冻融作用下潜水蒸发研究进展及内涵

分析国内外非冻期和冻融期潜水蒸发的研究进展,从地下水和土壤水转化的角度提出冻融作用下潜水蒸发的内涵。非冻期潜水蒸发主要针对计算方法、模型和影响因素的作用等方面进行研究。冻结期潜水蒸发是潜水暂时性流入非饱和土壤中,消融期冻层融化水部分回归到地下水中,与一般意义上的潜水蒸发有一定的区别。从水资源转化的观点出发,科学地引入"潜水入流量"表征冻融期潜水蒸发量。     

季节冻土区与多年冻土区的冻胀浅析

我国的冻土分布比较广,冻土区包括多年冻土区和季节冻土区。凡温度为负温或零温,并含有冰的各种土均称为冻土。冬季冻结、夏季全部融化的土层称为季节冻土,也称季节冻结层又称为季节作用层、活动层,其下部则为常年处于正温状态的暖土层,这种地区叫做季节冻土区。冻结状态持续2年以上的土层称为多年冻土,这样的地区称为多年冻土区。1冻土层内水分变化在多年冻土区,季节冻土层在冻结过程中,其地下水(多年冻土层上水)往往形成封闭系统,即没有外部补给水源,其水分转移是不充分的。冻结时,水分有向冻结面迁移的规律,所以其季节冻土层受双向影响,…     

水旱田潜水蒸发试验研究

潜水就是浅层地下水,其消耗主要是潜水蒸发。所谓潜水蒸发是指潜水在土壤水吸力的作用下,向土壤包气带中输送水分并经由土壤和植物进入大气的过程。现代农田水分研究理论将土壤、植物、大气作为一个连续体,称为SPAC系统,随着研究的深入,人们越来越意识到把潜水融合到该系统中的必要性,因为浅层地下水必然会和SPAC系统中的水分产生联系,潜水影响包气带的水分分布,从而影响作物根系从土壤中吸水。在灌水和降雨不足以满足作物的需水要求时,浅层地下水会对缺水量有一定的补充作用。如果地下水能对作物的生长有所贡献,那么在制定灌溉制度时就要考虑地下水的影响,灌溉量取决于潜水蒸发和作物腾发的关系。降雨通过入渗能够补给潜水,潜水通过潜水蒸发进入土壤和大气。因此,研究潜水蒸发对研究农田水分循环有着重要价值。同时,潜水蒸发的研究对制定灌溉制度、调控地下水埋深以适应植物生长、防治盐碱化和进行水资源评价都有着重要的意义。     

稳定积雪覆盖下的季节性冻土水分特征及其数值模拟

为了深入研究积雪覆盖边界条件下的土壤水分迁移规律,通过冬季野外土壤水分观测试验,利用土壤水动力学理论,建立了稳定积雪覆盖条件下季节性冻土水分迁移模型。研究结果表明,积雪覆盖土壤比裸地平均地温高出1℃,土壤体积含水率(土壤剖面0～100cm内)高出2%,体现了积雪覆盖不仅能够阻碍土壤热量散失,而且能保持土壤墒情;建立的水分迁移模型能够精准的模拟积雪覆盖条件下冻结土壤水分迁移动态,其相对平均误差仅为3.51%。研究结果对于丰富和完善冻土水分迁移理论,解决春旱和冬小麦"冷拔"等问题具有重要的理论和实践意义。     

土壤冻结过程中潜水蒸发规律的模拟研究

应用土壤冻结过程中水热耦合迁移模型模拟了内蒙河套灌区１９９０￣１９９１土壤冻结期潜水蒸发过程，模拟值与实测值吻合较好。在此基础上，对不同负积温、不同潜水埋深条件下的潜水蒸发过程进行了模拟，并分析了埋深、负积温对冻结期潜水。蒸发总量的影响，提出了冻结期潜水蒸发折算系数的概念。潜水蒸发折算系数与负积温无关，有助于对土壤冻结期潜水蒸发规律的分析和应用。     

