冻融土壤系统水分运动规律的研究意义

1. 冻融土壤系统水分运动规律的研究意义

1.研究意义
土壤和水是自然环境和农业生产的两项基本资源，也是人类赖以生存的两大支柱，称之为土水体系。土壤和水作为一个系统，与外界环境不断地进行着水分和热量的交换，同时水分、溶质和热量在土水系统内进行着复杂的运动和迁移，因此这一体系属于动态开放体系。
水分是土壤的三相组成中最活跃的因素，水分的运动及变化是土壤中物质运动的主要形式，水分运动的同时伴有热量和溶质的传输。土壤中水分的运动主要包括入渗、迁移及其转化过程。土壤中的水流、含水率分布、溶质分布和热流、温度分布相互作用、相互影响，水热盐的耦合迁移决定了土壤的水热状况。一方面，土壤含水率的分布与变化，引起土壤热特性参数及溶质在空间和时间上的变化，从而影响土壤热流和温度分布；另一方面，温度及溶质的变化将引起水分物理化学性质的变化，从而导致土壤水分运动参数和基质势的变化而影响水分运动，同时温度梯度本身亦会引起水分运动。与土壤中水分运动紧密相关的另一个问题是土壤与大气之间的水、热交换。地气间的水热交换与土壤水热盐状况和近地表处大气边界层的状态有关。水分交换一般以蒸发和凝结的形式进行，同时在这一过程中伴随着巨大的相变潜热的吸收或释放，对土壤和大气之间的水量和热量平衡产生很大的影响。
季节性冻土是一种含冰晶的特殊土水体系。据研究，地球上中纬度大部分地区经受季节性冻融作用的影响。在我国，季节性冻土主要分布于北纬30°以北地区，面积为5.137×106 km2，约占全国国土面积的54%（徐学祖等，1991），这些地区大多属于干旱、半干旱的水资源短缺地区。土壤的冻融作用过程伴随着相组成的变化，土壤中的固相是由矿物质和冰共同组成的，同时伴随着土壤物理、化学以及物理化学性状的变化。冻土含冰率的变化既相当于液态水的动态储量，又等价于热量的动态变化。冻融土壤的相变及其伴生现象使得本来就不稳定的土水体系变得更加复杂。冻土中的水分运动方式主要有液态水运动和气态水运动两种，但液态水运动是冻土中水分运动的主要方式。冻土中水分运动的驱动力仍为总土水势，它是压力、重力、温度、基质、溶质等分势之和。这些分势既可以单独作用，又可以耦合作用，所以冻土体系是一个多因素综合作用的复杂系统。
在土壤冻融过程中，由于受相变的影响，土壤中冰、水共存，水、热、盐分的迁移具有更强烈的耦合性。土壤冻结过程中，冻结区水分冻结成冰，使土壤水热状况发生变化，土水系统的动态平衡遭到破坏，水分在土水势梯度作用下不断从未冻区向冻结区迁移。其结果是冻结区冰的含量不断增加，未冻水中的盐分不断积累，并引起土体冻胀。随着气候的逐渐变暖，土壤从表层开始融化，而其下的冻结层阻碍上层融水下渗，致使上层土壤含水率增加，出现春涝、翻浆等现象。在冻融过程中，土壤的水、热、盐分状况发生了剧烈变化。
冻融土壤系统的水分运动作为自然界水循环的一个重要环节，在农业、水资源、环境及人类工程中占有极其重要的地位。这一课题的研究涉及到土壤、农业、水利、水文、气象及地质等多学科理论和相关知识，属于交叉复合型课题。对冻融土壤水分运动的深入研究，掌握其运动规律，不仅有助于促进非饱和带土壤水分入渗和迁移基础理论的发展，而且可为综合评价地表、地下水资源、有效利用土壤水资源、合理确定农田灌溉技术参数提供科学依据。因此，无论在理论上，还是在指导生产实践方面都具有重要意义。
2.冻融土壤水分运动研究在农业生产方面的应用
在农业生产中，土壤水是陆生植物水分的源泉，热量则是生物赖以生存繁衍的基础。土壤中许多物理的、化学的、生物的过程，需要在一定的水分、温度条件下进行。水分、热量条件是影响植物分带及作物产量的决定性因素。在土壤含盐量较高的地区，冻结期盐分随水分运动迁移至表层，融化期随着水分的蒸发，盐分便积累在表层，出现地表泛盐和作物因生理脱水而死亡等现象。同时，在我国北方的大中型灌区，绝大部分冬、春灌溉都是在地表及其附近有冻层的条件下进行的，冬、春灌溉后土壤水分的保持和运移、农田灌溉合理灌水技术参数的确定都与土壤水分运动密切相关。因此土壤水分运动规律的研究对于农业的可持续稳定发展至关重要。随着水资源的日益短缺，我国农业用水所面临的形势极为严峻，农业节水灌溉和高效用水已成为全社会所重视和关注的重大问题之一。
