韓紅衛(wèi), 邱奇隆, 宋春山, 姜海強(qiáng)*, 汪恩良
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江省寒區(qū)水資源與 水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150030; 3. 黑龍江省水利廳, 哈爾濱 150001)
凍土的性質(zhì)隨時(shí)都在變化,表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)特性,整個(gè)系統(tǒng)時(shí)刻與外界進(jìn)行著能量和物質(zhì)的交換[1]。季節(jié)凍土有著自身的發(fā)育特點(diǎn)[2],松嫩平原春冬季的凍融作用相對(duì)明顯,屬于典型的季節(jié)凍土區(qū)。淺層土壤在凍融作用下會(huì)對(duì)土壤的理化性質(zhì)以及土壤系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)平衡產(chǎn)生影響,從而對(duì)寒區(qū)工程建設(shè)產(chǎn)生重要影響。
隨著季節(jié)溫度的變化,季節(jié)凍土?xí)l(fā)生凍融作用,在凍融過(guò)程中,大部分大氣與地層間的熱交換量被用于季節(jié)凍結(jié)和季節(jié)融化層的形成,從而改變地溫分布特征并改變地溫隨時(shí)間的變化規(guī)律,同時(shí)也改變了地-氣系統(tǒng)間的熱交換量,土壤與環(huán)境間的熱交換最終會(huì)趨于平衡。土壤熱量傳遞中熱量的交換最直觀的反映就是土壤溫度的變化,而土壤溫度與氣候變化密切相關(guān),在全球變暖背景下,吳素芬等[3]對(duì)山西省108個(gè)國(guó)家氣象站凍土觀測(cè)資料進(jìn)行分析,研究得出地面凍結(jié)日期和地面解凍日期呈現(xiàn)不同程度推遲和提前的趨勢(shì),地面凍結(jié)日數(shù)相應(yīng)減少,氣溫的變化直接作用于土壤凍融。近年來(lái),東北地區(qū)季節(jié)凍土的時(shí)空分布特征也受到廣泛關(guān)注[4-7],季節(jié)凍土起始凍結(jié)日期逐漸延后,融化日期在不斷提前,空間分布總體上呈現(xiàn)北高南低的趨勢(shì)。文獻(xiàn)[8-11]對(duì)東北地區(qū)最大凍土深度對(duì)氣溫變化的響應(yīng)進(jìn)行分析,最大凍結(jié)深度與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,最大凍土深度呈減小趨勢(shì),氣溫的上升是最大凍土深度減小的主要原因。全球變暖對(duì)土壤中熱量交換影響巨大,掌握季節(jié)凍土凍融過(guò)程中熱量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,對(duì)深入研究季節(jié)凍土水分、溫度和變形相互耦合的作用過(guò)程,同時(shí)對(duì)寒區(qū)工程中遇到的地質(zhì)災(zāi)害具有重要的指導(dǎo)意義[12]。
季節(jié)凍土凍融過(guò)程中能量交換過(guò)程導(dǎo)致溫度發(fā)生變化[13],地表是土體與大氣的直接接觸層,季節(jié)凍土直接參與大氣圈-地表-巖石圈之間的熱量交換。在土體凍融過(guò)程的熱交換特征研究中,李述訓(xùn)等[1]早在理論層面上分析了凍融作用對(duì)地-氣系統(tǒng)能量交換的影響,部分學(xué)者通過(guò)數(shù)學(xué)模型研究土體凍融中的傳熱過(guò)程[14-15]。地表土體熱通量是影響下伏土體水熱變化最重要的能量,直接作用于活動(dòng)層,影響凍融過(guò)程。張功等[16]分析三江源區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù),揭示其能量平衡特征,研究得出,凍土凍結(jié)過(guò)程中土壤熱通量大多數(shù)時(shí)刻表現(xiàn)為負(fù)值,非凍結(jié)期則相反,在年尺度與日尺度上均表現(xiàn)出明顯的單峰型日變化特征。