土壤冻结过程中潜水蒸发规律的模拟研究

应用土壤冻结过程中水热耦合迁移模型模拟了内蒙河套灌区1990-1991土壤冻结期潜水 蒸发过程，模拟值与实测值吻合较好。在此基础上，对不同负积温、不同潜水埋深条件下的潜水 蒸发过程进行了模拟，并分析了埋深、负积温对冻结期潜水。蒸发总量的影响，提出了冻结期潜 水蒸发折算系数的概念。潜水蒸发折算系数与负积温无关，有助于对土壤冻结期潜水蒸发规律的 分析和应用。     

不同积雪覆盖条件下土壤冻结状况及水分迁移规律研究

积雪覆盖直接影响土壤温度、冻结融化深度、冻结速度和水分向上的迁移过程等。通过室外试验,对沈阳地区2003~2005年不同积雪厚度对潮棕壤土的冻结特征和冻融过程中的水热状况进行了研究。结果表明,当近地面气温在-5℃左右时,雪层厚度>25 cm时,气象条件的变化对雪层热状况的影响极其微弱,积雪覆盖越厚,土壤温度受外界影响越小。在冻结过程中,积雪的存在,保持了地温,减缓了土壤冻结速度,影响了水分迁移过程。裸地的未冻水迁移速度与迁移量较有积雪覆盖的小。在融化过程中积聚在冻土层中的冰体从表层开始融化,由于受到下部未融化的阻隔,在太阳辐射作用下,融水向表层迁移并快速蒸发,而中、下层土壤受底部地热作用,双向解冻,融化后向深层渗漏。     

冻层持水对寒冷地区土壤墒情影响研究

冻土层是存在于土壤中的带冰土体,一般出现于我国的季冻区,具有弱透水性、储水性和不易蒸发性。在冻土融化初期,冻层将阻碍上部水分的渗透,这部分水分将会保留在土壤中为农作物提供水分。墒是我国季冻区对土壤含水率的简称,冻土保墒即冻土保持土壤中的毛细水和弱结合水。冻层持水研究一般采用参数测定法和溶质迁移模拟法。首先对冻土层生消过程进行分析,随后研究了生消过程中墒情变化,对比了不同埋藏深度、不同冻融阶段的墒情变化情况。     

季节性冻土融冻层蓄水动态分析

季节性冻土融冻期间的土壤蒸发 ,冻土层上水形成及动态有其独特变化规律 ,5～ 6月水体蒸发值最大 ,而土壤蒸发却相反。融冻层蓄水除向上运动补给蒸发需要 ,却不补给潜水 ,而在冻层上形成壤中流横向运动补给河流     

冻结期和冻融期土壤水与潜水转化关系研究

在天山北麓昌吉地下水均衡试验场，选择天山北麓平原的三种代表性土壤（粉质轻粘土、细砂、砂砾石）进行冻结期和冻融期的土壤水与潜水转化关系的模拟试验研究。观测不同土壤地质，不同潜水埋深条件下的潜水补给过程和潜水蒸发过程，分析土壤水与潜水的转化关系和转化量，研究成果对于认识内陆盆地冻结期和冻融期的潜水补给和蒸发特点以及对于准确评价地下水资源和土壤水资源均具有实用价值。     

季节性冻融土壤入渗参数的多元线性预报模型

以土壤水动力学、冻土物理学、统计学等理论为基础,研究新疆典型干旱区细土平原与沙漠交错带的冻融土壤水热迁移规律,分析不同深度土层在冻结期、融化期的水热变化特征,探明研究区冻融土壤的水分入渗规律及影响因素,以期建立季节性冻融土壤入渗参数的多元线性预报模型。结果表明:土壤冻结融化过程中,深层土壤的液态含水率在冻融过程中基本不随环境温度升降发生变化,各层土壤的液态含水率、温度均与环境温度的变化趋势基本保持一致;冻结期相比融化期在初期短时间内渗入水量较大,达到稳定入渗所需要的时间较短;从冻结期到融化期,随着土壤中冻结水含量减少,未冻水含量增加,土壤的饱和导水率随之变大;土壤入渗能力主要与环境温度、土壤温度、土壤含水率等因素有关,并得出研究区冻融土壤的入渗能力预报模型。     

