高寒區冰泉水探析

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫 著；戴長雷，王 敏，苗興亞 譯

(1.俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 雅庫茨克 677010；2.黑龍江大學 寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；5.黑龍江大學 中俄聯合研究生院，黑龍江 哈爾濱 150080)

?

高寒區冰泉水探析

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫1著；戴長雷2,3,4，王 敏3，苗興亞5譯

(1.俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 雅庫茨克 677010；2.黑龍江大學 寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；5.黑龍江大學 中俄聯合研究生院，黑龍江 哈爾濱 150080)

高寒地區冰泉水的探析對寒區凍結層上水的研究具有重要的意義。通過對高寒區冰泉水的探析，指出：①目前對凍結層上水冰泉形成狀況的研究還不夠深刻；②地下水冰泉的形成受負溫因素、冰凍因素、凍土因素的影響；③通過實例分析可得出：在河谷中的凍結層上地下水冰泉的形成過程具有雙波峰特性，它有2個體積最大增長值；④冰泉只由季節性融化層水形成，而沒有凍結層上地下水的參與。

冰泉水；季融層；凍結層；高寒區

1 研究進展

許多研究學者致力于研究地下水冰泉形成狀況，其中，關于凍結層上水冰泉形成狀況的研究尤為普遍[1-48]。

盡管越來越多的人開始關注這一問題，然而目前對它的研究還不夠深刻全面。針對這一現狀，B.P.阿列克謝耶夫認為：“主要原因在于：目前所設置的動態觀測點數量有限，而且大部分觀測點都是隨機選擇的，觀測方法也不盡相同，冰層的固有特性一般也不計。因此，總體的或區域的觀測結果具有局限性[49]?！?/p>

基于對實際數據和個人的觀測結果的分析，可以得出在一年期和多年期冬季凍結層上水冰泉形成的幾個共有特征[50-57]。

2 影響因素

地下水冰泉的形成首先受負溫因素影響。負溫因素主要影響地下水的排泄。換句話說，冰泉是一種冬季獨特的泉水上涌泉。因此可以得出，冰泉的形成主要依賴于冬季的長短和嚴寒程度，并受平均晝夜負溫變化影響。

對于凍結層上水形成的冰泉來說，冰凍因素對它們的形成，影響十分復雜。這種情況主要是因為冬季在負溫的影響下，埋藏不深的凍結層上含水層發生了凍結。這使得凍結層上水具有低溫、靜水壓性質，使它的排泄得到強化；同時，由它形成的冰泉的水量和面積也有所提高。

通過對凍結層上水冰泉的形成進行觀察，其結果證實了凍土因素對冰泉的形成產生了重要影響。詳見圖1凍結層上地下水形成的冰泉的綜合發育曲線圖。其中，凍結層上地下水源自外貝加爾的水量、面積不大的克拉克河的河底沉積層[58-59]。

在初冬(10月)的結冰區，季節性凍結層的底部邊界通常高于凍結層上水水位。因此，凍結層上水的排泄只靠水力梯度就可以實現。在此期間，增冰量不是很明顯，因為大部分凍結層上地下水從河床下流走。冰泉的首次噴水一般始于11月，此時，季節性凍結層的底部邊界達到凍結層上水的埋藏深度，凍結層上水具有了水壓。冰泉再次噴水發生在冬末，此時，結冰區的凍結層上地下水具有低溫靜水壓。

圖1 受凍結層上水和季節性凍結層影響的冰泉發育曲線圖

3 實例分析

通過分析實例以及其他觀測結果，可以看出：在河谷中的凍結層上地下水冰泉形成的過程中，冰泉的形成過程具有雙波峰特性，它有2個體積最大增長值[見圖2(b)、圖2(c)]。第一個波峰的形成與在河谷的河漫灘階地上發育的，季節性融化層的凍結層上水的冬季凍結有關。第二個波峰的形成主要是由于結冰區巖層凍結，凍結層上水流的橫截面最大程度的收縮造成的。

