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北方季节性冻土的冻融规律分析及水文特性模拟

王晓巍  
【摘要】: 我国作为世界第三冻土大国,季节性冻土的面积约占全国国土面积的一半以上,而这些地区大多为气候寒冷干燥、水资源贫乏、水环境日益恶化、生态环境脆弱的地区,严重的制约着农业经济的飞速发展。季节性冻土的不透水作用,蓄水调节作用和抑制蒸发作用,使冻融期间的土壤蓄水容量、降水入渗能力、土壤含水量的变化状态、产流与径流等水文特性具有不同于无冻土条件下的动态规律和特点,而寒区的大多数水文工作者对于季节性冻土的水文特点与理论一直处于盲区和误区,在水文水利计算、水文预报、与农业有关的旱涝指标计算及耗水定额的确定等领域,都忽视了冻土的水文效应,采用国内外已有的无冻土地区的理论与模型,致使计算结果和模拟方案与实际误差过大,不能反映实际水文过程。 目前北方季节性冻土地区的冻融规律和水文特性机理研究还处于初步探索阶段,对冻土作用下的土壤水循环规律的揭示很不完善。现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冻土区的研究基础上,不符合北方季节性冻土水文的区域性和季节性规律特点;国内应用的水文模型多为经验模型,缺乏对影响寒区水文特性的关键要素的机理研究,模型的建立缺乏必需的野外大田实测数据的支持,其推广应用受到极大的限制。 本文选取季节性冻土现象普遍存在的哈尔滨高寒地区为试验基地,以冬季冻融土壤野外大田试验为基础,深入研究了本地区冻土条件下水分动态运移规律、揭示季节性冻融规律及水文特性,在此基础上建立冻土水文特性模拟模型,主要研究内容和成果如下: ⑴季节性冻土的冻融过程强烈依赖于土壤温度,通过对地表和地中土壤温度场日变化和季节变化分析,结果显示:土壤温度具有以日和年为周期的波动特点,其变化随深度增加呈现指数规律衰减的现象,即离土壤表层越近,外界气温对土壤温度的影响越明显;土壤温度的变化相对于气温变化存在滞后现象。土壤的冻融深度与地表负积温存在非常显著的相关关系。土壤季节性冻融特点表现为:单向冻结、双向融化。试验年份的最大冻结深度为160.1cm,最大融深是140cm。 ⑵冻融层的土壤未冻水含水率经历了含量逐渐减少——最低点——含量逐渐增加的过程,曲线呈现“凹”形状,土壤总含水率经历了突然增多——含量基本保持不变——含量陡然减少的变化过程,曲线呈现“凸”形状,其间的差值即为土壤含冰量;土壤水势经历了冰点时突然大幅度降低——变化比较平缓——融化后期达冰点时突然增大的变化过程,曲线呈现“凹”形状,很好地解释了其与土壤总含水量变化的一致性,冰点是导致土壤水势突变的重要原因,而根据冻结土壤总含水量的突变点或土壤水势值的突变点可以判断出不同时间的冻深发展程度。土壤含有少量盐分使相变温度点(冰点)低于0℃。土壤水势与土壤未冻水含量、土壤温度的变化呈现出很好的一致性。土壤水势与土壤液态水含量表现出二次多项式的关系。 ⑶土壤水分冻融特性曲线中,80cm深度之上的融化特性曲线数值比冻结特性曲线大,源于此期间出现降雨;100cm、140cm深度的冻融特性曲线表现出很好的一致性或略有滞后,说明由于冻结层具有阻渗特性,外界降雨对土壤深层处仍然冻结的土层影响很小。未冻水含量与负温始终保持动态平衡关系,用二次多项式表达的相关程度强于幂函数表达;试验区土壤为非均质土壤,其冻融特性曲线是不重合的。 ⑷季节性冻土的水文特性包括:土壤垂线含水量分布改变,在20cm~50cm左右出现极大值;土壤含水率变化规律引入特征值含水率概念,其在垂向的空间分布规律并没有随着土壤深度的增加而增大,表现为40cm深度处的特征值最大;冻土的存在使土壤蓄水容量增加显著;冻结条件下的土壤水分入渗过程与非冻结土壤很类似,但入渗时间明显少于非冻结土壤,于60分钟左右均达到稳定;冻结土壤具有明显的减渗特性,其入渗能力远远小于非冻结土壤;冻土作为不透水层,抑制蒸发的作用非常显著;季节性冻土在冻结期间基本不产流,融化期间产流方式兼有饱和产流、蓄满产流等方式;稳定冻结期间由于土壤冻结河流干涸,径流较小,融化期形成春季径流高峰。径流的变化情况与冻土的厚度基本成反比关系。 ⑸建立基于偏最小二乘回归的冻融深度预测模型,预测结果显示该回归模型的综合效果是令人满意的,可以在季节性冻土冻融深度的建模预测中应用;采取基于MATLAB的BP神经网络设计,建立1.6m土层蓄水容量模型、冻层上水蓄水容量模型和冻层蓄水容量模型,预测结果显示:模型可靠性和预测精度较高,可用于预测哈尔滨地区未来的土壤蓄水容量,;采用最小二乘法拟合多元回归模型进行土壤蒸发量的模拟预测,结果显示回归效果显著,模型精度较好,能够应用在哈尔滨季节性冻土地区的冻融土壤蒸发模拟和预报中。 综上所述,研究季节性冻融土壤的冻融规律和水文特性,并建立水文特性预测模型,为北方季节性冻土区研究冻土水文过程机理、水资源循环过程和提高水文特性模拟预报精度提供了理论依据,为丰富冻土水文学科的基础理论体系和完善北方季节性冻土区水文特性模拟的理论体系提供参考。


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