高旭光，陳軍鋒，鄭秀清，薛 靜

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

我國季節(jié)性凍土主要分布于北緯30°以北的干旱、半干旱和水資源嚴(yán)重短缺的地區(qū)[1]。凍結(jié)期，地下水中的鹽分會隨著潛水蒸發(fā)過程逐漸被帶到地表；消融期，干旱和半干旱地區(qū)由于降水少，蒸發(fā)強烈，大量土壤水分蒸發(fā)進入大氣而使鹽分在地表積累，形成土壤鹽漬化。在地下水淺埋區(qū)，潛水蒸發(fā)是地下水的主要消耗項之一，也是區(qū)域蒸散發(fā)主要的水分來源之一[2]。因此，研究凍融過程中的潛水蒸發(fā)規(guī)律對保護地下水淺埋區(qū)水資源、預(yù)防土壤鹽漬化災(zāi)害具有重要的指導(dǎo)意義。

多年來，有關(guān)非凍結(jié)期潛水蒸發(fā)研究的試驗方法、影響因素及數(shù)值模擬計算等方面的研究取得了重要進展。對于潛水蒸發(fā)問題，蒸滲儀被廣泛用來進行潛水蒸發(fā)的試驗研究，Yang等[3]在中科院禹城試驗站建立了大型蒸滲儀用以研究潛水蒸發(fā)及地下水與土壤水間的轉(zhuǎn)換。Brunner等[4]結(jié)合地表蒸散發(fā)的遙感地圖對潛水蒸發(fā)量進行了研究。在非凍結(jié)期，影響潛水蒸發(fā)強度的因素主要有大氣蒸發(fā)能力、地下水位埋深及土壤質(zhì)地性等[5-10]。當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^淺時，潛水蒸發(fā)受大氣蒸發(fā)能力的影響較大[11]。地下水位埋深對潛水蒸發(fā)的影響主要集中于0～1.0 m[12]，無論是何種土質(zhì)，潛水蒸發(fā)量隨埋深增大而減少，當(dāng)潛水位埋深達到一定深度時，潛水蒸發(fā)量趨近于零。土質(zhì)對潛水蒸發(fā)的影響主要表現(xiàn)在土壤的毛細管特性上，不同土質(zhì)土壤中的潛水蒸發(fā)量隨土壤埋深變化幅度明顯不同[13]。郝振純等[14]通過對淮北平原裸土潛水蒸發(fā)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，黃潮土的潛水蒸發(fā)量遠遠超過砂姜黑土的潛水蒸發(fā)量。為了對不同條件下的潛水蒸發(fā)規(guī)律進行深入研究，許多研究者建立了潛水蒸發(fā)量計算的數(shù)值模型[15-18]，張永明等[19]建立了裸地潛水蒸發(fā)模型，并對其計算方法、極限蒸發(fā)強度和極限埋深等關(guān)鍵問題進行了深入探討。

土壤中的潛水蒸發(fā)機制在凍結(jié)期與非凍結(jié)期有很大差別。在非凍結(jié)期，潛水蒸發(fā)是指潛水在土壤水吸力作用下向包氣帶輸送水分，并通過土壤蒸發(fā)或植物蒸騰進入大氣的過程[20]。凍結(jié)期，土壤蒸發(fā)很小，由于表層土壤凍結(jié)，地下水淺埋區(qū)的潛水在土水勢作用下由未凍結(jié)區(qū)向凍結(jié)區(qū)遷移而儲存于凍結(jié)層中，潛水蒸發(fā)量與溫度梯度密切相關(guān)。雷志棟等[21]通過對土壤凍結(jié)期潛水蒸發(fā)規(guī)律的模擬，揭示了負(fù)積溫和地下水位埋深對凍結(jié)期潛水蒸發(fā)量的影響。Chen等[22]利用野外蒸滲儀對季節(jié)性凍融期不同巖性及不同地下水位埋深下的潛水與土壤水轉(zhuǎn)化規(guī)律進行了研究，Miao等[23]通過野外實驗，對季節(jié)性凍融期地下水位埋深與潛水蒸發(fā)的關(guān)系進行了研究，但均未揭示凍結(jié)氣溫對潛水蒸發(fā)規(guī)律的影響。由于土壤凍結(jié)使得凍結(jié)期的潛水蒸發(fā)過程異常復(fù)雜，且大氣溫度在日內(nèi)波動變化較大，無規(guī)律可循，無法準(zhǔn)確分析凍結(jié)期氣溫對潛水蒸發(fā)規(guī)律的影響。基于此，本研究利用馬氏瓶恒定水頭供水原理，通過人為控制凍結(jié)氣溫模擬凍結(jié)作用下的潛水蒸發(fā)過程，研究了非飽和帶土壤平均粒徑及凍結(jié)氣溫變化對潛水蒸發(fā)規(guī)律的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

