凍融作用下土壤不均勻系數(shù)對(duì)潛水與土壤水轉(zhuǎn)化的影響

陳菁琰，陳軍鋒，崔莉紅，薛 靜，趙德星，杜 琦

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省水文水資源勘測(cè)總站太谷均衡實(shí)驗(yàn)站，山西 晉中 030800）

0 引言

中國(guó)北方地區(qū)大多屬于季節(jié)性凍土區(qū)，冬春季節(jié)干旱少雨。在地下水淺埋區(qū)，土壤水-地下水之間的水分轉(zhuǎn)化是農(nóng)田水均衡的重要組成部分[1]，生育期內(nèi)農(nóng)田的土壤水和地下水轉(zhuǎn)化頻繁[2]，且不同時(shí)期具有不同的轉(zhuǎn)化特征。季節(jié)性凍融期，地下水與土壤水相互轉(zhuǎn)化異常強(qiáng)烈[3]，影響地下水位變化[4]，也加劇土壤鹽漬化[5-7]。

潛水蒸發(fā)是潛水向土壤水轉(zhuǎn)化的一種形式，是四水轉(zhuǎn)化中重要的一環(huán)[8]，主要受土壤輸水能力和外界大氣蒸發(fā)能力的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)野外試驗(yàn)[9-11]、數(shù)值模擬[12-14]、計(jì)算模型[15-17]等方法對(duì)潛水蒸發(fā)進(jìn)行了大量的研究。潛水與土壤水的相互轉(zhuǎn)化不僅受灌溉過(guò)程[18]、凍融循環(huán)[19]、作物生長(zhǎng)[20]、潛水埋深[21]和土壤質(zhì)地[22]的影響，也受凍融過(guò)程的影響。凍融期地下水位與地表氣溫具有密切的關(guān)系[23]，凍結(jié)過(guò)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(duì)潛水蒸發(fā)量的影響減弱[24]。土壤顆粒級(jí)配反映土中所含各粒組的相對(duì)含量，影響毛細(xì)水上升[25]、滲透系數(shù)[26]、土壤水分特征曲線[27]、抗剪強(qiáng)度[28]、土壤侵蝕[29]、分形維數(shù)[30]、植物擴(kuò)張[31]、土地利用類型[32]、采煤沉降和土地復(fù)墾[33]等，但對(duì)潛水與土壤水轉(zhuǎn)化的影響尚不清楚。

為了揭示土壤顆粒級(jí)配對(duì)潛水與土壤水轉(zhuǎn)化的影響，在室內(nèi)人為控制凍融環(huán)境條件下，研究了5種土樣的不均勻系數(shù)對(duì)潛水與土壤水轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響，并定量分析了土壤不均勻系數(shù)與潛水蒸發(fā)量的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

凍融作用下潛水與土壤水轉(zhuǎn)化的室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)土柱、保溫池、空氣制冷裝置、熱敏電阻溫度采集器、溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及馬氏瓶定水頭供水裝置組成，試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 室內(nèi)凍融模擬試驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of indoor freezing-thawing simulation test device

試驗(yàn)土柱為有機(jī)玻璃材質(zhì)，高110 cm，內(nèi)徑15 cm，壁厚5 mm，外部用3 cm 聚酯保溫材料包裹防止與外界進(jìn)行熱量交換。保溫池由 PVC 塑料板制作，中間填充聚氨酯材料?？諝庵评溲b置最低冷凍氣溫為-35 ℃，可實(shí)現(xiàn)人工精準(zhǔn)控制凍結(jié)溫度。

為監(jiān)測(cè)土壤溫度變化特征，在5、10、15、20、30 和40 cm 處埋設(shè)熱敏電阻，數(shù)據(jù)采集頻率為10 s 一次，熱敏電阻溫度采集器為博敏特成都科技 DM6213 系列多通道采集器。氣溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用 Cos-02-0 USB 型溫濕度記錄儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄凍結(jié)氣溫變化。馬氏瓶定水頭供水裝置利用馬氏瓶恒定水頭補(bǔ)水原理保持潛水位恒定。

