齊 凡，孫穎娜，李 娜

(1.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150086；2. 黑龍江大學寒區(qū)水文與水利工程中俄聯(lián)合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086)

融雪入滲是寒區(qū)代表性的水文循環(huán)過程之一，凍土是寒區(qū)典型的土壤。凍土滲透過程復雜，日間溫度升高時積雪融化成雪水，一部分雪水向土壤中入滲，當溫度降低時，融雪水變成固態(tài)凍結在土壤中，從而延遲融雪水的滲透[1-2]。國外對凍土的研究較早，學者們在20世紀70年代開始關注凍土[3]。我國凍融土壤入滲規(guī)律研究主要集中在融雪水分入滲和農(nóng)業(yè)灌溉兩方面。本文分析了前人的研究成果，以土壤含水量、凍土滲透系數(shù)、雪水當量、土壤溫度、非閉合孔隙度等為特征參數(shù)，針對參數(shù)確定的方法進行梳理，旨在為以后的相關研究提供幫助。

1 主要特征參數(shù)的基本概念

滲透系數(shù)：多孔介質(zhì)中的流體運動稱為滲流，土壤的滲透性是指土壤輸送水或其他流體的能力。表征土壤滲透的定量參數(shù)是滲透系數(shù)K。當水力梯度J=1時，滲透系數(shù)在數(shù)值上等于滲流速度。滲透系數(shù)表示土壤對不同流體的滲透性。

孔隙度：土壤由不同大小的固體顆粒組成，顆粒之間的空隙稱為土壤孔隙，其大小以孔隙度為特征。孔隙度是土壤中孔隙體積與土壤固體體積之比。

含水量：土壤孔隙中水與土壤的比例。凍土中的含水量由冰含量和未凍水含量兩部分組成。

雪水當量：雪完全融化時形成的水層的垂直深度。

2 寒冷地區(qū)水文模型中特征參數(shù)的確定

寒區(qū)水文模型對滲透率的需求較高。以天山北坡軍塘湖流域的Kostiakov模型為例，滲透公式為：

k=cx-b

(1)

式中：k為下滲率，mm/min；c和b為比例系數(shù)；x為下滲時間,min。通過測量的大量數(shù)據(jù)，用Excel，SPSS等軟件進行分析，將滲透量視為滲透時間的函數(shù)[4]。以回歸分析方式進行模擬，選出一個確定性系數(shù)最高的回歸模擬，可以得出c和b的值。

基于雪水當量與溫度之間的正線性關系建立的度日模型是模擬積雪消融量的有效工具。21世紀初，根據(jù)HBV水文模型的基本原理，康爾泗等人將中國西部山區(qū)分水嶺劃分為高山冰雪凍土帶和山區(qū)植被帶，建立了高寒地區(qū)的水文模型[5]。該模型的融雪量采用度日因子法進行計算，模型的輸入為月氣溫和降水量,輸出為徑流，模型應用于河西走廊地區(qū)并成功預測徑流。SRM融雪徑流模型是一個以融雪為主的水文模型，用于模擬和預測山區(qū)流域的徑流。它是一個基于物理的概念性分布式水文模型，融雪量采用度日因子法換算。陳仁升等在黑河干流流域建立了一個DWHC模型, 該模型考慮了凍土水熱耦合問題，也采用度日因子法解決季節(jié)性積雪融化模型問題。度日因子法的基本假設是融雪量與溫度之間存在顯著的正線性關系，借助經(jīng)驗參數(shù)模擬溫度和融雪量之間的關系[6]。這個概念最初由Finsterwalder提出，用于研究阿爾卑斯山的冰川變化。在諸多研究中，度日因子法的一般形式是：

M=DDF·PDD

(2)

式中:M為融雪量,mm；DDF為度日因子,mm/(℃·d)；PDD為某一時段內(nèi)的正積溫,℃。

3 原位方法確定特征參數(shù)

原位測定方法一定程度上能反映數(shù)據(jù)的精確度和可靠度，融雪入滲研究常用的野外或原位測定方法有以下幾種：

(1)雙環(huán)滲水實驗測量下滲量。測量土壤入滲的方法很多，雙環(huán)滲透法是最典型和應用最廣泛的方法。然而應用于存在季節(jié)性凍土的寒區(qū)時，需要在秋季預埋，以便于冬季和凍融期的測量[7]。

在實驗過程中，將水加入內(nèi)圈和內(nèi)圈與外圈之間的環(huán)形部分，使兩部分的水位保持在10 cm，并分別記錄不同時間間隔的滲水量。外圈和內(nèi)圈之間的滲水抑制了內(nèi)圈滲水的橫向運動，因此環(huán)形部分的滲透相關參數(shù)更接近實際。通過內(nèi)環(huán)測量不同間隔的滲水量作為下一步計算的數(shù)據(jù)。根據(jù)達西定律，使用雙環(huán)滲漏，水深約5 cm，環(huán)中的水頭為10 cm。當時間長且穩(wěn)定時，水力梯度J≈1(實際上略大于1)，則：

(3)

式中：Q為穩(wěn)定滲流量，m3/min；A為雙環(huán)內(nèi)徑面積，m2；V為滲透速度，m/min；K為滲透系數(shù)，m/min。滲透速度約等于滲透系數(shù)。

(2)電子地溫計測量地溫。采用錘擊式原狀取土鉆為測溫載體，土壤溫度用電子地溫計測量，一般取50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、250 cm、300 cm深度的土壤測量。