室內(nèi)土體單向凍結(jié)模擬試驗裝置主要由土柱、制冷系統(tǒng)、氣溫監(jiān)測系統(tǒng)及定水頭供水系統(tǒng)組成，圖1為模擬試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 室內(nèi)土柱凍結(jié)試驗裝置

土柱高110 cm，內(nèi)徑16 cm，由壁厚為3 mm的有機玻璃管制成，土柱外部用2.5 cm厚的海綿材料進行保溫處理，防止與外界環(huán)境進行熱交換。制冷系統(tǒng)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0.01 ℃，模擬凍結(jié)氣溫的變化過程。氣溫監(jiān)測系統(tǒng)采用Cos-02-0 USB 型溫濕度記錄儀來監(jiān)測記錄凍結(jié)氣溫變化，記錄儀允許最大監(jiān)測負(fù)溫為-50 ℃。定水頭供水系統(tǒng)利用馬氏瓶恒定水頭供水原理，由高90 cm，直徑為8 cm的馬氏瓶及高40 cm，直徑為16 cm的平衡瓶組成。

1.2 試驗方案

土柱底部鋪設(shè)10 cm厚度的石英砂作為反濾層，土層厚度為100 cm，土柱裝置下端通過平衡瓶與馬氏瓶連接，地下水位埋深控制為0.5 m。

土樣按天然容重進行填裝，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2d后再調(diào)節(jié)試驗裝置打開馬氏瓶供水。為使地下水埋深恒定控制為0.5m，且使土壤剖面的水分達到穩(wěn)定狀態(tài)，在室溫條件下供水7 d后開始凍結(jié)試驗。在土柱5、10、15、20、25、30 cm深度處埋設(shè)熱敏電阻，監(jiān)測土壤剖面溫度變化。初始凍結(jié)階段，土壤剖面溫度監(jiān)測頻率為2 h一次，凍結(jié)達到穩(wěn)定狀態(tài)后，土壤剖面溫度每4 h監(jiān)測一次。馬氏瓶水量的監(jiān)測頻率為2 h一次。

試驗土樣取自山西省水文水資源勘測局太谷均衡實驗站，土壤質(zhì)地為壤砂土。試驗設(shè)置的3種不同粒徑土壤的基本物理參數(shù)見表1。試驗過程依次按-15、-20和-30 ℃ 3種不同凍結(jié)氣溫進行凍結(jié)，具體凍結(jié)氣溫變化見圖2。在恒定凍結(jié)氣溫為-15 ℃的凍結(jié)條件下凍結(jié)至第30 d時3種土壤剖面溫度和馬氏瓶水量全部達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時調(diào)節(jié)凍結(jié)氣溫至-20 ℃，第50 d時潛水蒸發(fā)達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)降低凍結(jié)氣溫至-30 ℃，在第65 d時土壤剖面溫度和潛水蒸發(fā)量重新達到穩(wěn)定狀態(tài)，停止凍結(jié)。

表1 田間土壤物理參數(shù)