朱婉漪等[17]對(duì)福建省閩江河地表土壤熱通量變化特征進(jìn)行研究,研究多種環(huán)境因子對(duì)土壤熱通量變化特征的影響,分析得出,地表土壤熱通量年均日變化及季節(jié)日變化呈“S”形,各個(gè)季節(jié)熱通量均表現(xiàn)為晝正夜負(fù),凈輻射對(duì)全年日均土壤熱通量影響最為強(qiáng)烈。文獻(xiàn)[18-19]通過(guò)分析青藏高原多年凍土區(qū)地表能量通量長(zhǎng)時(shí)間變化規(guī)律,得出冬春季節(jié)主要以感熱為主,夏秋季節(jié)主要以潛熱為主,向下傳輸?shù)臒崃恐饕脕?lái)融化地下冰,能量收支過(guò)程是活動(dòng)層厚度變化的重要影響因子。
上述對(duì)于凍土的熱量變化研究主要集中在高原地區(qū),且對(duì)整個(gè)土壤剖面不同深度土壤間的熱量變化研究較少。因此現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn),研究松嫩平原北部整個(gè)剖面的季節(jié)凍土凍融過(guò)程中伴隨的溫度變化特性,根據(jù)季節(jié)凍土凍融過(guò)程溫度梯度計(jì)算熱通量,進(jìn)行整個(gè)土壤剖面不同深度土體熱通量間的關(guān)聯(lián)研究,量化季節(jié)凍土熱量傳遞規(guī)律。為深入了解松嫩平原北部季節(jié)凍土凍融過(guò)程及熱量傳遞規(guī)律,同時(shí)為寒區(qū)工程及寒區(qū)農(nóng)業(yè)的土體環(huán)境的高效利用提供科學(xué)依據(jù)。
現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)開(kāi)展于2016年11月—2017年6月,地點(diǎn)位于黑龍江省齊齊哈爾市富拉爾基區(qū)(123°39′E,47°12′N),如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)東北松嫩平原,嫩江中游,海拔150 m,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,春季干旱多風(fēng),夏季炎熱多雨,秋季暫短霜早,冬季干冷漫長(zhǎng)。年平均氣溫4 ℃,年平均活動(dòng)積溫2 700 ℃,年降水量在400~550 mm。
試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)選擇寬闊平坦地面布設(shè)溫度鏈觀測(cè)土體溫度變化;溫度測(cè)量采用凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的高精度熱敏電阻溫度傳感器,測(cè)量精度可達(dá)到0.05 ℃,數(shù)據(jù)采集儀采用Campbell CR1000(圖2),采集頻率為1次/h;溫度探頭在0~60 cm深度垂向分布間隔為10 cm,在60~240 cm深度垂向分布間隔為20 cm。現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式熱特性分析儀原位測(cè)量不同深度土體熱特性參數(shù)。土體分層采樣帶回實(shí)驗(yàn)室重塑后,使用ISOMET-2114型熱特性分析儀測(cè)量不同溫度下(20、10、0、-5、-10、-15 ℃)熱特性參數(shù),采用表面式探頭(圖3),儀器測(cè)量范圍0~2.0 W/(m· ℃),測(cè)量范圍在0.015~0.70 W/(m·℃)時(shí),測(cè)量精度為讀數(shù)的5%±0.001 W/(m·℃);測(cè)量范圍在0.70~2.0 W/(m·℃)時(shí),測(cè)量精度為讀數(shù)的10%。采用JTR12太陽(yáng)輻射觀測(cè)站進(jìn)行太陽(yáng)輻射觀測(cè),如圖4所示,觀測(cè)站包括TBQ-2C總輻射表、TBS-2C直輻射表、TDE-2C凈輻射表和TBD-1散射裝置。TBS-2C直輻射表是一種自動(dòng)跟蹤太陽(yáng),用來(lái)測(cè)試太陽(yáng)直接輻射量的輻射儀表;TDE-2C凈輻射表用來(lái)測(cè)量太陽(yáng)輻射及地面輻射的凈差值,測(cè)量范圍為0.27~3 μm的短波輻射和3~50 μm的地球輻射。