土柱裝填時(shí)在底部平鋪10 cm 石英砂作為反濾層，土樣厚度為100 cm，土柱下部與馬氏瓶供水系統(tǒng)連接，地下水埋深通過(guò)馬氏瓶恒定為0.5 m。為保證土樣的連續(xù)均勻性，在室內(nèi)常溫下靜置3 d 后打開(kāi)馬氏瓶供水裝置進(jìn)行供水直至土壤剖面水分達(dá)到穩(wěn)定進(jìn)行凍融試驗(yàn)，其中供水時(shí)間為10 d，為保證試驗(yàn)結(jié)果不受溶液中某些溶質(zhì)離子的影響，本次試驗(yàn)潛水采用蒸餾水。潛水蒸發(fā)量通過(guò)讀取帶有刻度尺的馬氏瓶（精度為1 mm）計(jì)算馬氏瓶水量下降高度，換算為土柱體積對(duì)應(yīng)的水量高度；潛水回補(bǔ)量由接滲瓶（精度為1 mL）中水量測(cè)得，換算為水量在土柱中的下降高度，監(jiān)測(cè)頻率為2 h一次。

1.2 試驗(yàn)土樣

通過(guò)篩分機(jī)篩分0～2.5 mm 土樣配制了五種不同土壤顆粒級(jí)配的土樣，分別記A、B、C、D 和E，土樣基本物理參數(shù)見(jiàn)表1，顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

圖2 土壤顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Soil grain size distribution curve

表1 試驗(yàn)土樣主要物理參數(shù)Tab.1 Main physical parameters of the test soil samples

1.3 凍融氣溫

室內(nèi)凍融試驗(yàn)于2021年11月至2022年1月進(jìn)行，凍結(jié)與融化過(guò)程共72 d。在-10 ℃恒定溫度下凍結(jié)第26 d，5 個(gè)土柱的潛水蒸發(fā)量與土壤剖面溫度均達(dá)到穩(wěn)定；將凍結(jié)氣溫調(diào)節(jié)至-20 ℃，凍結(jié)第54 d 時(shí)再次達(dá)到穩(wěn)定；凍結(jié)氣溫調(diào)節(jié)至-25 ℃，凍結(jié)第62 d時(shí)達(dá)到穩(wěn)定并結(jié)束凍結(jié)過(guò)程。第63 d時(shí)開(kāi)始自然消融，10 d 后潛水回補(bǔ)量為0，消融結(jié)束。圖3 為冷凍裝置凍融氣溫變化曲線。

圖3 冷凍裝置凍融氣溫變化曲線Fig.3 Freezing and thawing temperature change curve of freezing device

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤不均勻系數(shù)對(duì)土壤剖面溫度的影響

凍融過(guò)程中，土壤溫度變化受導(dǎo)熱系數(shù)的影響，土壤含水率、干容重、土壤顆粒大小均會(huì)影響土的導(dǎo)熱系數(shù)，5個(gè)土柱土壤的含水率相差較小，所以土壤顆粒大小、干容重為影響土壤導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵性因素。凍結(jié)過(guò)程中土壤剖面溫度變化曲線見(jiàn)圖4。0～10 cm 土壤溫度快速降低。凍結(jié)結(jié)束時(shí)（第62 d）土壤溫度基本達(dá)到穩(wěn)定，Cu越大，土壤溫度降低越明顯，5個(gè)不均勻系數(shù)土柱中土壤剖面溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律基本一致。5、10、15、20、30、40 cm 處土柱E（Cu=20.76）較土柱A（Cu=2.00）土壤剖面溫度分別低6.5、5.5、4.7、3.9、2.5 和1.9 ℃，A、B、C、D 和E 土柱在0～40 cm 土壤溫度梯度最大分別為3.88、4.12、5.02、5.18、5.28 ℃/cm。可見(jiàn)，隨著土壤深度的增加，土柱A 和土柱E 凍結(jié)結(jié)束時(shí)的溫度差減小，不均勻系數(shù)對(duì)土壤剖面溫度的影響減??；土壤溫度梯度隨不均勻系數(shù)增大而增大。由于土壤Cu的增大，不同粒徑土壤顆粒都包含，密實(shí)度也增加，土柱中土壤骨架孔隙被細(xì)顆粒填充，土壤容重增加，孔隙度減小，土壤導(dǎo)熱系數(shù)增大，在相同的凍結(jié)氣溫變化下，土壤溫度變化越大。

圖4 凍結(jié)過(guò)程中土壤剖面溫度變化曲線Fig.4 Temperature curve of soil profile at freezing stage

消融過(guò)程中土壤剖面溫度變化曲線見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，消融0～2 d，冷凍裝置內(nèi)氣溫迅速升高至0 ℃以上，A、B、C、D 和E土柱在0～40 cm 深度的土壤溫度分別升高3.1～11.4、3.3～12.6、4.2～16.6、4.3～17.1 和4.4～22.5℃，E 土柱消融初始時(shí)溫度最低，回升幅度最大。第3 d 時(shí)，E 土柱消融溫度逐漸高于A 土柱。5 cm 處，消融第5 d土壤溫度逐漸趨于穩(wěn)定；而40 cm 處，消融第7 d 土壤溫度逐漸趨于穩(wěn)定，可見(jiàn)，隨著土壤深度的增加，消融溫度的升高具有滯后性。A、B、C、D 和E 土柱0～40 cm 土壤溫度梯度為0.86～1.58、0.89～1.69、1.02～2.13、1.05～2.21、1.08～2.25 ℃/d，因此，在整個(gè)消融過(guò)程中，Cu越大，土壤溫度升溫越快。

