王冠楠，甘永德，魏加華，李潤杰，吳玉帥，鄭麗萍

(青海大學(xué)水利電力學(xué)院，青海 西寧 810016)

土壤的入滲產(chǎn)流過程是水文循環(huán)過程中的重要組成部分，降水入滲直接影響地面的產(chǎn)流過程以及地表產(chǎn)流量，因此對于入滲產(chǎn)流機(jī)理的研究是水文循環(huán)的一個關(guān)鍵內(nèi)容[1]。布哈河流域是青海湖流域境內(nèi)最大的子流域，該流域是典型的高原半干旱氣候，氣溫日較差較大，區(qū)域內(nèi)多風(fēng)，夏季秋季多以東南風(fēng)為主，冬春季以西風(fēng)為主，其流域面積約1.5 萬km2，海拔為3 185～5 229 m，土壤組成多為栗鈣土和黑鈣土，季節(jié)性凍土和永久性凍土在流域內(nèi)廣泛分布[2-3]。流域內(nèi)海拔4 000 m以上,為終年冰雪覆蓋，是青海湖最重要的徑流補(bǔ)給河流，對其流域土壤入滲模擬進(jìn)行研究，對青海湖生態(tài)安全有重要意義[4]。

在季節(jié)性凍土和多年凍土區(qū)隨著氣溫的周期性變化而導(dǎo)致地表土層反復(fù)凍結(jié)融化的過程稱為凍融過程[5]。土壤凍結(jié)會導(dǎo)致土壤中發(fā)生復(fù)雜的水熱遷移變化，改變土壤結(jié)構(gòu)和水力特征[6]。土壤含水率的變化影響土壤的熱特性參數(shù)，同時土壤溫度梯度的存在會改變土壤滲透系數(shù)、土壤水分特征參數(shù)、以及影響土壤水分遷移[7-8]。土壤的凍融過程與土壤含水量密切相關(guān)，而含水量的變化又會影響土壤的滲水性能[9]。土壤中冰的形成，改變了水分在土壤中的入滲率，而冰的形成又與土壤的性質(zhì)、環(huán)境溫度、以及土壤初始含水量有關(guān)，所以不同結(jié)冰狀態(tài)下的土壤導(dǎo)水率也有所不同[10-12]。綜上所述，由于凍結(jié)土壤中冰晶的存在改變了非凍結(jié)土壤條件下的水力特征和土壤結(jié)構(gòu)，使得在季節(jié)性和永久性凍土區(qū)域形成了特殊入滲產(chǎn)流模式[13]。

土壤的入滲過程可以用土壤的入滲強(qiáng)度進(jìn)行描述，土壤的入滲強(qiáng)度主要由兩個方面決定，即土壤的水分供應(yīng)條件和土壤的滲水性能[14-15]。目前對土壤入滲理論的研究主要分為非飽和下滲理論和飽和下滲理論。對于凍結(jié)土壤入滲研究，前人多是考慮土壤整體凍融階段溫度變化對于土壤入滲產(chǎn)流的影響，沒有考慮不同土壤初始含水量對于凍結(jié)土壤入滲的影響。通過控制土壤含水量和溫度作為變量，模擬積水定水頭垂向一維均質(zhì)凍結(jié)土壤入滲試驗時，發(fā)現(xiàn)影響均質(zhì)凍結(jié)土壤入滲除去溫度因素外，土壤初始含水量也是需要考慮的因素，因此本研究在凍結(jié)條件下進(jìn)行了不同初始含水量均質(zhì)土壤入滲試驗，以分析其對土壤入滲的影響。通過分析不同初始溫度及不同初始含水量的凍結(jié)土壤入滲規(guī)律，可以為構(gòu)建凍融條件下土壤入滲產(chǎn)流模型提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

首先測定布哈河流域典型土壤剖面，用環(huán)刀法取得原狀土壤樣品(100 cm3)，并在室內(nèi)測定土壤水分特征參數(shù)，包括干容重及飽和體積含水量等。再在采樣區(qū)取得土壤，帶回實驗室，土壤經(jīng)風(fēng)干過篩(4 mm)后備用。用烘干法測定其初始體積含水量，定水頭法測定飽和導(dǎo)水率，采用離心機(jī)法測定土壤水分特征曲線，并用van Genuchten模型擬合(表1)，吸管法測定土壤顆粒組成。試驗土樣物理性質(zhì)如表2所示。試驗所用水樣取自西寧市地表淡水。

表1 栗鈣土van Genuchten模型參數(shù)