21世纪世界农业灌溉的发展趋势之一是灌溉方法仍然以地面灌溉为主，喷、微灌面积逐步扩大。到目前为止，我国95%以上的灌溉面积仍采用传统的地面灌水方法，而且可以预测，在今后很长一段时间内，地面灌水方法在我国农业灌溉中仍占绝对的主导地位。在中纬度地区，出于满足越冬作物水分需求、对水资源供需矛盾调节、污废水利用、灌水习惯和农事、劳动力安排等方面的考虑，冬小麦冬灌、秋地储水灌溉和播前灌溉以及盐碱地的冲洗灌溉等各种灌水，在早冬和早春进行的频度很高，且随着水资源供需矛盾的突出日益增高。如山西省汾河灌区（灌溉面积150万亩，占到全省灌溉面积的10%）的秋地储水灌溉、冬灌及早春灌溉以及汾河冬季污水的利用灌溉都是在地表冻结的条件下进行的。汾河灌区的冬灌一般开始于11月上旬，一直延续到12月中下旬，几乎全部冬灌都在夜冻昼融或地表已稳定冻结的土壤条件下进行。春灌一般开始于3月上旬，此时，地表耕作层土壤处于夜冻昼融的状态，耕作层之下的犁底层处于完全冻结状态，犁底层的完全解冻一般年份在3月下旬或4月上旬，因此大部分春灌也是在冻融条件下进行的。据统计，汾河灌区多年平均供水量2.5亿m3，其中60%（1.5亿m3）在冬、春季节实施灌溉。冻融期间土壤水分运动规律的研究在农业灌溉中的应用主要表现在以下两个方面。
（1）冻融期地面灌溉合理灌水技术参数的确定和灌水效果和灌溉质量的评价。在现行的地面灌溉技术中，灌水技术参数包括灌溉单宽流量、畦田规格、放水时间或封口成数等。这些灌水技术参数的合理确定和灌水质量的评价都以土壤水分入渗参数为依据。
（2）地面灌溉灌水技术参数优化技术。随着地面灌溉水流运动理论的成熟，计算机模拟技术和优化技术在地面灌溉水流运动模拟中的应用，地面灌溉灌水技术参数优化技术即将广泛应用于地面节水灌溉中。而地面灌溉灌水技术参数优化技术是以已知的土壤入渗参数为前提的。土壤入渗参数取值的正确与否决定着模拟灌水技术参数的正确与否。因此，冻融土壤入渗规律的研究对地面灌溉灌水技术参数优化技术的应用至关重要。
3.冻融土壤水分运动研究在水资源预测评价中的应用
在中纬度季节性冻土地区，河流有夏汛和春汛之分。春汛是由于冰川和积雪融化所致。融雪所产生的河川径流为融雪水量扣除土壤入渗后的部分水量，冻融土壤水分运动规律的研究成果可应用于融雪入渗量的计算中，为融雪径流量的计算提供参数和依据。
地球上的大气降水、地表水、土壤水、地下水等不同类型的水分处于不断的循环和转化之中。非饱和土壤水分将地表水和地下水联系起来，土壤水分入渗、迁移、腾发与转化是全球水循环的重要环节。土壤水分入渗、腾发、迁移与转化规律对于研究地下水资源的补给与消耗、地表水资源与地下水资源的合理开发利用具有很大意义，在“四水”转化关系研究中具有重要地位。地下水资源的评价与计算中，潜水蒸发、河渠补给和灌溉入渗补给是其补给及消耗项的主要组成部分。非冻融条件下上述各项资源量的计算依据研究较为深入，而冻融条件下有关参数的研究甚少。冻融土壤水分运动规律的研究可为越冬期潜水蒸发量、河渠入渗补给量和灌溉入渗补给量的计算提供依据，有助于合理评价地下水资源。
此外，与地表冻融有关的工程冻胀、盐胀、土壤中污染物迁移等问题的解决也依赖于冻融条件下土壤水分运动的研究。总之，冻融条件下土壤水分的迁移与转化是水文学、农田水利学、土壤物理学、农业气象学、水文地质学、冻土学等学科研究的重要领域。它的研究对于综合评价地表、地下水资源，有效地利用土壤水、热资源，合理确定农田灌溉技术参数，合理解决寒区和极地资源的开发、工程建设和环境保护的开展及土壤盐渍化防治等实际问题都具有重要意义。