當由凍結層上地下水形成的冰泉位于河床區和河灘區以外時，在它的形成過程中，通常只有一個體積最大增長值，一般出現在冬末。在冬季前期，冰泉的增長強度相對較低，主要由于過境水沿著由冰泉形成的河道流淌[見圖2(a)]。在冬季后期，由于河道凍結，河床下融區泄水能力大大減弱，冰泉形成的強度明顯提高。在冬季后期，冰泉凍結所形成的冰錐約占總體的70%～80%。

圖2 各凍結層上水冰泉形成狀況(△Wn冰泉體積增長值)

在冬末，冰錐體積出現最大增量，這為定位(在水力梯度作用下排泄的)凍結層上地下水提供了有利條件。B.M.皮古佐娃與O.H.托爾斯基辛認為，冰泉體積的最大增量被計作冬季冰泉的出水量指數是合情合理的。根據增長值可以確定冬季臨界期凍結層上的地下水資源量。

(1)

由式(1)計算出了某些凍結層上和凍結層間地下水形成的冰泉的冬季出水量，將它與傳統水文測驗方法測量出來的夏季出水量作對比(表1)。由表1可知，地下水形成的冰泉的冬季出水量，與按傳統水文觀測方法測量出來的夏秋平水期的流量十分相近。必須指出的是，冬季泉水的出水量一般很難用其他方法確定，因為泉水結成的冰堵住了地下水的排泄口，大部分泉流以冰的形態蓄積。

表1 冰泉出水量對比(按冰泉指數及傳統水文測量方法確定的)

4 季節性融化層冰泉

關于季節性融化層的凍結層上水形成的冰泉的發展情況，文中在研究河谷區凍結層上地下水的冰泉狀況時已經說明。然而，我們經常觀察到這種情況——冰泉只由季節性融化層水形成，而沒有凍結層上地下水的參與。

在冬季，季節性融化層的凍結層上水形成的冰泉狀況，充分地反映了凍結層上水水文動態狀況特征。據觀測，大多數情況下，冰泉體積最大增量出現在11月份，有時出現在12月份。這不僅與含水層的凍結強度有關，還與凍結層上水的極大儲量有關。在冬季前期末，季節性融化層的凍結層上水形成了冰泉。通常，在凍結層上水枯竭時，冰泉消失。

隨著春季的來臨，冬季形成的冰泉開始受到破壞。除了冰泉與近地空氣進行熱交換外，流動的融水和迅水對冰錐的破壞十分顯著。20%～30%的冰泉是因該因素破壞。冰泉的最大破壞強度發生在積雪覆蓋銳減，河流通汛時期。冰泉與近地面的熱交換也使其受到破壞，冰泉融化的溫度系數平均為3～5 mm/℃[60]。

5 結論與討論

目前，對凍結層上水形成的冰泉的多年變化特性的研究還很薄弱。主要原因是在多年地質斷面上觀測的和已有的冰泉動態數據不足。這一問題的研究結果表明：凍結層上水形成的冰泉斷面的多年變化特性主要受氣候條件制約。許多研究者發現，在最寒冷的冬季，通常冰泉形成的強度很高，相應地，冰泉體積也達到最大。然而，這個規律是季節性融化層的凍結層上水形成的冰泉所固有的特征。對于由凍結層上地下水和位于河床區和河灘區以外的水所形成的冰泉，它們的多年變化性通常不大，冰泉多年平均變化的參數值相對有些偏差，但不超過6%～7%。

本文總體評價了關于凍結層上水形成的冰泉體積多年變化性的現有研究成果。須要指出的是，冰泉形成的強度受各年份氣候變化特征的影響，具有復雜的非線性特征。這種情況也指出了未來研究過程的多因素性，以及綜合處理問題的必要性。

[1] Петров В Г. Наледи на Амуро-Якутской магистрали[M].Ленинград: Изд-во АН СССР, 1930:177.

[2] Толстихин Н И. Инструкция по изучению наледей—Сборник инструкций и программных указаний по изучению мерзлых грунтов и вечной мерзлоты[М].Л енинград: Изд-во АН СССР, 1938:73-84.

[3] Толстихин Н И. Подземные воды мерзлой зоны литосферы[M].Москва: Госгеол-техиздат, 1941:202.