圖2 凍結(jié)氣溫變化曲線

2 結(jié)果分析

2.1 土壤剖面溫度變化特征

土壤剖面溫度可以直觀反映土壤的凍結(jié)情況，圖3為凍結(jié)過程中凍結(jié)氣溫發(fā)生變化時不同深度處土壤剖面溫度隨時間的變化規(guī)律。可見，凍結(jié)過程中土壤溫度經(jīng)歷了快速降溫-緩慢降溫-穩(wěn)定的變化過程。由于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)小于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，所以在整個凍結(jié)過程中，土壤剖面溫度的變化滯后于凍結(jié)氣溫的變化，且滯后時間隨土壤深度的增加而增大，不同深度處土壤溫度最低值見表2。在-15 ℃恒定凍結(jié)氣溫下，土壤剖面溫度在第20～25 d達到穩(wěn)定狀態(tài)，且土壤深度越淺，土壤溫度降幅越大，土壤剖面溫度越早達到穩(wěn)定，3種土壤在5 cm深度處的土壤溫度降幅分別達到18.6、17.9和18.5 ℃。潛水蒸發(fā)后向凍結(jié)層聚集，水分在凍結(jié)過程中會釋放潛熱，在-15 ℃恒定凍結(jié)氣溫下土壤剖面溫度達到穩(wěn)定后，由于此時的溫度梯度較小，潛熱釋放對土壤剖面溫度影響較大，第25～30 d時的土壤剖面溫度略有升高。當(dāng)凍結(jié)氣溫降至-20 ℃時，土壤剖面溫度在第45～49 d重新達到穩(wěn)定狀態(tài)，3種土壤在15 cm深度處的降幅最大，為2.5～3.3 ℃。由于溫度梯度的存在使?jié)撍丛床粩嗟牧魅胪寥榔拭妫沟猛寥篮试黾樱M而導(dǎo)致土壤的熱容量增大，且土層埋深越大含水率增加越明顯[24]，所以當(dāng)凍結(jié)氣溫降低至-30 ℃時，土壤剖面溫度變幅隨著土壤深度的增加而減小。

圖3 凍結(jié)過程中土壤剖面溫度變化曲線

整個凍結(jié)過程中，當(dāng)土壤深度小于10 cm時，土壤粒徑越小，受凍結(jié)氣溫變化的影響越明顯，A土壤溫度最低。這是由于A土壤的平均粒徑較小，毛細作用強，在毛細力作用下，A土壤潛水蒸發(fā)速度快使得剖面含水率增加較多，因為水的熱導(dǎo)率比土壤大，所以A土壤的熱導(dǎo)率高于其他土壤，在凍結(jié)氣溫不斷降低的過程中，A土壤的剖面溫度變化較其他土壤快。在相同的凍結(jié)氣溫條件下，A土壤5 cm深度處土壤溫度在第5 d時即由17.0 ℃降到-0.1 ℃，而粒徑較大的B和C土壤溫度則在第9～11 d降低至0 ℃以下。當(dāng)土壤深度大于15 cm時，A土壤溫度最高，這是由于潛水蒸發(fā)后向凍結(jié)層聚集，水分在凍結(jié)過程中會釋放潛熱，因為A土壤的潛水蒸發(fā)量較大，所以A土壤剖面溫度較高。

表2 凍結(jié)氣溫變化時不同深度處土壤溫度最低值 ℃

2.2 潛水蒸發(fā)量

不同氣溫降幅下土壤的凍結(jié)速率不同，土壤剖面溫度梯度的差異導(dǎo)致潛水蒸發(fā)的快慢。圖4為整個凍結(jié)過程中累積潛水蒸發(fā)量隨凍結(jié)時間的變化曲線，可見，在相同的凍結(jié)氣溫條件下，累積潛水蒸發(fā)量與土壤粒徑具有密切關(guān)系，粒徑越小，累積潛水蒸發(fā)量越大。3個凍結(jié)氣溫條件下的最大累積潛水蒸發(fā)量值見表3，A土壤在凍結(jié)期的累積潛水蒸發(fā)量最大，為324 mm，C土壤累積潛水蒸發(fā)量最小，為232 mm。在-15 ℃恒定凍結(jié)氣溫下凍結(jié)30 d后，A、B、C 3種不同粒徑土壤達到穩(wěn)定狀態(tài)時的累積潛水蒸發(fā)量分別為211、124、96 mm。凍結(jié)氣溫降低至-20 ℃后，土壤剖面溫度梯度增大，在土水勢梯度作用下，潛水蒸發(fā)量隨時間繼續(xù)增加，在該恒定負(fù)溫條件下凍結(jié)20 d后潛水蒸發(fā)量達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時A、B、C 3種不同粒徑土壤的累積潛水蒸發(fā)量較凍結(jié)氣溫為-15 ℃時分別增加了23.7%、62.1%和66.7%。當(dāng)凍結(jié)氣溫降低至-30 ℃后，在較大氣溫降幅下，土壤剖面溫度梯度增大，潛水蒸發(fā)速率較凍結(jié)氣溫降低至-20 ℃時加快，累積潛水蒸發(fā)量變化曲線的斜率變大。

