗裝置主要由制冷裝置、保溫模擬池、氣溫監(jiān)測系統(tǒng)、土柱及定水頭供水系統(tǒng)組成。圖1為潛水與土壤水轉(zhuǎn)化凍融試驗裝置結(jié)構示意圖。

圖1 試驗裝置結(jié)構示意圖

制冷裝置為由海爾BC/BD-388A冰柜改造的數(shù)控制冷裝置，溫度控制精度為0.1 ℃。氣溫監(jiān)測系統(tǒng)采用Cos-02-0 USB 型溫濕度記錄儀自動監(jiān)測記錄凍結(jié)氣溫變化。模擬池由中間填充聚氨酯材料的PVC塑料板加工而成，厚度為5 cm，池內(nèi)尺寸為123 cm×44 cm×97.5 cm(長×寬×高)；模擬池上部加蓋厚度10 cm的泡膜隔熱板，阻斷冷空氣影響保溫模擬池土柱。土柱高110 cm，內(nèi)徑16 cm，由壁厚為3 mm的有機玻璃管制成，土柱外部用2.5 cm厚的保溫材料進行包扎保溫處理，防止與外界環(huán)境進行熱交換。定水頭供水裝置利用馬氏瓶恒定水頭供水原理保持潛水位恒定。

1.2 試驗土樣

試驗土樣取自山西省晉中盆地的山西省水文水資源勘測局太谷均衡實驗站和附近代表性土樣，通過室內(nèi)標準篩子進行篩分，設置了5種粒級范圍的均質(zhì)粒徑土樣，分別是0.1～0.5 mm(d50=0.3 mm)、0.5～1.0 mm(d50=0.75 mm)、1.0～1.5 mm(d50=1.25 mm)、1.5～2.0 mm(d50=1.75 mm)和2.0～2.5 mm(d50=2.25 mm)，土樣主要物理參數(shù)見表1。5種土樣按設計容重1.5 g/cm3分別進行土柱填裝，依次為A土柱、B土柱、C土柱、D土柱和E土柱，土柱底部鋪設10 cm厚度的石英砂作為反濾層，土柱下端與定水頭供水系統(tǒng)連接。

表1 試驗土樣主要物理參數(shù)

1.3 試驗方案

土柱填裝完成后，為確保土體的連續(xù)均勻，將土柱在室溫條件下靜置2 d后開始定水頭供水系統(tǒng)補水，為消除某些溶質(zhì)離子對試驗結(jié)果的影響，定水頭供水系統(tǒng)采用蒸餾水補給供水。在室溫條件下供水7 d后，土壤剖面的水分達到穩(wěn)定狀態(tài)，之后進行凍融試驗。

室內(nèi)凍融試驗歷時75 d，凍結(jié)過程中依次按-10、-20和-25 ℃ 3種恒定凍結(jié)氣溫進行持續(xù)凍結(jié)，當潛水蒸發(fā)量小于0.1 mm/d時調(diào)節(jié)凍結(jié)溫度，凍結(jié)過程總計62 d，具體凍結(jié)氣溫變化見圖2。在恒定凍結(jié)氣溫為-10 ℃的凍結(jié)條件下，凍結(jié)至第26 d時5種粒徑土柱的馬氏瓶水量均達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時，調(diào)節(jié)凍結(jié)氣溫至-20 ℃繼續(xù)恒溫凍結(jié)，第54 d時達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)降低凍結(jié)氣溫至-25 ℃，在第62 d時馬氏瓶水量重新達到穩(wěn)定狀態(tài)，凍結(jié)過程結(jié)束。之后土柱在室內(nèi)自然環(huán)境下消融，第66 d制冷裝置內(nèi)的氣溫為0 ℃。消融過程第13 d時，潛水回補量為0，消融過程結(jié)束。

圖2 凍結(jié)與消融過程中制冷裝置內(nèi)氣溫變化曲線

在距地表15 cm處設置溫度傳感器監(jiān)測制冷裝置內(nèi)的氣溫變化過程，監(jiān)測頻率為5 min/次。潛水蒸發(fā)量由標有刻度尺的馬氏瓶(精度為1 mm)內(nèi)水量下降高度測定，監(jiān)測頻率為2 h/次；土壤水對潛水的補給量由接滲瓶(精度為1 mL)中的水量增加量測定，監(jiān)測頻率為2 h/次，二者均換算為單位土柱斷面面積對應的水量高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤粒徑對土壤溫度影響

