陳軍鋒，高旭光，杜 琦，薛 靜，呂澤浩

(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局太谷均衡實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確評(píng)價(jià)，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(duì)于科學(xué)評(píng)價(jià)地下水資源和預(yù)防土壤鹽漬化具有重要的理論指導(dǎo)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(bǔ)給地下水與潛水蒸發(fā)補(bǔ)給土壤水的兩者相互轉(zhuǎn)化十分頻繁。國外有關(guān)學(xué)者通過不同試驗(yàn)方法及數(shù)值模型相結(jié)合的方法，對(duì)地下水補(bǔ)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(duì)干旱和半干旱地區(qū)140個(gè)補(bǔ)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(bǔ)給量與補(bǔ)給速率的研究結(jié)果進(jìn)行了綜合分析。Jiménez-Martínez等[6]利用根區(qū)模型對(duì)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(bǔ)給量進(jìn)行了研究。中國學(xué)者針對(duì)潛水蒸發(fā)研究的試驗(yàn)方法[7-9]、影響因素[10-12]及數(shù)值模型計(jì)算[13-15]等方面進(jìn)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(jìn)行不同試驗(yàn)條件下的潛水蒸發(fā)模擬，學(xué)者們利用地中蒸滲儀進(jìn)行了大量的野外試驗(yàn)研究[16,17]，但試驗(yàn)主要是在非凍結(jié)期進(jìn)行的，而且受試驗(yàn)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(jì)算多采用經(jīng)驗(yàn)公式的方法，而經(jīng)驗(yàn)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(yàn)公式計(jì)算潛水蒸發(fā)量時(shí)常常需要考慮公式的適用性問題，針對(duì)各經(jīng)驗(yàn)公式在不同地區(qū)的適用性問題，學(xué)者們進(jìn)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(guān)，不同質(zhì)地土壤中毛管孔隙結(jié)構(gòu)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(guān)于土質(zhì)對(duì)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(gè)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(duì)土壤質(zhì)地的影響進(jìn)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(duì)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(jìn)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(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

淺埋潛水與土壤水轉(zhuǎn)化的室內(nèi)凍融模擬試驗(yàn)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(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)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(dòng)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(jī)玻璃管制成，土柱外部用2.5 cm厚的保溫材料進(jìn)行包扎保溫處理，防止與外界環(huán)境進(jìn)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(yàn)土樣

試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)站和附近代表性土樣，通過室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)篩子進(jìn)行篩分，設(shè)置了5種粒級(jí)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(shè)計(jì)容重1.5 g/cm3分別進(jìn)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(shè)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(yàn)土樣主要物理參數(shù)

1.3 試驗(yàn)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(bǔ)水，為消除某些溶質(zhì)離子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，定水頭供水系統(tǒng)采用蒸餾水補(bǔ)給供水。在室溫條件下供水7 d后，土壤剖面的水分達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，之后進(jìn)行凍融試驗(yàn)。

室內(nèi)凍融試驗(yàn)歷時(shí)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(jìn)行持續(xù)凍結(jié)，當(dāng)潛水蒸發(fā)量小于0.1 mm/d時(shí)調(diào)節(jié)凍結(jié)溫度，凍結(jié)過程總計(jì)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(shí)5種粒徑土柱的馬氏瓶水量均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，調(diào)節(jié)凍結(jié)氣溫至-20 ℃繼續(xù)恒溫凍結(jié)，第54 d時(shí)達(dá)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(shí)馬氏瓶水量重新達(dá)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(shí)，潛水回補(bǔ)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(shè)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(biāo)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(duì)潛水的補(bǔ)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(duì)應(yīng)的水量高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤粒徑對(duì)土壤溫度影響

凍融過程中，土壤溫度變化受導(dǎo)熱系數(shù)的影響，土壤含水率、干容重及土壤粒徑大小均會(huì)影響土壤的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shí)的溫度越低，-10 ℃恒溫凍結(jié)第26 d時(shí)，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(shí)(凍結(jié)第62d)，A、B、C、D和E土柱溫度達(dá)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(shí)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(shí)的溫度變化很小。當(dāng)氣溫上升到0 ℃以上時(shí)，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(shí)，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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而土柱A、土柱B和土柱C在第11～12 d時(shí)逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，較土柱D和土柱E推遲1～2 d?？梢姡陔A段，土壤粒徑越大，土壤剖面溫度越早達(dá)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(duì)潛水蒸發(fā)量的影響

凍結(jié)過程中，凍結(jié)氣溫變化對(duì)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(dòng)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(gè)土柱的累積潛水蒸發(fā)量在第21～26 d時(shí)逐漸達(dá)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(shí)，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(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)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(dāng)凍結(jié)氣溫降低至-25 ℃時(shí)，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(duì)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(xì)管向土壤剖面輸送水分，因此潛水蒸發(fā)能力受毛細(xì)水上升高度和毛細(xì)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(xì)作用力強(qiáng)，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(shí)，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(shí)間增加，土壤孔隙逐漸被冰充填，土壤輸水能力對(duì)潛水蒸發(fā)的影響減弱，毛細(xì)作用對(duì)潛水蒸發(fā)的影響增強(qiáng)。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(shí)，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(duì)凍結(jié)過程中累積潛水蒸發(fā)量與土壤平均粒徑進(jìn)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(guān)性，二者符合如下關(guān)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(guān)。

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(duì)累積潛水蒸發(fā)量與土壤平均粒徑的擬合曲線進(jìn)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(gè)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(guān)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?；貧w系數(shù)a隨凍結(jié)氣溫降低逐漸增大，而b的絕對(duì)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(duì)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(yàn)方差分析結(jié)果表

2.3 粒徑對(duì)潛水回補(bǔ)量的影響

土壤粒徑大小決定了土壤的導(dǎo)水能力和持水特性，對(duì)消融解凍過程土壤水向潛水的回補(bǔ)量和回補(bǔ)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(bǔ)量隨消融時(shí)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(bǔ)速率越快，A、B、C、D和E土柱潛水回補(bǔ)速率分別為0.58、0.75、0.98、1.17和1.24 mm/d，這是因?yàn)橥寥懒皆酱?，土壤孔隙直徑越大，土壤的?dǎo)水能力越強(qiáng)；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(qiáng)，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(shí)間增加，消融第7～10 d時(shí)，粒徑較大土柱中的累積潛水回補(bǔ)量變化曲線的斜率變緩，即累積潛水回補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)量則繼續(xù)增加，第12 d時(shí)逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。消融結(jié)束時(shí)，最大累積潛水回補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(shí)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(dá)到穩(wěn)定。

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