[4] Чекотилло А М. Наледи и борьба с ними[M]. Москва: Гушосдор НКВД СССР, 1940:136.

[5] Швецов П Ф. Подземные воды Верхояно-Колымской горноскладчатой области и особенности их проявления, связанные с низкотемпературной вечной мерзлотой[M].Москва: Изд-во АН СССР, 1951:279.

[6] Иевенко Б И, Чистяков Г Е. Тойон-Тирэхский тарын в Верхоянском хревте // Исследование вечной мерзлоты(Вып 3)[M]. Москва: Изд-во АН СССР, 1952：31-47.

[7] Калабин А И. Источники и наледи подземных вод на Северо-Востоке СССР(Вып. 7) [M]. Магадан；1958：11-32.

[8] Калабин А И.Вечная мерзлота и гидрогеология Северо-ВостокаСССР(Вып. 18)[M]. Магадан:Тр. ВНИИ-I,1960:472.

[9] Мудрое Ю В. Морфология и генезис наледей в Центральном Забайкалье—Вопросы географического мерзлотоведения и перигляциальной морфологии[M]. Мocква: Изд-во Моек, ун-та, 1962:173-183.

[10] Лыло В М.Методы полевых исследовании и учета наледий при изучении режима рек —Материалы по мерзлотоведению Сибири и Дальнего Восто- ка[M]. Иркутск,1964：74-85.

[11] Румянцев Е А. Анализ динамики наледей и эффективности различных типов противоналедных устройств на Забайкальской и Дальневосточной желез- ных дорогах[D]. Хабаровск:Автореф. дис. канд. техн. наук,1966: 22.

[12] Румянцев Е А. Режим надмерзлотных вод Керакского наледного участка и связанные с ним особенности развития наледи — Мерзлотно-гидрогеотер- мичческие и гидрогеологи-ческие исследования на Востоке СССР[М]. Москва: Наука, 1967： 40-50.

[13] Румянцев Е А. Влияние мерзлотно-гидрогеологических условий на динамику грунтовых наледей —Наледи Сибири[М]. Москва:Наука, 1969：117-127.

[14] Румянцев Е А. Теория наледных процессов и практика противоналедных мероприятий[M].Хабаровск: Изд-во ХабИИЖТ, 1982：58.

[15] Румянцев Е А. Механизм развития наледного процесса—Проблемы наледеоб- разования[M]. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991： 55-66.

[16] Чижова Н И. Изучение наледей подземных вод при гидрогеологической съемке и оценке подземного стока в области распространения многолетнемерзлых пород на примере Южной Якутии — Мерзлотные исследования[M]. Москва:Изд-во Моск. ун-та, 1966：188-193.

[17] Дзенъ П Ф. Некоторые данные наблюдений за формированием и таянием наледи на р. Нижний Ингамакит (бассейн р. Чары) [C]. Ялта:Материалы 19-й науч. конф., посвященной 50-летию Советской власти, 1967: 71-74.

[18] Пигузова В М, Толстихин О Н. Некоторые вопросы исследования наледей—Мерзлотно-гидрогеотермические и гидрогеологические исследования на Востоке СССР[М]. Москва:Наука, 1967：30-39.

[19] Шульгин М Ф.Типы и динамика наледей на Восточном Саяне —Проблемы регионального зимоведения[M].Чита：Изд-во Чит. ун-та, 1968：95-96.

[20] Алексеев В Р. Условия форомирования и распространения наледей на юге Якутии-Наледи Якутии[M].Новосибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1969:31-41.

[21] Алексеев В Р. Наледи Сбири и Дальнего Востока - Сиб.геогр.сб[M].Новосибрик: Наука. Сиб.отд-ние,1974(8): 5-68.

[22] Алексеев В Р. Наледи Саяно-Байкальского нагорья-Наледи и наледные процессы Восточной Сибири[M].Иркутск：Ин-т географии СО РАН, 1976:22-87.

[23] Алексеев В Р.Наледи и наледные процессы[M].Новосибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1978:189.

[24] Алексеев В Р. Основные проблемы наледеведения-Проблемы наледеведения[M].Но- восибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1991:5-23.

