凍結作用下潛水蒸發的室內試驗研究

高旭光，陳軍鋒，鄭秀清，薛 靜

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

我國季節性凍土主要分布于北緯30°以北的干旱、半干旱和水資源嚴重短缺的地區[1]。凍結期，地下水中的鹽分會隨著潛水蒸發過程逐漸被帶到地表；消融期，干旱和半干旱地區由于降水少，蒸發強烈，大量土壤水分蒸發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，潛水蒸發是地下水的主要消耗項之一，也是區域蒸散發主要的水分來源之一[2]。因此，研究凍融過程中的潛水蒸發規律對保護地下水淺埋區水資源、預防土壤鹽漬化災害具有重要的指導意義。

多年來，有關非凍結期潛水蒸發研究的試驗方法、影響因素及數值模擬計算等方面的研究取得了重要進展。對于潛水蒸發問題，蒸滲儀被廣泛用來進行潛水蒸發的試驗研究，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及地下水與土壤水間的轉換。Brunner等[4]結合地表蒸散發的遙感地圖對潛水蒸發量進行了研究。在非凍結期，影響潛水蒸發強度的因素主要有大氣蒸發能力、地下水位埋深及土壤質地性等[5-10]。當地下水位埋深較淺時，潛水蒸發受大氣蒸發能力的影響較大[11]。地下水位埋深對潛水蒸發的影響主要集中于0～1.0 m[12]，無論是何種土質，潛水蒸發量隨埋深增大而減少，當潛水位埋深達到一定深度時，潛水蒸發量趨近于零。土質對潛水蒸發的影響主要表現在土壤的毛細管特性上，不同土質土壤中的潛水蒸發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規律的研究發現，黃潮土的潛水蒸發量遠遠超過砂姜黑土的潛水蒸發量。為了對不同條件下的潛水蒸發規律進行深入研究，許多研究者建立了潛水蒸發量計算的數值模型[15-18]，張永明等[19]建立了裸地潛水蒸發模型，并對其計算方法、極限蒸發強度和極限埋深等關鍵問題進行了深入探討。

土壤中的潛水蒸發機制在凍結期與非凍結期有很大差別。在非凍結期，潛水蒸發是指潛水在土壤水吸力作用下向包氣帶輸送水分，并通過土壤蒸發或植物蒸騰進入大氣的過程[20]。凍結期，土壤蒸發很小，由于表層土壤凍結，地下水淺埋區的潛水在土水勢作用下由未凍結區向凍結區遷移而儲存于凍結層中，潛水蒸發量與溫度梯度密切相關。雷志棟等[21]通過對土壤凍結期潛水蒸發規律的模擬，揭示了負積溫和地下水位埋深對凍結期潛水蒸發量的影響。Chen等[22]利用野外蒸滲儀對季節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化規律進行了研究，Miao等[23]通過野外實驗，對季節性凍融期地下水位埋深與潛水蒸發的關系進行了研究，但均未揭示凍結氣溫對潛水蒸發規律的影響。由于土壤凍結使得凍結期的潛水蒸發過程異常復雜，且大氣溫度在日內波動變化較大，無規律可循，無法準確分析凍結期氣溫對潛水蒸發規律的影響?；诖?，本研究利用馬氏瓶恒定水頭供水原理，通過人為控制凍結氣溫模擬凍結作用下的潛水蒸發過程，研究了非飽和帶土壤平均粒徑及凍結氣溫變化對潛水蒸發規律的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