圖1 齊齊哈爾市(研究區(qū))地理位置圖Fig.1 The geographic location map of Qiqihar City (study area)

圖2 土壤溫度記錄儀Fig.2 The soil temperature recorder

圖3 ISOMET-2114 型便攜式熱特性分析儀Fig.3 The ISOMET-2114 portable thermal characteristic analyzer

圖4 JTR12太陽(yáng)輻射觀察站Fig.4 The solar radiation observation station (JTR12)
季節(jié)凍土凍融過(guò)程中由溫度梯度引起的能量傳遞,可表示[20-21]為
(1)
初始溫度表達(dá)式為
T|t=0=T0
(2)
邊界溫度表達(dá)式為

(3)
式中:C為熱容量;θ為土體含水率;θ1為體積含冰量;T為土的瞬時(shí)溫度;t為時(shí)間;s為邊界;ρ為土的密度;ρ1為冰的密度;L為相變潛熱;k為導(dǎo)熱系數(shù);Tb為溫度梯度;n為法向方向單位矢量,為溫度在n方向的導(dǎo)數(shù)。
導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法(也稱瞬態(tài)法),穩(wěn)態(tài)法雖然測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確但是測(cè)試環(huán)境要求高且測(cè)量周期長(zhǎng),而瞬態(tài)法測(cè)量精度可滿足試驗(yàn)要求,對(duì)環(huán)境要求不高且測(cè)試時(shí)間較短。本試驗(yàn)采用瞬態(tài)測(cè)試法進(jìn)行熱物性參數(shù)的測(cè)定。實(shí)際能量與導(dǎo)熱能力的關(guān)系式[22]為

(4)
土體的熱通量通過(guò)傅里葉定律用垂直溫度分布的方式計(jì)算,即

(5)
式中:k為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);ΔT/Δh為溫度梯度,℃/m;ΔS為面積,m2;t為時(shí)間,s;Q為熱量,J。
基于研究區(qū)2016年11月—2017年6月的地溫?cái)?shù)據(jù),分析了土體凍融期的溫度變異規(guī)律,根據(jù)不同深度溫度值繪制出凍融過(guò)程曲線,如圖5所示。土體的凍結(jié)是單向的,而土體的融化是從表層自上而下和深層自下而上同時(shí)進(jìn)行的,整個(gè)凍融期分為快速凍結(jié)期、穩(wěn)定凍結(jié)期和雙向融化期。2017年3月3日達(dá)到最大凍深164 cm;2017年3月3日后地表土開(kāi)始融化。由于環(huán)境溫度出現(xiàn)正值,晝夜溫差較大,溫度在正溫與負(fù)溫之間反復(fù)更替,導(dǎo)致淺層土體反復(fù)凍融,2017年4月22日最終融化的土體深度在130 cm。
土體溫度除了具有季節(jié)變化,還存在規(guī)律的日變化,這是氣溫日波動(dòng)的直接作用結(jié)果。季節(jié)凍土表層溫度日變幅度與氣溫日變幅度近似,而隨著深度的增加土體溫度日變幅逐漸減小,直至凍結(jié)鋒面土體溫度日變幅忽略不計(jì)(圖5)。2016年11月13日凍深為44 cm到2017年3月3日最大凍深164 cm時(shí)間段內(nèi),200 cm深度土體溫度由9.97 ℃以-0.080 ℃/d的近似線性速率降低到1.22 ℃;250 cm深度土體溫度由10.93 ℃以-0.066 ℃/d的近似線性速率降低到3.62 ℃。2017年3月3日至2017年4月22日凍土融化結(jié)束,200 cm深度土體溫度由1.22 ℃緩慢降低到1.18 ℃;250 cm深度土體溫度由3.62 ℃緩慢降低到2.97 ℃。可以看出在季節(jié)凍土融化過(guò)程中凍深線以下近90 cm深土體溫度還在緩慢降低。

