寒區(qū)中小河流凍土水文特性與產(chǎn)流機(jī)制探討

肖興濤,張丹丹

(1.黑龍江省水文水資源中心，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省伊春水文水資源中心，黑龍江 伊春 153000)

1 概 述

湯旺河為松花江下游右岸支流。有東西湯旺河兩源，以東湯旺河為主流。流域位于東經(jīng)128°52′～129°50′，北緯47°26′～48°43′之間。湯旺河發(fā)源于伊春市烏伊嶺區(qū)桔源林場，流經(jīng)伊春市、湯原縣，于湯原縣松花江村匯入松花江。河流全長454 km，流域面積20 778 km2，河道平均比降0.657‰。

湯旺河流域地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春秋兩季冷暖多變，升溫緩、降溫快、大風(fēng)天多，夏季濕熱多雨，冬季嚴(yán)寒而漫長。多年平均氣溫為-1.05～1.00 ℃。全年≥10 ℃,積溫1995～2335 ℃，多年平均日照時數(shù)2270～2540 h，無霜期110～125 d。河流封凍期155～167 d，全年流冰期15 d左右，多年平均最大冰厚為1.21 m。最大凍土深2.5～3.2 m。多年平均水面蒸發(fā)量464～562 mm。

本流域地處中高緯寒冷地區(qū)，有凍土的存在時間在200 d以上，受季節(jié)性凍土影響，每年5—6月產(chǎn)流量明顯偏大。因此研究本區(qū)域凍土水分動態(tài)規(guī)律，揭示相應(yīng)的產(chǎn)流機(jī)制，對本流域水資源研究、水文預(yù)報、解決生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題，都具有重要意義[1-3]。

2 寒區(qū)凍土層中土壤水分動態(tài)規(guī)律

凍土形成可分為不穩(wěn)定封凍期、穩(wěn)定封凍期、不穩(wěn)定融凍期、穩(wěn)定融凍期、無凍期。積雪和凍土的存在，改變了土壤包氣帶厚度和土壤水分的動態(tài)規(guī)律，降雨徑流關(guān)系受到很大影響。凍土的不透水作用，蓄水調(diào)節(jié)作用，抑制蒸發(fā)作用，使降雨入滲、土壤含水量的垂線分布等均不同于無凍地區(qū)和無凍期。

凍土在形成過程中，日平均溫度降至0 ℃左右，部分區(qū)域開始積雪，土壤開始解凍，氣溫白天升至零上，夜晚降至零下，此時氣溫在0 ℃上下波動，地表土壤處于融化和凍結(jié)變化過程，存在不穩(wěn)定封凍期。此期間包氣帶土層溫度高于地表溫度，水汽和液態(tài)水受溫度勢的作用，向近地層溫度低處運(yùn)移并隨之凍結(jié)。地面降水和融雪入滲水量也在近地表聚集凍結(jié)。當(dāng)?shù)孛鏈囟韧耆抵? ℃以下，進(jìn)入穩(wěn)定封凍期后，地面降雨入滲中止，而凍結(jié)下界面以下土壤水分和潛水蒸發(fā)水分向凍層運(yùn)移，聚集于凍結(jié)鋒面以霜和冰晶的形式填充于土壤孔隙中，在低平地帶，當(dāng)封凍的土壤含水量較大，地下水位較高時，因凍結(jié)滯留向上運(yùn)移水分和不穩(wěn)定封凍期入滲水分，往往使凍土層含水量超過田間持水量，達(dá)到飽和與過飽和狀況。在凍層內(nèi)，土壤水分活動微弱，向上基本不蒸發(fā)，向下不補(bǔ)給潛水。

融凍期，融凍層水分運(yùn)動受基質(zhì)勢、重力勢和溫度勢共同作用，但以基質(zhì)勢為主，在凍結(jié)界面上的融凍層內(nèi)，水分向上運(yùn)移供給蒸發(fā)，向下運(yùn)移在融凍界面聚集滯留，繼續(xù)填充于土壤孔隙，飽和后形成凍層水。

凍土融凍化通后的土層內(nèi)，土壤水分受基質(zhì)勢、毛管勢和重力勢作用運(yùn)移，在總水勢剖面存在零通量面。水分運(yùn)動以零通量面為界，向上運(yùn)移供給蒸發(fā)，向下運(yùn)移補(bǔ)給潛水。零通量面的位置變化與降雨過程分布有關(guān)。當(dāng)集中降雨時，零通量面上升達(dá)到地表后消失，此時供水充分，整個剖面向上按蒸發(fā)能力蒸發(fā)，向下以重力水形式補(bǔ)給地下水。在降雨間歇的干旱期，包氣帶土壤水分蒸發(fā)，零通量面下移，但零通量面的埋深不易達(dá)到潛水面，故潛水面不易蒸發(fā)。

3 凍土影響下的產(chǎn)流機(jī)制

寒冷地區(qū)凍土影響下的產(chǎn)流量，包括融雪徑流和融凍期降雨徑流兩部分。在氣溫穩(wěn)回升后無明顯降雨，主要由融雪徑流形成的徑流，如融雪過程中兼有降雨，則形成混合徑流。兩種產(chǎn)流機(jī)制不盡相同。

3.1 融雪徑流機(jī)制

當(dāng)春季氣溫回升，太陽輻射增強(qiáng)，地面積雪開始融化，積雪融化主要熱源是氣溫回升，占融雪熱量的65%～70%，太陽輻射熱約占30%～35%,而降雨不僅給融雪帶來熱源，而且主要是破壞積雪結(jié)構(gòu)，引起積雪物理特性變化而加速融雪過程。