凍融過程中，土壤溫度變化受導熱系數(shù)的影響，土壤含水率、干容重及土壤粒徑大小均會影響土壤的導熱系數(shù)，5種粒徑土壤的干容重和含水率相差較小，所以土壤粒徑大小成為影響土壤導熱系數(shù)的決定性因素。土壤粒徑越大，土壤的孔隙度越小，導熱系數(shù)就越大，在相同的外界氣溫變化條件下，土壤溫度變化越快。圖3為凍融過程中5 cm處的土壤溫度變化曲線，可見，凍結(jié)過程中，土壤粒徑越大，土壤溫度降幅越大，土壤凍結(jié)穩(wěn)定時的溫度越低，-10 ℃恒溫凍結(jié)第26 d時，A、B、C、D和E土柱的土壤溫度分別為2.58、1.58、1.08、0.25和-0.73℃；凍結(jié)結(jié)束時(凍結(jié)第62d)，A、B、C、D和E土柱溫度達到穩(wěn)定，土壤溫度分別為-1.79、-3.46、-5.22、-7.37和-8.85 ℃，較凍結(jié)開始時的溫度分別下降25.75、27.42、29.10、31.39和32.69 ℃。

消融的0～4 d，雖然制冷裝置內(nèi)氣溫逐漸升高，但氣溫仍然在0 ℃以下，此時的溫度變化很小。當氣溫上升到0 ℃以上時，溫度梯度增大，土壤剖面溫度迅速升高，土壤粒徑越大，土壤溫度升高的越快，溫度升高幅度越大，消融5～9 d時，A、B、C、D和E土柱的溫度升高幅度分別為20.94、22.56、23.38、25.66和26.93 ℃。消融第10 d后，D土柱和E土柱的土壤溫度增幅小于0.5 /d，逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，而土柱A、土柱B和土柱C在第11～12 d時逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，較土柱D和土柱E推遲1～2 d?？梢?，消融階段，土壤粒徑越大，土壤剖面溫度越早達到穩(wěn)定。

圖3 凍融過程中土壤溫度變化曲線

2.2 凍結(jié)過程中潛水蒸發(fā)量變化特征

2.2.1 凍結(jié)氣溫對潛水蒸發(fā)量的影響

凍結(jié)過程中，凍結(jié)氣溫變化對土壤剖面溫度梯度有重要影響，土壤剖面溫度梯度是水分遷移的重要驅(qū)動力。凍結(jié)過程中累積潛水蒸發(fā)量變化曲線見圖4。在-10 ℃凍結(jié)氣溫條件下，5個土柱的累積潛水蒸發(fā)量在第21～26 d時逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，累積潛水蒸發(fā)量變化曲線的斜率逐漸變緩，潛水蒸發(fā)速率減小。-10 ℃恒溫凍結(jié)第26 d時，A、B、C、D和E土柱的累積潛水蒸發(fā)量分別為19.61、15.62、13.34、10.61和6.34 mm。凍結(jié)氣溫降至-20 ℃后，隨著土壤溫度的降低，土壤剖面溫度梯度增大，潛水蒸發(fā)速率較降溫前明顯加快，累積潛水蒸發(fā)量繼續(xù)增加，在-20 ℃恒溫凍結(jié)28 d后，潛水蒸發(fā)量達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時A、B、C、D和E土柱的累積潛水蒸發(fā)量較降溫前分別增加了14.69、12.94、12.29、8.69和9.02 mm。當凍結(jié)氣溫降低至-25 ℃時，土壤剖面溫度的降幅較小，在土水勢梯度作用下，累積潛水蒸發(fā)量增加幅度明顯減小。

圖4 凍結(jié)過程中累積潛水蒸發(fā)量變化曲線

2.2.2 土壤粒徑對潛水蒸發(fā)量的影響

凍結(jié)過程中，由于潛水蒸發(fā)是通過毛細管向土壤剖面輸送水分，因此潛水蒸發(fā)能力受毛細水上升高度和毛細管輸水能力雙重作用的控制。在粒徑較小的土壤中，土壤孔隙直徑小，水分遷移速率慢，但毛細作用力強，水分遷移量大；在粒徑較大的土壤中則與之相反，水分遷移速率快，但遷移量小。

由圖4可知，凍結(jié)0～5 d時，土壤粒徑越大，潛水蒸發(fā)速率越快，A、B、C、D和E土柱潛水蒸發(fā)速率分別為0.15、0.20、0.24、0.29和0.34 mm/d。隨著凍結(jié)時間增加，土壤孔隙逐漸被冰充填，土壤輸水能力對潛水蒸發(fā)的影響減弱，毛細作用對潛水蒸發(fā)的影響增強。凍結(jié)第9 d以后，累積潛水蒸發(fā)量隨土壤粒徑增大而減小。凍結(jié)結(jié)束時，A、B、C、D和E土柱的最大累積潛水蒸發(fā)量分別為35.93、29.85、26.67、20.05和15.93 mm。

對凍結(jié)過程中累積潛水蒸發(fā)量與土壤平均粒徑進行回歸分析，結(jié)果表明凍結(jié)過程中累積潛水蒸發(fā)量與土壤平均粒徑具有較好的指數(shù)相關性，二者符合如下關系：