圖5 消融過(guò)程中土壤剖面溫度變化曲線Fig.5 Temperature curve of soil profile at thawing stage

2.2 凍結(jié)過(guò)程中潛水蒸發(fā)量變化特征

2.2.1 凍結(jié)氣溫對(duì)潛水蒸發(fā)量的影響

凍結(jié)過(guò)程中累積潛水蒸發(fā)量見(jiàn)圖6。在-10 ℃凍結(jié)下，凍結(jié)0～3 d 潛水蒸發(fā)速率較小，土柱A、B、C、D 和E 的潛水蒸發(fā)速率分別為0.11、0.15、0.23、0.27 和0.39 mm/d。凍結(jié)4～22 d，隨著凍結(jié)負(fù)溫的不斷作用，土壤水分凍結(jié)使得凍層的土水勢(shì)迅速減小，水分在土水勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下向凍層遷移，潛水蒸發(fā)速率快速增大。凍結(jié)23～26 d 時(shí)潛水蒸發(fā)逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，凍結(jié)第26 d時(shí)土柱A、B、C、D 和E 的累積潛水蒸發(fā)量分別為6.19、10.51、14.12、16.95和18.79 mm。當(dāng)凍結(jié)氣溫繼續(xù)下降至-20 ℃時(shí)，土壤剖面溫度梯度降幅增大，潛水蒸發(fā)量增加，-20 ℃恒溫凍結(jié)階段土柱A、B、C、D 和E 的平均潛水蒸發(fā)速率為0.29、0.35、0.46、0.60 和0.65 mm/d。-25 ℃恒溫凍結(jié)至第62 d 時(shí)，潛水蒸發(fā)再次到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，土壤剖面溫度梯度降幅較小，由于潛水蒸發(fā)量持續(xù)增加使得土壤剖面含水量增大，基質(zhì)勢(shì)減小，在土水勢(shì)梯度作用下，雖然累積潛水蒸發(fā)量增大，但累積潛水蒸發(fā)量幅度較-10 ℃至-20 ℃明顯減小，平均潛水蒸發(fā)速率為0.11、0.13、0.14、0.17 和0.18 mm/d。

圖6 凍結(jié)過(guò)程中累積潛水蒸發(fā)量變化曲線Fig.6 Variation curve of cumulative phreatic evaporation during freezing process

2.2.2 不均勻系數(shù)對(duì)潛水蒸發(fā)量的影響

由圖7 可知，累積潛水蒸發(fā)量隨著Cu增大而增大。凍結(jié)結(jié)束（第62 d）時(shí)，土柱A、B、C、D 和E 的累積潛水蒸發(fā)量分別為15.17、21.46、28.23、34.99 和38.65 mm。Cu越大，土樣中細(xì)顆粒含量多，土壤持水力強(qiáng)，毛細(xì)水上升高度大，水分遷移能力較強(qiáng)。凍結(jié)過(guò)程中，5種不均勻系數(shù)土柱的累積潛水蒸發(fā)量與不均勻系數(shù)具有較好的對(duì)數(shù)關(guān)系，二者符合如下關(guān)系：

式中：Q為累積潛水蒸發(fā)量，mm；Cu為不均勻系數(shù)；a、b為回歸系數(shù)，隨著凍結(jié)氣溫降低而增大。

-10、-20 和-25 ℃恒溫凍結(jié)過(guò)程中累積潛水蒸發(fā)量與土壤不均勻系數(shù)的擬合曲線見(jiàn)圖7，對(duì)數(shù)函數(shù)擬合方程的決定系數(shù)R2均大于0.97，說(shuō)明土壤不均勻系數(shù)累積潛水蒸發(fā)量隨凍結(jié)時(shí)間變化較好的符合對(duì)數(shù)函數(shù)的關(guān)系。在顯著性水平α= 5%條件下，F(xiàn)0.05(1,3)= 10.13，由表2 方差分析結(jié)果可知，F(xiàn)值均大于10.13，顯著性小于0.05，說(shuō)明方程回歸顯著。

圖7 累積潛水蒸發(fā)量與不均勻系數(shù)擬合曲線Fig.7 Fitting curve of cumulative phreatic evaporation and inhomogeneous coefficient