融雪出水的物理過程，首先是融化的雪水在雪層出現(xiàn)薄膜水和懸著毛管水，繼之在雪粒間孔隙充水，當(dāng)重力超過毛管力時出現(xiàn)重力水，向下流至土壤表面。當(dāng)融雪出水強(qiáng)度大于下滲強(qiáng)度時，便開始形成重力水和毛管水。薄膜水和毛管水沿垂直方向移動，而重力水則沿坡地方向活動。初期的融雪水到達(dá)地面后即下滲和填洼，當(dāng)滿足后開始流淌。由融雪到出水和產(chǎn)生徑流過程，在時間上都明顯滯后。當(dāng)融雪期遇到降溫，融雪水還可能在雪層凍結(jié)，直到氣溫升高再次融化，如在融雪過程中，氣溫不高，融雪水到下層或土層后遇冰點(diǎn)溫度還會再次凍結(jié)，待氣溫升高而融化，或白天融化夜間凍結(jié)。這樣的凍融過程，使融雪徑流更加滯后。

融雪水量到達(dá)地面后，一部分消耗于蒸發(fā)，一部分消耗與填洼和入滲補(bǔ)充于土壤，只有一部分成為徑流。此時，因凍土不透水層接近地表，產(chǎn)流方式以飽和地面徑流為主，壤中流和地下徑流比重較小。圖1為湯旺河主要站點(diǎn)融雪徑流過程圖，其中：五營①、南岔①、帶嶺①、伊春①為融雪徑流過程，五營②、南岔②、南岔③為混合徑流過程。隨著融凍時間增長，凍土層以上包氣帶厚度增厚，地下徑流比重加大，如圖五營②、南岔②、南岔③。此時地面積雪化盡，降雨入滲至地下，形成壤中流或地下徑流，蒸發(fā)損失小，徑流量增加，如圖五營②為三日雨量21.1 mm形成的徑流過程。圖南岔②僅21.9 mm雨量形成了洪水過程，南岔③為7.0 mm雨量形成的洪水過程。圖中南岔①前期融雪徑流開成較小，后期較大，開成兩次洪水過程，顯然是受氣溫升降變化的影響。從實(shí)測水文數(shù)據(jù)分析，大部分春季徑流是混合徑流過程，單一過程比較少，融雪徑流的突出特點(diǎn)是融雪水量需填充土壤和供給蒸發(fā)，受氣溫影響，徑流過程更加滯后。

圖1 湯旺河流域主要代表站春季徑流量過程線

3.2 融凍期與無凍期產(chǎn)流對比分析

凍土融凍期的產(chǎn)流條件，決定了特定的產(chǎn)流機(jī)制。在融凍初期，凍土層接近地表，包氣帶厚度接近于零，產(chǎn)流方式以飽和地面徑流為主。隨著融凍深度增加，包氣帶增厚，不透水界面下移，飽和面積減少，壤中流和地下徑流比重增加，直到凍土層化通，凍層上水位下移，產(chǎn)流方式才與無凍地區(qū)和無凍期相一致。由于凍土不透水層存在，降水入滲后水量聚集于凍層鋒面以上，并迅速上升，在凍層以上形成一層自由水面。它相當(dāng)于壤中徑流的積水深度。當(dāng)繼續(xù)降雨，水位穩(wěn)定上升到近地面，此時又會形成飽和地面徑流。

由于凍土水文效應(yīng)，凍土融凍期降雨入滲補(bǔ)給地下水甚微，土壤溫度低，蒸散發(fā)和植物截留明顯減少；融凍期包氣帶厚度小，土壤含水量高，吸收水分少。此期間徑流系數(shù)明顯偏大，并隨融凍時間增長，包氣帶厚度增加，凍土層消失而變化，達(dá)到與無凍期一致。但在無凍期，因?yàn)橥翆觾鼋Y(jié)后，土質(zhì)疏松，透水性能良好，加之凍土化通后正值雨季，地下水位升高，容易出現(xiàn)飽河流、壤中流和地下徑流混合流的產(chǎn)流機(jī)制。

以湯旺河上游干流五營站為例：選1967—2019年春季徑流量較大的場次進(jìn)行分析計算，根據(jù)水文整編資料計算出場次實(shí)測徑流量，利用洪水期降雨徑流方案計算出產(chǎn)流量，分別點(diǎn)繪到圖上，詳見圖2和表1。從圖上分析，相同降水和前期土壤影響雨量條件下，春季場次產(chǎn)流量明顯比無凍期大，且分布規(guī)律比較一致，受凍土影響，產(chǎn)流量計算結(jié)果偏大44%～89%。此外，春季產(chǎn)流量還受時間影響，在4月下旬—5月上中旬，產(chǎn)流量要比5月下旬—6月要大，主要是日期晚融凍深度增加，包氣帶變大，土壤吸收水份多，產(chǎn)流量相應(yīng)變小。

圖2 五營站5—6月與無凍期徑流深對比圖

表1 五營站5—6月與無凍期產(chǎn)流量計算成果

4 結(jié) 語

本文以湯旺河為例提出了寒區(qū)凍土水文特性，闡述了凍土過程及水分動態(tài)規(guī)律，分析了凍土影響下的產(chǎn)流機(jī)制，通過代表站分析了凍土期和洪水期產(chǎn)流量的對比關(guān)系及影響要素，對研究寒區(qū)融雪徑流及春季來水預(yù)報都具有一定的意義，本文中一些理論還需要實(shí)測凍土觀測資料完善，融雪徑流過程尚須要引入氣溫因素計算產(chǎn)流量過程。