北方季節(jié)性凍土的凍融規(guī)律分析及水文特性模擬.pdf

1、我國作為世界第三凍土大國，季節(jié)性凍土的面積約占全國國土面積的一半以上，而這些地區(qū)大多為氣候寒冷干燥、水資源貧乏、水環(huán)境日益惡化、生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，嚴重的制約著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展。季節(jié)性凍土的不透水作用，蓄水調(diào)節(jié)作用和抑制蒸發(fā)作用，使凍融期間的土壤蓄水容量、降水入滲能力、土壤含水量的變化狀態(tài)、產(chǎn)流與徑流等水文特性具有不同于無凍土條件下的動態(tài)規(guī)律和特點，而寒區(qū)的大多數(shù)水文工作者對于季節(jié)性凍土的水文特點與理論一直處于盲區(qū)和誤區(qū)，在水文水利計

2、算、水文預報、與農(nóng)業(yè)有關(guān)的早澇指標計算及耗水定額的確定等領(lǐng)域，都忽視了凍土的水文效應，采用國內(nèi)外已有的無凍土地區(qū)的理論與模型，致使計算結(jié)果和模擬方案與實際誤差過大，不能反映實際水文過程。
　　 目前北方季節(jié)性凍土地區(qū)的凍融規(guī)律和水文特性機理研究還處于初步探索階段，對凍土作用下的土壤水循環(huán)規(guī)律的揭示很不完善。現(xiàn)有成果中的水文特性分析及模型大多建立在高山冰川多年凍土區(qū)的研究基礎(chǔ)上，不符合北方季節(jié)性凍土水文的區(qū)域性和季節(jié)性規(guī)律特點；國

3、內(nèi)應用的水文模型多為經(jīng)驗模型，缺乏對影響寒區(qū)水文特性的關(guān)鍵要素的機理研究，模型的建立缺乏必需的野外大田實測數(shù)據(jù)的支持，其推廣應用受到極大的限制。
　　 本文選取季節(jié)性凍土現(xiàn)象普遍存在的哈爾濱高寒地區(qū)為試驗基地，以冬季凍融土壤野外大田試驗為基礎(chǔ)，深入研究了本地區(qū)凍土條件下水分動態(tài)運移規(guī)律、揭示季節(jié)性凍融規(guī)律及水文特性，在此基礎(chǔ)上建立凍土水文特性模擬模型，主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　 （1）季節(jié)性凍土的凍融過程強烈依賴于土

4、壤溫度，通過對地表和地中土壤溫度場日變化和季節(jié)變化分析，結(jié)果顯示：土壤溫度具有以日和年為周期的波動特點，其變化隨深度增加呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律衰減的現(xiàn)象，即離土壤表層越近，外界氣溫對土壤溫度的影響越明顯；土壤溫度的變化相對于氣溫變化存在滯后現(xiàn)象。土壤的凍融深度與地表負積溫存在非常顯著的相關(guān)關(guān)系。土壤季節(jié)性凍融特點表現(xiàn)為：單向凍結(jié)、雙向融化。試驗年份的最大凍結(jié)深度為160.1cm，最大融深是140cm。
　　 （2）凍融層的土壤未凍水含水率

5、經(jīng)歷了含量逐漸減少--最低點--含量逐漸增加的過程，曲線呈現(xiàn)“凹”形狀，土壤總含水率經(jīng)歷了突然增多--含量基本保持不變--含量陡然減少的變化過程，曲線呈現(xiàn)“凸”形狀，其間的差值即為土壤含冰量；土壤水勢經(jīng)歷了冰點時突然大幅度降低--變化比較平緩--融化后期達冰點時突然增大的變化過程，曲線呈現(xiàn)“凹”形狀，很好地解釋了其與土壤總含水量變化的一致性，冰點是導致土壤水勢突變的重要原因，而根據(jù)凍結(jié)土壤總含水量的突變點或土壤水勢值的突變點可以判斷出不

6、同時間的凍深發(fā)展程度。土壤含有少量鹽分使相變溫度點（冰點）低于0℃。土壤水勢與土壤未凍水含量、土壤溫度的變化呈現(xiàn)出很好的一致性。土壤水勢與土壤液態(tài)水含量表現(xiàn)出二次多項式的關(guān)系。
　　 （3）土壤水分凍融特性曲線中，80cm深度之上的融化特性曲線數(shù)值比凍結(jié)特性曲線大，源于此期間出現(xiàn)降雨；100cm、140cm深度的凍融特性曲線表現(xiàn)出很好的一致性或略有滯后，說明由于凍結(jié)層具有阻滲特性，外界降雨對土壤深層處仍然凍結(jié)的土層影響很小。未凍

7、水含量與負溫始終保持動態(tài)平衡關(guān)系，用二次多項式表達的相關(guān)程度強于冪函數(shù)表達；試驗區(qū)土壤為非均質(zhì)土壤，其凍融特性曲線是不重合的。
　　 （4）季節(jié)性凍土的水文特性包括：土壤垂線含水量分布改變，在20cm～50cm左右出現(xiàn)極大值；土壤含水率變化規(guī)律引入特征值含水率概念，其在垂向的空間分布規(guī)律并沒有隨著土壤深度的增加而增大，表現(xiàn)為40cm深度處的特征值最大；凍土的存在使土壤蓄水容量增加顯著；凍結(jié)條件下的土壤水分入滲過程與非凍結(jié)土壤很類

8、似，但入滲時間明顯少于非凍結(jié)土壤，于60分鐘左右均達到穩(wěn)定；凍結(jié)土壤具有明顯的減滲特性，其入滲能力遠遠小于非凍結(jié)土壤；凍土作為不透水層，抑制蒸發(fā)的作用非常顯著；季節(jié)性凍土在凍結(jié)期間基本不產(chǎn)流，融化期間產(chǎn)流方式兼有飽和產(chǎn)流、蓄滿產(chǎn)流等方式；穩(wěn)定凍結(jié)期間由于土壤凍結(jié)河流干涸，徑流較小，融化期形成春季徑流高峰。徑流的變化情況與凍土的厚度基本成反比關(guān)系。
　　 （5）建立基于偏最小二乘回歸的凍融深度預測模型，預測結(jié)果顯示該回歸模型的綜合

9、效果是令人滿意的，可以在季節(jié)性凍土凍融深度的建模預測中應用；采取基于MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡設計，建立1.6m土層蓄水容量模型、凍層上水蓄水容量模型和凍層蓄水容量模型，預測結(jié)果顯示：模型可靠性和預測精度較高，可用于預測哈爾濱地區(qū)未來的土壤蓄水容量，；采用最小二乘法擬合多元回歸模型進行土壤蒸發(fā)量的模擬預測，結(jié)果顯示回歸效果顯著，模型精度較好，能夠應用在哈爾濱季節(jié)性凍土地區(qū)的凍融土壤蒸發(fā)模擬和預報中。
　　 綜上所述，研究季節(jié)性凍