冻结层上包气带边界特征分析

在寒区,关于冻结层上包气带边界特征的分析一直备受人们关注。在充分梳理既有研究成果的基础上指出:冻结层上包气带一般指的是位于地表与冻结层上地下水之间岩层圈最顶部的地带;包气带的分类依据冻土和地貌条件划分;在包气带边界处,岩层中的孔隙气体会和大气圈进行交换;冻结层上包气带水分迁移的影响因素有水分饱和差和热梯度差。     

冻结层上水的水文地球化学特征

冻结层上水的水文地球化学特征的研究对了解寒区冻结层上水具有重大的意义。文章通过对冻结层上水的水文地球化学特征的研究,以理论分析和实例阐述的方式指出:(1)冻结层上水化学特征的主要影响因素为自然因素;(2)地下水相变过程对冻结层上水化学特性的影响为使冻结层上水的化学成分和矿化度发生变化;(3)水文地球化学特征受不同季节包气带水分迁移过程的影响,其演化机理主要为:浓缩低温蒸发机理、低温—蒸发浓缩机理、低温—迁移机理;(4)通过对形成于勒拿河河漫滩阶地的季节性融化层的水化学状况的考察,得出:冻结层上水的水化学动态的主要特点主要由水的相变和包气带岩层水分迁移过程决定,可划分出3种主要的冬季冻结层上水的化学成分的浓缩机理:低温-结晶、低温-蒸发、低温-迁移机理。     

季节冻土区梯形混凝土衬砌渠道冻胀预测研究

依据热传导和质量迁移理论,建立渠基冻土温度场、水分场和应力场耦合数学模型,分析了影响季节冻土区渠基土体冻结的核心因素温度和水分运移量,提出以冻结期渠基土体温度和水分迁移量为变量,建立渠基土体冻深和冻胀量预测模型。借助于季节性冻融条件下梯形混凝土衬砌渠道原型观测成果,观测了冻结期渠基以下5 cm处土体温度以及水分迁移量,研究了季节冻融渠基温度和水分运移及其诱发的冻深发展和冻胀变形的变化。经检验,预测曲线与实测曲线基本一致,且满足误差要求,用冻结期土体温度和水分迁移量来预测冻深、冻胀的方法准确可行。     

冻融期膜下滴灌棉田土壤水盐运移规律研究

为探究冻融期膜下滴灌棉田土壤水盐运移规律,于2016年12月～2017年4月在石河子大学节水灌溉试验站进行田间试验。结果表明:在3月4日棉田土壤最大冻深为60 cm。土壤温度受气温变化的影响随深度增加而逐渐减弱,并表现出一定的滞后性,土壤温度变化的滞后性随深度增加没有一定规律性。土壤冻结期,土壤水分由非冻结层向冻结层运移,盐分随着土壤水分自土壤深层向表层聚集;土壤消融期,在强烈地表蒸发作用下土壤表层水分下降,土壤盐分不断向地表运移,使上层土壤盐分含量升高。冻融过程使土壤各土层的水分自上而下呈现出增加-减少-增加的变化规律,形成土壤水分再分布现象。而土壤盐分呈现积盐-脱盐-返盐的规律,形成土壤盐分再分布的现象。冻融期土壤水分和土壤盐分的变异性变化趋势基本保持一致,符合盐随水走的运移规律。冻融过程中90 cm处的土壤水盐和变异系数都达到最大值。该研究结果对绿洲膜下滴灌可持续发展以及土壤次生盐碱化的防治,有着重要的意义。     