表2 試驗土樣物理性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

凍結(jié)土壤入滲試驗采用垂直土柱法進(jìn)行垂向一維積水入滲試驗。根據(jù)野外Em50土壤水分溫度傳感器探測數(shù)據(jù)得到布哈河流域年內(nèi)土壤負(fù)溫的變化區(qū)間為0～-7 ℃，因此室內(nèi)模擬凍結(jié)土壤溫度變化設(shè)置為0、-5、-10 ℃。試驗裝置由土柱，恒溫箱，馬氏瓶和數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成。由于恒溫箱溫度較低，土壤凍融試驗過程中，為防止土柱損壞，試驗所用土柱材質(zhì)為不銹鋼。試驗首先在土柱底部裝填5 cm砂石，然后在砂石上面鋪設(shè)紗網(wǎng)，最后再將均質(zhì)風(fēng)干過篩后的土壤以野外同等容重(干容重為1.25 g/cm3)分層(各層厚度為10 cm)均勻裝入直徑為28 cm、高40 cm的不銹鋼材質(zhì)土柱中(土柱高30 cm)，試驗裝置見圖1。在土柱5、15、25 cm處埋處設(shè)Em50土壤水分溫度傳感器(Em50-5、Em50-15、Em50-25)，以便測定土柱0～10、10～20和20～30 cm處土壤含水量和溫度。試驗用馬氏瓶恒壓供水(水頭高度 2 cm)。在試驗過程中測定馬氏瓶讀數(shù)和土柱內(nèi)積水深度，計算得到時段內(nèi)凍結(jié)土壤的累積入滲量。Em50探頭每隔5 min記錄凍結(jié)土壤在入滲試驗時段內(nèi)的含水率及溫度變化。設(shè)定不同初始溫度(0、-5、-10 ℃)相同初始含水量土樣及不同初始含水量(0.1、0.20、0.3 cm3/cm3)相同初始溫度土樣進(jìn)行入滲試驗，每組不同含水量以及溫度試驗設(shè)置3個重復(fù)，取平均值。每組試驗時間固定在4 h。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Experiment device diagram

試驗開始前，首先將配置好的不同體積含水量(0.1、0.2、0.3 cm3/cm3)的土柱放入恒溫箱，待土壤溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度(0、-5、-10 ℃)且恒定后，進(jìn)行入滲試驗。由于在較短試驗(4 h)條件下，野外土壤溫度不會有大幅度波動，為控制變量，室內(nèi)試驗進(jìn)行期間，土柱周圍溫度同樣保持恒定，即土柱溫度恒定時所設(shè)定的周圍環(huán)境溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍結(jié)土壤累積入滲量隨入滲時間的變化

2.1.1 初始含水量相同時凍結(jié)土壤累積入滲量隨時間的變化 相同初始含水量的凍結(jié)土壤在不同溫度(0、-5、-10 ℃)條件下累積入滲量隨時間變化過程見圖2。從圖中可以看出，土壤累積入滲量隨入滲時間的延長單調(diào)增加，在同一初始含水量的條件下，相同入滲時間內(nèi)，凍結(jié)土壤溫度為0 ℃時，土壤累積入滲量最大；凍結(jié)土壤溫度為-5 ℃時次之；凍結(jié)土壤溫度為-10 ℃時，土壤累積入滲量最小。研究結(jié)果說明,凍結(jié)條件下土壤的溫度影響土壤的累積入滲量，凍結(jié)土壤的累積入滲量隨溫度升高而增加，即凍結(jié)土壤初始溫度越低，土壤累積入滲量越小。

圖2 相同初始含水量土樣在不同溫度條件下累積入滲量隨時間的變化Fig.2 Variation of cumulative infiltration with time at different temperatures of soil samples with the same initial water content

2.1.2 同一溫度條件下凍結(jié)土壤累積入滲量隨時間的變化 同一溫度的凍結(jié)土壤在不同初始含水量(0.1、0.2、0.3 cm3/cm3，凍結(jié)土壤對應(yīng)飽和度分別為21%、42%、64%)條件下累積入滲量隨時間的變化過程見圖3。

圖3 同一溫度的凍結(jié)土壤在不同初始含水量的條件下累積入滲量隨時間的變化Fig.3 Variation of cumulative infiltration with time under the different initial water content of frozen soil at the same temperature

從圖中可以看出，土壤累積入滲量隨入滲時間的增大而增加，在同一溫度條件下，相同入滲時間內(nèi)，初始含水量為0.1 cm3/cm3時，土壤累積入滲量最大；初始含水量為0.2 cm3/cm3時次之；初始含水量為0.3 cm3/cm3條件下的土壤累積入滲量最小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面是因為土壤的入滲能力與土壤含水量有關(guān)，另一方面是因為土壤孔隙內(nèi)液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，冰晶的存在阻礙土壤入滲，導(dǎo)致土壤累積入滲量就越小。試驗結(jié)果說明凍結(jié)條件下，土壤的初始含水量影響土壤的累積入滲量，相同負(fù)溫條件下，凍結(jié)土壤初始含水量越低，土壤的累積入滲量越大。

2.2 凍結(jié)土壤入滲率隨入滲時間的變化

同一溫度的凍結(jié)土壤在不同初始含水量(0.1、0.2、0.3 cm3/cm3)的條件下入滲率隨時間的變化過程見圖4。從圖中可以看出，與相同含水量15 ℃條件下土壤入滲率相比，0、-5、-10 ℃的凍結(jié)土壤入滲率隨入滲時間的增大呈先增加后降低的過程。從變化趨勢上看，在同一溫度條件下，相同入滲時間內(nèi)，初始含水量為0.3 cm3/cm3時，土壤入滲率最??；初始含水量為0.1 cm3/cm3和0.2 cm3/cm3時，土壤入滲率數(shù)值大小相差不大且變化趨勢相似。研究結(jié)果說明,凍結(jié)土壤的入滲率與土壤溫度和土壤含水量有關(guān)。