室內土體單向凍結模擬試驗裝置主要由土柱、制冷系統、氣溫監測系統及定水頭供水系統組成，圖1為模擬試驗裝置的結構示意圖。

圖1 室內土柱凍結試驗裝置

土柱高110 cm，內徑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，防止與外界環境進行熱交換。制冷系統為由海爾BC/BD-388A冰柜改造的數控制冷裝置，溫度控制精度為0.01 ℃，模擬凍結氣溫的變化過程。氣溫監測系統采用Cos-02-0 USB 型溫濕度記錄儀來監測記錄凍結氣溫變化，記錄儀允許最大監測負溫為-50 ℃。定水頭供水系統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，為確保土體的連續均勻，將土柱在室溫條件下靜置2d后再調節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定狀態，在室溫條件下供水7 d后開始凍結試驗。在土柱5、10、15、20、25、30 cm深度處埋設熱敏電阻，監測土壤剖面溫度變化。初始凍結階段，土壤剖面溫度監測頻率為2 h一次，凍結達到穩定狀態后，土壤剖面溫度每4 h監測一次。馬氏瓶水量的監測頻率為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，土壤質地為壤砂土。試驗設置的3種不同粒徑土壤的基本物理參數見表1。試驗過程依次按-15、-20和-30 ℃ 3種不同凍結氣溫進行凍結，具體凍結氣溫變化見圖2。在恒定凍結氣溫為-15 ℃的凍結條件下凍結至第30 d時3種土壤剖面溫度和馬氏瓶水量全部達到穩定狀態，此時調節凍結氣溫至-20 ℃，第50 d時潛水蒸發達到新的穩定狀態，繼續降低凍結氣溫至-30 ℃，在第65 d時土壤剖面溫度和潛水蒸發量重新達到穩定狀態，停止凍結。

表1 田間土壤物理參數

圖2 凍結氣溫變化曲線

2 結果分析

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情況，圖3為凍結過程中凍結氣溫發生變化時不同深度處土壤剖面溫度隨時間的變化規律?？梢?，凍結過程中土壤溫度經歷了快速降溫-緩慢降溫-穩定的變化過程。由于土壤的導熱系數小于空氣的導熱系數，所以在整個凍結過程中，土壤剖面溫度的變化滯后于凍結氣溫的變化，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 ℃恒定凍結氣溫下，土壤剖面溫度在第20～25 d達到穩定狀態，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 ℃。潛水蒸發后向凍結層聚集，水分在凍結過程中會釋放潛熱，在-15 ℃恒定凍結氣溫下土壤剖面溫度達到穩定后，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。當凍結氣溫降至-20 ℃時，土壤剖面溫度在第45～49 d重新達到穩定狀態，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潛水源源不斷的流入土壤剖面，使得土壤含水率增加，進而導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]，所以當凍結氣溫降低至-30 ℃時，土壤剖面溫度變幅隨著土壤深度的增加而減小。

圖3 凍結過程中土壤剖面溫度變化曲線

整個凍結過程中，當土壤深度小于10 cm時，土壤粒徑越小，受凍結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土壤潛水蒸發速度快使得剖面含水率增加較多，因為水的熱導率比土壤大，所以A土壤的熱導率高于其他土壤，在凍結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。當土壤深度大于15 cm時，A土壤溫度最高，這是由于潛水蒸發后向凍結層聚集，水分在凍結過程中會釋放潛熱，因為A土壤的潛水蒸發量較大，所以A土壤剖面溫度較高。

表2 凍結氣溫變化時不同深度處土壤溫度最低值 ℃

2.2 潛水蒸發量

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

圖4 累積潛水蒸發量變化曲線

凍結氣溫/℃累積凍結時間/d累積潛水蒸發量/mmABC-153021112496-2050261201160-3065324280232

凍結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因素。當土壤剖面溫度高于0 ℃時，土水勢梯度較小，隨著土壤剖面溫度降低，累積潛水蒸發量變化很小。當土壤剖面溫度低于0 ℃時，土壤快速凍結，部分液態水相變成冰，水勢梯度變大，在水勢梯度作用下，潛水蒸發速率加快，潛水蒸發量迅速增加。當土壤達到穩定凍結狀態后，土壤剖面溫度變化減小，水勢梯度減小，潛水蒸發速率減緩，累積潛水蒸發量緩慢增加。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 ℃凍結氣溫下30 d的潛水蒸發量數據進行擬合分析，結果表明凍結期間累計潛水蒸發量與凍結時間滿足對數方程關系。二者之間符合如下關系：

Q=AlnT+B

(1)

式中：Q為累計潛水蒸發量，mm；T為凍結時間，d；A、B均為回歸系數，與土壤物理特性有關。

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

圖5 累積潛水蒸發量與凍結時間擬合曲線

見表4。由方差分析結果可知，對數函數擬合方程的相關系數R2均大于0.98，說明凍結過程中累積潛水蒸發量隨凍結時間變化較好的符合對數函數的關系，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，累積潛水蒸發量隨時間的變化率減小。

表4 擬合方程回歸分析結果

3 結 語

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

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

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