2. 冻融条件下土壤水分运动规律的主要研究内容

本论著是国家自然科学基金项目“水分在非饱和冻融土壤中入渗和保持的研究”、山西省水利厅农村科研费资助项目“冻融条件下地面灌溉效果及灌水技术参数研究”以及太原理工大学青年基金项目“季节性冻融过程中土壤水热耦合迁移的数值模拟及其应用研究”的综合研究成果。项目选择山西省汾河灌区为试验基地，以大量的田间土壤水分入渗和灌水试验为依据，结合冻融土壤水热盐耦合迁移的数值模拟方法，对冻融条件下土壤水分运动规律及其应用进行了系统性研究。主要内容如下。
（1）田间试验。田间试验包括入渗试验、冬灌灌水试验及土壤水热盐迁移试验。入渗试验土壤包括3种土壤质地，8种土壤结构。冬灌灌水试验对1种土壤质地、3种土壤结构进行。所有试验都在山西省汾河灌区进行，试验地点分别是山西省中心灌溉试验站、山西省汾河灌区汾东灌区和山西省汾河灌区三坝灌区。土壤水热盐迁移试验在汾河灌区三坝灌区进行，主要监测自然条件下土壤水分、温度、盐分剖面的动态变化。
（2）土壤冻结、融化规律研究。以室内外实验结果为依据，探讨3种土壤质地、5种含水率及含盐量条件下土壤冻结温度（冰点）的变化规律，分析冻融过程中土壤的温度场特征及其影响因素。
（3）冻融土壤水分入渗规律研究。以不同地表处理条件下的系列入渗试验为依据，对冻融土壤水分入渗的基本特性、阻渗机理、主要影响因素等进行全面分析。
（4）用冻融土壤常规土壤物理参数确定入渗模型参数的方法和模型研究。在对影响冻融土壤入渗特性因素充分分析研究的基础上，找出影响冻融土壤入渗特性的主导因素，建立用冻融土壤常规土壤参数确定入渗模型参数的经验模型。
（5）冻融土壤系统水分迁移规律的研究。在分析季节性冻融期雪层及土壤在冻融过程中水分、温度变化特点及其相互关系的基础上，分别建立了雪层及冻融土壤介质中水、热、盐运动基本微分方程，根据基本方程推导出雪层中的水、热迁移方程、冻土中的水热盐耦合迁移方程及反映负温下土壤未冻水含水率变化的联系方程。结合地、气间水、热交换数学模型，构成全面描述自然条件下考虑地气间水热交换的一维雪、冻融土壤系统水、热、盐耦合迁移数学模型。比较目前常用的数值计算方法，选择适合于模型求解的隐式有限差分方法，采用Newton-Raphson迭代技术建立了相应的数值模拟模型，并采用室内、外试验结果对该模型及其计算方法的正确性和可靠性进行检验和校正。以山西省汾河灌区为背景，用上述模型研究土壤的季节性冻融过程及冻结规律、冻融过程中土壤含水率的变化规律、不同潜水位条件下土壤水分迁移规律、潜水蒸发规律以及不同初始含水率条件下土壤的储水保墒规律、冻融期土壤初始含水率、冬灌对土壤墒情的影响。
（6）冬灌地面灌溉过程和技术参数研究。采用冬灌灌水试验和地面灌溉水流数值模拟相结合的方法，揭示冬灌地面畦灌的灌水过程和灌溉效果特点，建立冬灌灌水技术参数优化模型，并对提高冬灌灌水效果的灌水技术进行研究。

3. 冻土学的研究简况

 中国对冻土现象早有记载，如《徐霞客游记》曾提及山西五台山顶有“龙翻石”，但对冻土开展系统的研究是在20世纪60年代以后，几十年来在普通冻土学、工程冻土学、冻土物理力学、冻土物理化学方面取得了不少成果，形成较为完整的研究体系。冻土学的研究对象是冻土，包括季节冻土、隔年冻土和多年冻土，也研究正在冻结土、正在融化土、曾冻结土，以及人工冻土。20世纪50年代以来，前苏联的什韦佐夫等将冻土学研究对象与冷圈联系起来，认为冻土学是研究地壳冷圈成分、构造和发展的学科。冷圈是指地球具有负温和含有冰的特殊冻结外壳。有的研究已开始涉及行星或宇宙冷圈。