表2 回歸方程分析結(jié)果表Tab.2 Regression equation analysis result table

2.3 不均勻系數(shù)對(duì)潛水回補(bǔ)量的影響

消融過(guò)程中累積潛水回補(bǔ)量變化曲線見(jiàn)圖8。消融0～2 d，制冷裝置氣溫迅速上升到0 ℃以上，凍結(jié)土壤迅速融化，土壤水向潛水迅速回補(bǔ)，土柱A、B、C、D 和E 潛水回補(bǔ)速率分別為0.89、5.04、10.43、12.32 和16.50 mm/d；消融3-8 d，累積潛水回補(bǔ)量速率減小，潛水回補(bǔ)量趨于穩(wěn)定狀態(tài)；第9～10 d，累積潛水回補(bǔ)量達(dá)到穩(wěn)定。消融結(jié)束時(shí)，土柱A、B、C、D和E 累積潛水回補(bǔ)量分別為5.11、12.98、20.03、24.34 和27.60 mm，由于含粒徑小的土粒越多，冰層融化后通過(guò)土柱的凍層消融水越多即潛水回補(bǔ)量越多?？梢?jiàn)，Cu越大，潛水回補(bǔ)量越多。

圖8 消融過(guò)程中累積潛水回補(bǔ)量變化曲線Fig.8 Variation characteristics of accumulate phreatic water supply in soil columns

3 分析與討論

3.1 土壤不均勻系數(shù)對(duì)土壤溫度的影響

土壤溫度是反映土壤熱狀態(tài)的綜合性指標(biāo)。隨著土壤不均勻系數(shù)的增加，孔隙度減小，導(dǎo)熱系數(shù)變大，在相同凍結(jié)氣溫條件下，土壤溫度降幅和剖面溫度梯度較大，因此，在冬季不均勻系數(shù)越大的土壤凍結(jié)深度越大。在消融階段，土壤凍層雙向融化，地表土壤受室內(nèi)氣溫影響較大而穩(wěn)定向下消融，下層土壤受室內(nèi)溫度影響較小，因此，隨著土壤深度的增加，消融溫度的升高具有滯后性。

3.2 土壤不均勻系數(shù)對(duì)潛水轉(zhuǎn)化的影響

土壤水與地下水之間存在著密切聯(lián)系，在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。潛水蒸發(fā)是由土壤水分在凍融期的遷移引起的[3]，使地下水向非飽和帶遷移的驅(qū)動(dòng)力是土水勢(shì)梯度。

在凍結(jié)過(guò)程中，土壤不均勻系數(shù)越大，土壤剖面溫度降幅和土水勢(shì)梯度越大，累積潛水蒸發(fā)量增大。此外，土壤不均勻系數(shù)越大的土壤，土壤持水力強(qiáng)，毛細(xì)水上升高度大，水分遷移能力較強(qiáng)，累積潛水蒸發(fā)量越多。在消融階段，由于氣溫迅速升高，非飽和帶的含冰量減小，液態(tài)含水量增加，土壤水分在重力勢(shì)作用下向淺層地下水遷移，潛水回補(bǔ)量增加，不均勻系數(shù)越大，累積潛水回補(bǔ)量越多。

4 結(jié)論

（1）土壤不均勻系數(shù)越大，土壤溫度降幅越大，凍結(jié)穩(wěn)定時(shí)的土壤溫度越低；隨著土壤深度的增加，不均勻系數(shù)對(duì)土壤剖面溫度的影響減小。消融過(guò)程中，土壤不均勻系數(shù)越大，土壤溫度則升溫速率越快；隨著土壤深度的增加，消融溫度具有滯后性。

（2）累積潛水蒸發(fā)量隨土壤顆粒不均勻系數(shù)增大而增加，Cu越大，土樣中細(xì)顆粒含量多，土壤持水力強(qiáng)，毛細(xì)水上升高度大，水分遷移能力較強(qiáng)。凍結(jié)過(guò)程中累積潛水蒸發(fā)量與土壤不均勻系數(shù)符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，回歸系數(shù)隨著凍結(jié)氣溫降低而增大。

（3）消融0～2 d，制冷裝置氣溫迅速上升到0 ℃以上，土壤水向潛水迅速回補(bǔ)，土柱A、B、C、D 和E 潛水回補(bǔ)速率分別為1.05、4.37、8.44、9.87 和12.86 mm/d。累積潛水回補(bǔ)量隨土壤顆粒不均勻系數(shù)增大而增加，土柱A、B、C、D 和E 在消融階段累積潛水回補(bǔ)量分別為5.11、12.98、20.03、24.34和27.60 mm。