圖4 累積潛水蒸發(fā)量變化曲線

凍結(jié)氣溫/℃累積凍結(jié)時間/d累積潛水蒸發(fā)量/mmABC-153021112496-2050261201160-3065324280232

凍結(jié)期土壤剖面溫度變化較大，由溫度差形成的溫度梯度是影響水分遷移的主導(dǎo)因素。當(dāng)土壤剖面溫度高于0 ℃時，土水勢梯度較小，隨著土壤剖面溫度降低，累積潛水蒸發(fā)量變化很小。當(dāng)土壤剖面溫度低于0 ℃時，土壤快速凍結(jié)，部分液態(tài)水相變成冰，水勢梯度變大，在水勢梯度作用下，潛水蒸發(fā)速率加快，潛水蒸發(fā)量迅速增加。當(dāng)土壤達到穩(wěn)定凍結(jié)狀態(tài)后，土壤剖面溫度變化減小，水勢梯度減小，潛水蒸發(fā)速率減緩，累積潛水蒸發(fā)量緩慢增加。由于A土壤剖面溫度變化較其他土壤快，所以在溫度梯度的作用下，A土壤累積潛水蒸發(fā)量增加速率較其他土壤快。

通過對A、B和C 3種土壤在-15 ℃凍結(jié)氣溫下30 d的潛水蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進行擬合分析，結(jié)果表明凍結(jié)期間累計潛水蒸發(fā)量與凍結(jié)時間滿足對數(shù)方程關(guān)系。二者之間符合如下關(guān)系：

Q=AlnT+B

(1)

式中：Q為累計潛水蒸發(fā)量，mm；T為凍結(jié)時間，d；A、B均為回歸系數(shù)，與土壤物理特性有關(guān)。

圖5為累積潛水蒸發(fā)量隨凍結(jié)時間的擬合曲線圖。對3種土壤中累積潛水蒸發(fā)量的擬合曲線進行回歸分析，分析結(jié)果

圖5 累積潛水蒸發(fā)量與凍結(jié)時間擬合曲線

見表4。由方差分析結(jié)果可知，對數(shù)函數(shù)擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98，說明凍結(jié)過程中累積潛水蒸發(fā)量隨凍結(jié)時間變化較好的符合對數(shù)函數(shù)的關(guān)系，且土壤粒徑越小，擬合效果越好。由表4可以看出，回歸系數(shù)A隨土壤粒徑的增大而減小，表明隨著土壤粒徑增大，累積潛水蒸發(fā)量隨時間的變化率減小。

表4 擬合方程回歸分析結(jié)果

3 結(jié) 語

(1)凍結(jié)過程中，土壤剖面溫度的變化滯后于凍結(jié)氣溫的變化，且滯后時間隨土壤深度的增加而增大。在相同的凍結(jié)氣溫條件下，土壤粒徑越小，0～10 cm土壤剖面溫度受凍結(jié)氣溫變化的影響越劇烈，降溫越快。

(2)凍結(jié)期，潛水蒸發(fā)受土壤粒徑大小及凍結(jié)氣溫變化的影響，土壤粒徑越小，潛水蒸發(fā)速率越快，凍結(jié)氣溫變化對土壤中潛水蒸發(fā)的影響效果也越明顯，整個凍結(jié)過程中，A、B、C 3種土壤的最大累積潛水蒸發(fā)量分別為324、280、232 mm。凍結(jié)氣溫降溫幅度越大，潛水蒸發(fā)速率越快。

(3)累積潛水蒸發(fā)量與凍結(jié)時間滿足對數(shù)方程關(guān)系，土壤粒徑越小，擬合效果越好，且隨著土壤粒徑增大，累積潛水蒸發(fā)量隨時間的變化率減小。