Q=aeb d50

式中：Q為累積潛水蒸發(fā)量，mm；d50為土壤平均粒徑，mm；a、b為回歸系數(shù)，與土壤粒徑有關。

圖5為凍結(jié)過程中-10、-20和-25 ℃恒溫凍結(jié)末的累積潛水蒸發(fā)量與土壤平均粒徑的擬合曲線圖。對累積潛水蒸發(fā)量與土壤平均粒徑的擬合曲線進行回歸分析，結(jié)果見表2。在給定顯著性水平α=5%條件下，F(xiàn)0.05(p，n-p-1)=F0.05(1，3)=10.13，由表2的方差分析結(jié)果可知，3個恒定凍結(jié)氣溫條件下的F值均大于10.13，說明方程回歸顯著；指數(shù)函數(shù)擬合方程的相關系數(shù)R2大于0.95，表明凍結(jié)過程中累積潛水蒸發(fā)量隨土壤平均粒徑的變化規(guī)律可較好地用上述回歸模型表征。回歸系數(shù)a隨凍結(jié)氣溫降低逐漸增大，而b的絕對值減小，表明隨著凍結(jié)氣溫的降低，土壤水分相變程度增大，土壤孔隙大部分被冰充填，土壤粒徑對潛水蒸發(fā)量的影響減弱。

圖5 累積潛水蒸發(fā)量與土壤平均粒徑擬合曲線

表2 回歸方程顯著性檢驗方差分析結(jié)果表

2.3 粒徑對潛水回補量的影響

土壤粒徑大小決定了土壤的導水能力和持水特性，對消融解凍過程土壤水向潛水的回補量和回補速率產(chǎn)生重要影響。消融過程中，A、B、C、D和E土柱的累積潛水回補量隨消融時間的變化曲線見圖6。消融0～5 d，粒徑越大，土柱中潛水回補速率越快，A、B、C、D和E土柱潛水回補速率分別為0.58、0.75、0.98、1.17和1.24 mm/d，這是因為土壤粒徑越大，土壤孔隙直徑越大，土壤的導水能力越強；此外，消融階段土壤粒徑越大，土壤溫度上升越快，有利于凍層消融水向潛水快速遷移轉(zhuǎn)化；而在粒徑較小的土壤中，土顆粒的比表面積大，土壤持水能力強，釋水能力弱，凍層融水向潛水遷移轉(zhuǎn)化的速率慢。

隨著消融時間增加，消融第7～10 d時，粒徑較大土柱中的累積潛水回補量變化曲線的斜率變緩，即累積潛水回補量隨土壤粒徑增大而減小，土柱D和土柱E在消融第10 d后的日均潛水回補量趨向于0。而粒徑較小的A土柱和B土柱中累積潛水回補量則繼續(xù)增加，第12 d時逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。消融結(jié)束時，最大累積潛水回補量隨土壤粒徑增大而減小，A、B、C、D和E土柱最大累積潛水回補量分別為25.75、21.78、19.61、15.59和12.67 mm。

圖6 消融階段不同粒徑土柱累積潛水回補量變化曲線

3 結(jié) 論

(1)凍結(jié)過程中，土壤粒徑越大，土壤溫度降幅越大，土壤凍結(jié)穩(wěn)定時的溫度越低。消融階段，土壤粒徑越大，土壤溫度升高的越快，溫度升高幅度越大，土壤剖面溫度越早達到穩(wěn)定。

(2)凍結(jié)0～5 d時，土壤粒徑越大，潛水蒸發(fā)速率越快，A、B、C、D和E土柱潛水蒸發(fā)速率分別為0.15、0.20、0.24、0.29和0.34 mm/d。凍結(jié)第9 d以后，累積潛水蒸發(fā)量隨土壤粒徑增大而減小。凍結(jié)階段A、B、C、D和E土柱的最大累積潛水蒸發(fā)量分別為35.93、29.85、26.67、20.05和15.93 mm，凍結(jié)過程中累積潛水蒸發(fā)量隨土壤粒徑增大呈指數(shù)型遞減，隨著凍結(jié)氣溫的降低，土壤粒徑對潛水蒸發(fā)量的影響減弱。

(3)消融0～5 d，粒徑越大，土柱中潛水回補速率越快，A、B、C、D和E土柱潛水回補速率分別為0.58、0.75、0.98、1.17和1.24mm/d。隨著消融時間增加，土壤粒徑越大，土柱中潛水回補量越早達到穩(wěn)定，累積潛水回補量隨土壤粒徑增大而減小。消融結(jié)束時，A、B、C、D和E土柱最大累積潛水回補量分別為25.75、21.78、19.61、15.59和12.67 mm。