[25] Алексеев В Р.Вода и лёд в криосфере Земли -Фундаентальные проблемы изучения и использования воды и водные ресурсов[M].Иркутск:Ин-т географии СО РАН,2005:4-7.

[26] Алексеев В Р,ИванновА В.Криогенная метаморфизация природных вод и её рольв круговороде веществ [C].Докл.Ин-то географии Сибирии и Дальнеого Востока.Новосибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1976:31-40.

[27] Алексеев В Р,Сизиков А В.Динамическое особенностиналедей подземных вод Центрального Закайкалья -Наледи и наледные процессы в Восточной Сибирии[M].Иркутск：Ин-т географии СО РАН, 1976:88-97.

[28] Алексеев В Р, Фурман М М. Наледи и сток[M].Новосибирск: Наука. Сиб. отд- ние, 1976:118 .

[29] Букаев Н А. Основные закономерности режима гигантских наледей в верховьях р. Колымы— Наледи Сибири[M].Москва： Наука, 1969： 62-78.

[30] Соколов Б Л. Исследование закономерностей формирования наледей[M]. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1970:73-96.

[31] Соколов Б Л. Математическое описание процессов формирования и разрушения наледей[M].Обнинск: ВНИИГМИ, 1977:64.

[32] Соколов Б Л. Стокоформирующая роль наледей[J].Вод. ресурсы, 1986,( 1 ):3-14.

[33] Соколов Б Л. Гидрология наледей. Основные итоги и задачи исследований—Проблемы наледеведения[M]. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991：24-40.

[34] Башлаков Я К. К вопросу о формировании и абляции наледей в бассейне р. Чуй — Проблемы зимоведения(Вып. 4) [M]. Чита, 1972： 78-80.

[35] Рябов В К, Полин Ю К. Динамика развития наледей и инженерно-геологические условия на автомобильных дорогах Дальнего Востока в зимний период —Проблемы зимоведения[M]. Чита,1972：76-78.

[36] Алексеев В Р,Дзень П Ф. Динаика наледи подземных вод по данным ежедневных наблюдений-Проблемы наледеобразования[M]. Чита：Изд-во Чит. гос. техн. ун-та, 1973:104-107.

[37] Алексеев В Р,Фурман М М.Многолетния изменчивость пораметров Нижне-Инга- макитской наледи(Северное Забайкалье) Пробремы наледеоброзования[M]. Чита：Изд-во Чит. гос. техн. ун-та, 1973:98-102.

[38] Невский С Д. Методика количественной оценки наледей надмерзлотных вод —Проблемы наледеобразования[M].Чита, 1973：28-30.

[39] Федоров А М. Режим формирования наледей Аимо-Учурского междуречья—Региональные и тематические исследования[M].Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1975： 64-68.

[40] Алексеев В Р,Сизиков А В.Динамическое особенностиналедей подземных вод Центрального Закайкалья -Наледи и наледные процессы в Восточной Сибирии[M].Иркутск：Ин-т географии СО РАН, 1976:88-97.

[41] Казаков А П. Исследовгииие наледей на автомобильных дорогах Сибири —Наледи и наледные процессы в Восточной Сибири[M].Чита, 1976： 124-151.

[42] Климовский И В. К динамике наледного процесса в верховьях ледниковых долин(Инженерно-геологические и мерзлотные условия Дальнего Востока[M]. Хабаровск: Изд-во ХГТУ,1977: 51-55.

[43] Бойцов А В. Динамика образования средних по размеру наледей в Южной Якутии —Исследование наледей[M]. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1979：97-105.

[44] Бойцов А В. К вопросу о методике режимных наледных наблюдений—Методика гидрогеологических исследований криолитозоны[M]. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1983：91-96.

[45] Марков М Л.Внутри годовая динамика наледей подземных вод и методыеё расчета—Проблемы наледеведения[M] Новосибирск,Наука.Сиб .отдˉн и е,1991:103-116.

[46] Верхотуров А Г, Трифонова Н В, Кудрявцева И И. Некоторые закономерности распространения и формирования наледей в Забайкалье [C]. Докл. I науч.-техн. конф. Горного ин-та. Чита: Изд-во Чит. гос. техн. ун-та, 1998:51-53.