河套灌区冻期土壤水分动态规律的研究

河套灌区位于北纬40°10′—41°20′之间,属季节性冻土区,每年11月上旬土壤开始封冻,到翌年5月中旬土壤冻层全部消通,整个冻期历时一百八十天左右。河套土壤冻期、经历冻结和融冻两个不同阶段,土壤的冻结和融冻,有着不同的水盐动态特征,冻期的水盐动态,直接影响灌区农业生产和土地盐碱化的防治,     

辽宁地区潜水蒸发规律试验研究

在干旱地区,由于降雨量较小,土壤水势梯度常常小于零,潜水蒸发不仅成为作物耗水和土壤水蒸发的主要来源,而且在灌区还可以补充作物根系层中需要的水分,从而减少灌水量。同时,潜水蒸发又会引起盐分的上升和积累,造成土壤次生盐碱化,在地下水埋深较浅和地下水矿化度较大的地区,这一现象尤为严重。因此,研究潜水蒸发对地下水资源的评价与保护、合理灌溉和防止土壤盐碱化十分重要。     

大通河降雨径流关系演变与水资源衰减初步研究

大通河位于祁连山区,开发利用程度低,实测径流基本为天然径流,1956—2000年平均径流量28.95亿m~3。在全球气候变暖的背景下,降雨-径流关系发生了明显的改变,以水文气象要素明显的分界点1997年进行分时段比较,汛前径流明显衰减,汛后上游径流明显增加,中下游径流有一定减少,年均水资源减少1.72亿m~3。选择受冰川融水和冻土释水影响较小的中下游区间来水分析,得到蒸发增加减少径流深38 mm。基于上中游分阶段径流比较认为,枯季径流的增加来自冻结层下水的稳定释水,春季径流的减少由季节性冻土释水疏干和陆面蒸发增加导致,夏秋季径流的增加主要是冰川融水和冻结层上水转化成冻结层下水减少沼泽消耗所致。综合分析认为,随着气温的继续升高,冰川融水消失,冻结层上水进一步转化,伴随着源头沼泽的消失,冻结层下水的增加对蒸发增加引起的水资源衰减有所缓减。     

双梯度驱动的非饱和冻土水热耦合模型

青藏高原冻土地区的地质灾害与冻土因冻融作用引起的水分重分布密切相关,其实质是复杂水热耦合作用的结果。已有的冻土水热耦合模型较多关注未冻水含量梯度驱动引起的水分迁移过程,而缺乏对温度梯度驱动效应的探讨。基于经典热传导方程和非饱和土体渗流理论,考虑未冻水含量梯度和温度梯度的共同作用,建立了双梯度联合驱动作用下的非饱和冻土水热耦合模型。在采用已有试验数据对模型有效性进行验证的基础上,分别对-5、-10和-15℃3种环境气温条件下土体的水热响应开展了数值模拟。结果表明：温度梯度在冻结过程中对于水分迁移的驱动作用不可忽略;冻结过程中由于冰水相变释放潜热造成冻结速率逐渐减慢;土中水分聚集的位置处于冻结初期形成的冻结锋面处,且外界气温越低,内外温差越大,则土体水分发生聚集的位置越深,水分迁移量相对也越大,冻结过程中土体水分随深度呈S型分布;-5、-10和-15℃环境温度下含水率极值分别位于0.30、0.55和0.70 m深度处,含水率增量分别为3.5%、4.6%和5.5%。     

吉林农安县盐渍土理化特性及水盐运移规律研究

以吉林省农安地区盐渍土土样为研究对象,通过研究其基本理化性质以及土样中水分和盐分变化规律,分析了农安地区盐渍土的性质及其对水盐运移的影响。结合相关文献中研究区的气象资料及试验成果可知,该地区水盐迁移具有明显的季节性:在未冻结期,春季干旱土体以蒸发作用为主,土中水分带动盐分向地表方向迁移,地表浅层土的含水率低,但盐分聚集;夏季多雨,以淋滤作用为主,水分带动盐分向下运移;在冻结期,受温度梯度的作用,盐分随水分向冻结锋面迁移。研究成果可为农安地区盐渍土水盐运移规律研究及道路翻浆的防治提供实验依据。