圖5 土體凍融過(guò)程線及溫度垂向廓線歷時(shí)曲線Fig.5 The soil freeze-thaw process line and temperature vertical profile ephemeral curve
季節(jié)凍土的凍融過(guò)程與土體的物理特性及外界條件相關(guān),而土體溫度是主要的影響因素[23]。季節(jié)凍土對(duì)溫度變化極其敏感,土體溫度隨著環(huán)境溫度的變化會(huì)有一定的同步或滯后性。環(huán)境溫度的周期性變化導(dǎo)致地表溫度的變化,溫度作用下熱量的定向波動(dòng)傳遞,引起土體溫度與環(huán)境溫度相似的周期性波動(dòng)。
圖6給出了凍土凍融過(guò)程中氣溫及不同深度土體溫度變化曲線。土體溫度的季節(jié)變化以表層土體最為顯著,在2017年1月12日10 cm深度土體溫度達(dá)到-14.04 ℃的最低值,整個(gè)凍融期10 cm深度土體溫度變化趨勢(shì)與地表土的相關(guān)性最高,20、30、40、50 cm深土體溫度變化幅度依次降低,曲線也相對(duì)平緩,無(wú)論凍結(jié)期還是融化期,淺層臨近土體的相關(guān)性相對(duì)較高;60 cm以下深度土體在凍結(jié)期的變化幅度較淺層土體減弱,溫度曲線接近光滑。太陽(yáng)輻射使得表層土體先受熱,能夠持續(xù)不斷地吸收熱量,土體溫度升高,土體通過(guò)熱傳導(dǎo)等形式向下傳遞熱量。
分析不同時(shí)間點(diǎn)的土體溫度日變化趨勢(shì),隨著太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度的日變化,凍土的凍融過(guò)程影響著土體溫度垂向分布。快速凍結(jié)期與穩(wěn)定凍結(jié)期交接時(shí)間點(diǎn)(2016年12月19日)根據(jù)凍融過(guò)程線的斜率界定,在0~50 cm深度區(qū)間土體溫度日變化波動(dòng)幅度明顯[圖7(a)];2017年3月3日達(dá)到最大凍深時(shí),在0~30 cm深度區(qū)間土體溫度最高值出現(xiàn)在15:00,一天內(nèi)最低溫度在06:00,淺層土體的活躍幅度較大,深層土體曲線幾近重合[圖7(b)];2017年4月22日為最終融化時(shí)間,淺層土體的溫度高于深層土體,從圖7中可以清晰地看出雙向融化[圖7(c)]。從快速凍結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定凍結(jié),淺層土體溫度在0 ℃以下,深層土體還未受到環(huán)境溫度變化的直接影響;在穩(wěn)定凍結(jié)期到土體凍結(jié)的最大深度時(shí)期內(nèi),深層土體溫度逐漸降低到0 ℃以下,達(dá)到凍結(jié)狀態(tài);在土體融化期,土體的雙向融化的特性表現(xiàn)出土體溫度日變化與太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度的日變化的高度一致性。

圖6 氣溫及不同深度土體日平均溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 The curve of daily average temperature of air temperature and soil at different depths with time
土體深度越淺溫度日變化越明顯,0~50 cm深土體溫度存在明顯日變化規(guī)律,土體最低溫度出現(xiàn)在日出前后06:00左右;而50 cm以下的深層土體溫度沒(méi)有明顯的日變化。土體溫度的季節(jié)差異隨著土體深度加深而減小,土體深度越深,波動(dòng)越平緩;0~50 cm深土體的季節(jié)變化最明顯,地表和10 cm深土體波動(dòng)幅度最大,50 cm以下的深層土體變化幅度較淺層土體減弱,深層土體達(dá)到最低溫度和融化溫度的時(shí)間都滯后于淺層土體。