(3)土壤傳感器監(jiān)測土壤含水量和溫度。TDR(時域反射儀)法是一種測量土壤濕度的方法，出現(xiàn)于20世紀80年代。TDR是一種類似于雷達系統(tǒng)的具有很強獨立性的系統(tǒng)，其結果基本上與土壤類型、密度和溫度無關。TDR可以在結冰條件下測量土壤水分，這一點很重要，非常適合測定寒區(qū)土壤特征參數(shù)。此外，TDR可同時監(jiān)測土壤水分和鹽分含量。

電阻法利用石膏、尼龍、玻璃纖維等的電阻與其含水量的關系設計而成。當這些中間體與電極一起放在潮濕的土壤中時，一段時間后，這些物質(zhì)的含水量是平衡的。先前設定的電阻與含水量之間存在一定的對應關系，然后可以借助這些組件獲得100～1500 kPa大氣壓吸入范圍內(nèi)的水分讀數(shù)。

中子法適用于確定田間土壤水分。它的設計原理是氫迅速降低快中子的速度并使其散射。中子水分計有許多優(yōu)點，但它對于有機土壤有相當大的限制，不適合測量0～15 cm的土壤含水量。

與中子水分計類似，γ射線透射方法使用放射源137 Cs發(fā)射γ射線，探測器接收通過土壤傳輸?shù)摩蒙渚€的能量，計算轉換后得到土壤含水量。

如今，隨著技術和精度的提高，土壤水分傳感器越來越多，越來越常見，常見的有插針式土壤水分傳感器、“中國管”土壤水分傳感器等。

(4)染色示蹤法測融雪入滲深度。染色示蹤劑是研究融雪水在土壤中遷移的主要方法之一。含有染色劑的融雪水流入地下，由于示蹤劑的作用，被融雪水滲透的土壤被染成不同的顏色。以這種方式，可以清楚且直觀地觀察土壤中融雪水運移的軌跡[8]。根據(jù)染色劑的染色機理，染色劑通常分為兩種類型：一種是直接給土壤著色的染色劑，如亮藍色和亞甲藍色。這類染色劑易于使用，易于掌握，但由于土壤的黏性作用，染色劑保留在土壤層中，因此染色劑的軌跡滯后于融雪水的運動；另一種是不能直接顯示顏色，必須與顯色劑反應以使顏色可視化的著色劑，例如碘離子。盡管著色劑需要與顯色劑反應，比第一種更復雜，但是滲透能力相對較強，并且土壤的黏性力所造成的影響較小。因此，更適合觀察土壤水分在較高黏性土壤中的滲透。實驗需在實驗地降雪之前選取一定面積的站點均勻拋灑染色劑并記錄地點。在積雪完全融化后，選擇挖土的時間挖掘土壤并用測量工具測量滲透深度。

4 室內(nèi)方法確定特征參數(shù)

野外實驗受氣候、下墊面、溫度等條件影響較大，有時導致誤差較大或者實驗無法進行，這時需要設計室內(nèi)實驗來滿足研究所需要的參數(shù)要求[9]。

土壤含水量通常通過烘干法測量。將試樣放入溫度105～110 ℃的烘干箱中，水分完全蒸發(fā)后，測量對比試樣烘干前后重量。

實驗室采用飽液法測量非閉合孔隙度。以密度與粒徑為主要控制指標制備試驗土樣，放于裝置內(nèi)，進行配水-凍結制得特定含水量的穩(wěn)定凍結試驗土柱。土柱制備好后，對其進行飽液，直到當測試液體溢出土壤柱的上表面時，停止飽液，記錄已填充液體體積。該體積是凍土中的非閉孔體積，土壤樣品中非閉孔體積與土壤顆粒體積的比值是孔隙度。其中，值得注意的是測試液體的選取問題。

另外，TST-70滲透儀也是室內(nèi)測量的有效工具[10]。針對寒區(qū)土壤特性需要對實驗進行改進，選用30%乙二醇溶液作為常水頭滲透實驗的測試液體。因為該惰性液體凝固點低，測試溫度為-7.5 ℃時不會凍結?？扇⊥粱虬凑昭芯繀^(qū)土壤特性配置土樣。計算方法同樣根據(jù)達西定律，不做贅述。

5 結論與展望

寒區(qū)本身的惡劣環(huán)境、經(jīng)濟滯后、研究人員的稀缺，以及復雜的地下水運動，導致使用常規(guī)方法進行的研究不會產(chǎn)生十分合理和令人滿意的結果。

原位實驗與室內(nèi)實驗的擬合有時存在誤差。由于環(huán)境、氣候、人員、運輸和其他條件，現(xiàn)場實驗的數(shù)量與測量設備、測試方法和監(jiān)測項目中的室內(nèi)測試有顯著差異。在安裝和校準儀器方面，有時在實際生產(chǎn)操作中不能保證科學研究所需的精確度和操作程序。

實驗研究追求測試數(shù)據(jù)的單點精度，但對指導實際生產(chǎn)的意義不大，因為研究目標的規(guī)模遠大于測試點。而水分在土壤中也不是高度均勻的。只有具有穩(wěn)定輸出、有歷史數(shù)據(jù)可比性和足夠大的平均體積的數(shù)據(jù)才可用。

在實驗方法和儀器中，應引用更先進的儀器和技術。單一的一維流研究非常有限，3S技術也應用到對寒區(qū)水分運移方向的研究上來，更好的描述二維、三維流研究也是待解決的問題；另外，隨著實驗的復雜性和精確性的發(fā)展，根據(jù)研究區(qū)的特殊條件設計和改進實驗裝置也將發(fā)揮更加有效和實用的作用，從而彌補直接引用其他地區(qū)的實驗裝置而存在不適應當?shù)厍闆r的不足。