[47] Верхотуров А Г. Мониторинг опасных наледных процессов на территории Читинской области [C]. Докл. III науч.-техн. конф. Горного ин-та. Чита: Изд- во Чит. гос. техн. ун-та, 2000:148-150.

[48] Шестернев Д М, Верхотуров А Г.Наледи Забайкалья[M].Чита: Изд-во Чит. ун-та, 2006: 213.

[49] Алексеев В Р. Основные проблемы наледеведения-Проблемы наледеведения[M].Но- восибрик:Наука.Сиб.отд-ние,1991:5-23.

[50] Шепелёв В В. Оценка наледного питания и надледного стока бассейнов рек Момы и Тихон-Юрях (притоки Индигирки) —Геокриологические и гидрогеологические исследования Сибири[M]. Якутск: Кн. изд-во, 1972： 187-189.

[51] Шепелёв В В. Оценка суффозионно-эрозионной деятельности источников Центральной Якутии [J]. Изв. вузов. Геология и разведка, 1972,(9)： 88-92.

[52] Шепелёв В В. Некоторые вопросы изучения режима и классификации наледей мерзлой зоны литосферы // Проблемы наледеобразования[M].Чита： Изд-во Чит. ун-та, 1973： 14-18.

[53] Шепелёв В В. Режим наледей Северо-Востока СССР—Проблемы наледеобразования[M].Чита：Изд-во Чит. ун-та, 1973：45-47.

[54] Шепелёв В В. Особенности разгрузки подземных вод мерзлой зоны—Вопросы гидрогеологии криолитозоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1975： 45-56.

[55] Шепелёв В В. О взаимосвязи озер и подземных вод на массивах развеваемых песков Центральной Якутии —Гидрогеологические условия мерзлой зоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1976： 46-59.

[56] Шепелёв В В. Перераспределение воды в промерзающих грубодисперсных горных породах и надледные явления —Гидрогеологические исследования криолитозоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1976：93-99.

[57] Шепелёв В В. Режим источника и наледи Мугур-Тарын в Центральной Якутии // Исследование наледей[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1979： 87-97.

[58] Румянцев Е А. Режим надмерзлотных вод Керакского наледного участка и связанные с ним особенности развития наледи — Мерзлотно-гидрогеотер- мичческие и гидрогеологические исследования на Востоке СССР[М]. Москва: Наука, 1967： 40-50.

[59] Румянцев Е А. Влияние мерзлотно-гидрогеологических условий на динамику грунтовых наледей —Наледи Сибири[М]. Москва:Наука, 1969：117-127.

[60] Пигузова В М, Шепелёв В В. Методика изучения наледей[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1975: 62.

Analysis of ice fountain of alpine region

Written by Viktor Vasilievich Shepelev1; Translated by DAI Changlei2,3,4, WANG Min3, MIAO Xingya5

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China;5.JointgraduateschoolofChina&Russia,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Analysis of ice fountain of alpine region is important to study the frozen groundwater of cold region. Through the analysis of the ice fountain of alpine region. It points that: (1)The current study of forming conditions of the ice fountain of the frozen groundwater is not impressive enough; (2)The formation of ground ice fountain is affected at negative temperature factors, frozen factors, permafrost factors. (3)Through the analysis of the example: in the course of the upper valley of the formation of ground ice fountain, the formation of ice fountain having a double peak characteristics, it has the largest volume increase of two values; (4)Ice fountain only consists of water spring melt layer formed by the seasonal, but not participating in frozen layer on groundwater.

ice fountain; seasonal freeze and melt layer; region layer; alpine region

凍土工程國家重點實驗室開放基金(NO.SKLFSE201310)；黑龍江省水文局項目(NO.2014230101000411)

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫(1941-)，男，俄羅斯薩哈共和國雅庫茨克市人，博士，教授，主要從事寒區地下水相關方向的科研和教學工作。

譯者簡介：戴長雷(1978-)，男，副教授，博士，主要從事寒區地下水及國際河流方向的教學和科研工作。

P641

A

2096-0506(2016)10-0018-06