圖4 凍結(jié)土壤入滲率隨時間變化曲線圖Fig.4 Infiltration rate of frozen soil with time

2.3 剖面含水量隨深度的變化

試驗?zāi)r刻，同一溫度下，不同初始含水量的凍結(jié)土壤體積含水量及體積含冰量隨深度變化對比的剖面曲線圖見圖5。由于在土壤表面積水入滲且積水層未結(jié)冰，因此在試驗?zāi)r刻土壤表層含水量為飽和含水率，含冰量為0。從圖中可以看出，在深度為10 cm處，相同初始負(fù)溫條件下初始含水量高的凍結(jié)土壤，未凍水的含量較低；與體積含水量相反，初始含水量越高的凍結(jié)土壤，體積含冰量越高；當(dāng)深度為10～20 cm時，土壤含水量隨深度增加而減少，且初始含水量越低，土壤含水量增加的趨勢越大，初始負(fù)溫越低，土壤含水量增加的趨勢也隨之減緩；當(dāng)深度為20～30 cm時，凍結(jié)土壤的濕潤峰深度未達(dá)到20 cm，因此土壤體積含水量與體積含冰量較試驗初始時刻幾乎無變化。隨試驗時間延長，凍結(jié)土壤體積含冰量隨深度增加的趨勢越大，體積含水量增加的趨勢越小。土壤剖面含水量隨初始試驗負(fù)溫升高呈增加趨勢，溫度越低，增加趨勢越慢；體積含水量的變化與體積含冰量的變化相反，即體積含冰量隨深度增加的趨勢越大，體積含水量增加的趨勢越小。

圖5 土壤體積含水量及體積含冰量隨深度變化剖面圖Fig.5 Profile of variations of soil volumetric water content and volumetric ice content with depth

2.4 入滲過程內(nèi)土壤溫度隨時間的變化

凍結(jié)土壤上層5 cm深度處土壤溫度隨時間變化曲線見圖6。

圖6 上層土壤溫度隨時間變化曲線圖Fig.6 Variations of upper soil temperature with time

在試驗過程中，由于濕潤峰未達(dá)到深度為20～30 cm的凍結(jié)土壤，因此下層土壤溫度隨試驗時間延長幾乎不變。但由于積水入滲，并且試驗所取水樣溫度為室溫12 ℃，所以在凍結(jié)土壤的表層存在熱量傳輸，使得土壤溫度發(fā)生改變。在試驗時間內(nèi)，由于熱量傳輸，上層土壤溫度隨試驗時間延長而升高。并且在試驗結(jié)束時刻可以看出，在初始土壤溫度相同時，試驗結(jié)束時刻累積入滲量越大的試驗組土壤，試驗結(jié)束時刻溫度越高。這是因為累積入滲量越大意味著入滲到土壤內(nèi)的試驗水量越多，熱量傳導(dǎo)就越多，相應(yīng)的土壤溫度也就越高。

3 討論與結(jié)論

凍結(jié)條件下，土壤孔隙內(nèi)液態(tài)水部分轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，冰晶的存在改變了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，使得土壤在相同條件下的過水面積減少，且初始含水量越高，冰晶含量也就越高。這與樊貴盛等[16]的研究規(guī)律相似，凍結(jié)土壤孔隙內(nèi)冰晶的存在會影響土壤的滲水性能，土壤凍結(jié)影響土壤液態(tài)水與土水勢之間的關(guān)系，使得土壤的水力傳導(dǎo)度發(fā)生了變化。因此，在垂直入滲條件下，均質(zhì)凍結(jié)土壤初始條件下負(fù)溫越低，累積入滲量越?。粌鼋Y(jié)土壤初始含水量越小，累積入滲量越大。在試驗前期，由于積水入滲，入滲水體與凍結(jié)土壤存在熱量傳輸，凍結(jié)土壤溫度升高。根據(jù)Carey等[17]得出的研究規(guī)律，土壤孔隙中冰晶的存在，會影響土壤的熱力傳導(dǎo)率，同時土壤水力傳導(dǎo)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致與非凍融區(qū)相比，降水下滲量減小，地表產(chǎn)流量增加。這與室內(nèi)垂向一維土壤積水入滲實驗所得出的結(jié)論相似，在試驗前期，表層土壤孔隙內(nèi)冰晶轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，使得孔隙增大，土壤入滲能力增強(qiáng)，土壤入滲率隨之增大；在試驗后期，由于濕潤峰的增大導(dǎo)致土壤入滲能力降低，入滲率減小，所以入滲率變化曲線隨入滲時間的延長呈先增加后降低的過程。同時，入滲過程中，土壤剖面含水量隨深度增加而減少，初始含水量越低，土壤含水量增加的趨勢越大，并且隨著凍融溫度越低，土壤含水量增加的趨勢隨之減緩，其入滲強(qiáng)度與土壤初始含水量及凍融溫度有關(guān)。