圖7 土體垂直剖面溫度日變化特征曲線Fig.7 The daily variation characteristic curve of temperature in vertical profile of soil body
不同深度下土層內(nèi)部溫度變化與地表溫度變化相比在時(shí)間上存在一定的滯后[24],同時(shí)不同深度的土溫對(duì)于地表土溫度的響應(yīng)程度存在規(guī)律性的差異。其中,10 cm深土體對(duì)地表土溫度的響應(yīng)最為顯著;而當(dāng)垂直深度增加時(shí),對(duì)地表土溫度的響應(yīng)程度逐漸減弱。在季節(jié)凍土的凍融過(guò)程中,不同深度的土體溫度對(duì)地表土溫度變化的響應(yīng)表現(xiàn)出滯后性[25]。如圖8(a)所示,快速凍結(jié)期10 cm深土溫相較于地表土滯后0.11 h,相關(guān)系數(shù)為0.83,在80 cm處,土溫滯后58.5 h,相關(guān)系數(shù)為0.13。圖8(b)和圖8(c)為穩(wěn)定凍結(jié)期和雙向融化期相對(duì)溫度滯后和土溫的相關(guān)系數(shù)。在穩(wěn)定凍結(jié)期和雙向融化期,10 cm深土溫滯后1.18 h和1.97 h,相關(guān)系數(shù)分別為0.80和0.79,隨著土體深度的增加,滯后時(shí)間會(huì)隨之增加,在80 cm深處,土溫滯后39 h和43 h。從凍結(jié)期進(jìn)入融化期時(shí),滯后時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加。在穩(wěn)定凍結(jié)期和融化期,淺層土溫的相關(guān)系數(shù)急劇下降,深層土溫趨近于直線。

圖8 不同深度土溫相較于地表土的滯后時(shí)間及相關(guān)系數(shù)Fig.8 The lag time and correlation coefficient of soil temperature at different depths compared to surface soil
太陽(yáng)輻射的轉(zhuǎn)化與輸送過(guò)程導(dǎo)致地球上自然現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展變化[26],季節(jié)凍土的形成就與輻射熱量相關(guān),土體內(nèi)熱量傳遞與土體溫度變化主要是由凈輻射決定,土體接收能量的變化導(dǎo)致下傳土體熱量的變化,最直觀的反映就是土體溫度的變化。對(duì)于土體表面來(lái)說(shuō),由于土體熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的水平輸送異常緩慢,因而可忽略不計(jì)[27-28],而土體熱通量代表地表土體垂直方向的熱量傳遞狀況,土體熱通量為正時(shí)表示熱量由上向下輸送,下層土體吸熱;反之熱量由下向上輸送,下層土體放熱,土體熱通量的變化與季節(jié)凍土凍融過(guò)程有密切的關(guān)系。
太陽(yáng)總輻射和凈輻射的量值走勢(shì)大致相同,雖然凈輻射主要是受太陽(yáng)總輻射控制,但同樣受到太陽(yáng)高度角、天空的總云量、云狀、大氣透明度、地表狀況及地表發(fā)射率等的影響,所以波動(dòng)幅度會(huì)有差別,如圖9所示。凈輻射量在2017年1月9日達(dá)到最低值-5.6 MJ/m2,在凍結(jié)期內(nèi)凈輻射量均小于0;在3月初表層凈輻射由負(fù)向正變化,與季節(jié)凍土進(jìn)入融化期的時(shí)間基本一致,土體開(kāi)始從上界面和凍土下界面吸收熱量。
利用導(dǎo)熱系數(shù)以及不同深度溫度求得的溫度梯度間接計(jì)算季節(jié)凍土熱通量,由于表層土體受氣溫影響劇烈,在此不通過(guò)間接計(jì)算法求0~10 cm深度土體熱通量。季節(jié)凍土凍融過(guò)程中各層熱通量變化規(guī)律如圖10所示。不同深度土體熱通量變化趨勢(shì)一致,在土體凍結(jié)期熱通量下降,融化期熱通量上升,不同深度土體的熱通量變化出現(xiàn)在不同時(shí)間段內(nèi)。10~20 cm深度土體熱通量日波動(dòng)幅度較大,隨著土體深度的加深,熱通量波動(dòng)幅度減小。在穩(wěn)定凍結(jié)期土體的熱量傳遞基本保持平衡;在達(dá)到最大凍深時(shí),3月初熱通量隨著凈輻射轉(zhuǎn)為正值,熱量開(kāi)始從上界面向凍土傳遞;在4月22日凍土徹底融化后,熱量逐漸傳遞到深層,隨著土體深度的加深,熱通量轉(zhuǎn)為正值的日期相應(yīng)后延。160~240 cm深土體的熱通量在整個(gè)凍融期內(nèi)保持負(fù)值,土體中的熱量持續(xù)向上傳輸,表明在整個(gè)凍融期內(nèi)160 cm深度以下土體持續(xù)對(duì)凍土層傳遞熱量。熱通量轉(zhuǎn)為正值的日期相應(yīng)后延。160~240 cm深土體的熱通量在整個(gè)凍融期內(nèi)保持負(fù)值,土體中的熱量持續(xù)向上傳輸,表明在整個(gè)凍融期內(nèi)160 cm深度以下土體持續(xù)對(duì)凍土層傳遞熱量。

圖9 太陽(yáng)總輻射和地表凈輻射變化曲線Fig.9 The variation curves of total solar radiation and net surface radiation
上述分析可見(jiàn),季節(jié)凍土在凍融期內(nèi)淺層土體受到凈輻射的影響,熱量交換極其頻繁,隨著土層深度的增加,凈輻射的作用越小,熱量在土體中傳遞的損耗增加。雖然土體熱通量的趨勢(shì)一致,但波動(dòng)幅度也越小,熱量交換程度減弱;在凍結(jié)期內(nèi),熱通量為負(fù),熱量整體是向上散發(fā)的狀態(tài),季節(jié)凍土保持凍結(jié)的狀態(tài);在融化期,淺層土體融化熱量主要從上層向下傳遞,深層土體主要熱源為凍土以下的全年未凍土,熱量從下向上傳遞。

圖10 不同深度土體熱通量變化曲線Fig.10 The heat flux variation curve of soil body at different depths
由于松嫩平原季節(jié)溫度變化幅度較大,季節(jié)凍土主要凍土存在形式,土壤凍融過(guò)程的時(shí)空變化對(duì)大尺度地—?dú)鉄峤粨Q及大氣環(huán)流都具有重要影響。本文基于2016年11月—2017年6月齊齊哈爾地區(qū)的野外原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究松嫩平原北部季節(jié)凍土凍融過(guò)程中溫度的變化特性及不同深度土壤熱通量變化規(guī)律,得出以下結(jié)論。
(1)季節(jié)凍土區(qū)凍融過(guò)程的特點(diǎn)是單向凍結(jié),雙向融化;2017年3月3日達(dá)到最大凍深164 cm,4月22日為最終融化日期,最終融化深度為130 cm;季節(jié)凍土隨著深度的增加土體溫度日變幅度逐漸減小,直至凍結(jié)鋒面土體溫度日變幅度可忽略不計(jì);季節(jié)凍土凍融期內(nèi)凍深線以下近90 cm深土體溫度存在持續(xù)降低趨勢(shì)。
(2)不同深度土體溫度對(duì)地表溫度響應(yīng)呈滯后效應(yīng),在快速凍結(jié)期、穩(wěn)定凍結(jié)期和雙向融化期,10 cm深土體溫度較地表土溫度分別滯后0.11 h、1.18 h和1.97 h,同時(shí)期隨著土體深度的增加,滯后時(shí)間越長(zhǎng)。
(3)10~20 cm深土體熱通量日波動(dòng)幅度較大,隨著土體深度的加深,熱通量波動(dòng)幅度減小;160~240 cm深土體的熱通量在整個(gè)凍融期內(nèi)保持負(fù)值,凍深線以下土體中的熱量持續(xù)向上傳輸,表明160 cm深度以下土體持續(xù)對(duì)凍土層傳遞熱量。