土壤水文学作业

《土壤水文学》结课作业
一、问题
潜水位未知，地表积融雪与冻土同时存在的情况下，点尺度上温度为2.1℃降水的最可能入渗、产流及土壤含水量过程。

请配以必要的插图。

二、方法
通过查阅科技论文，检索相关文献，加上老师上课关于相关方面的讲解，同时结合自己对该问题的理解，对题目中涉及到的名词查阅相关书籍进行理解，初步解答该问题。

三、结论
降水最可能入渗过程是结合积融雪融化和积累的过程，同时冻土的解冻过程，不断反复的入渗。

产流量由于冻土和积融雪的存在总体量较大，土壤含水量在土壤较深处较小，在近地表处较大。

四、讨论
首先由于是跨学科选修课程，我得先了解问题中涉及到的各个名词的基本概念。

通过查阅资料，潜水位是指潜水面上任一点的海拔高程，潜水位是进行水文地质计算时的重要数据之一。

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。

一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）/季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（又称永久冻土，指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土层）。

地球上多年冻土/季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。

因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。

正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。

随着气候变暖，冻土在不断退化。

下图1为冻土。

产流是指降雨量扣除损失形成净雨的过程。

降雨损失包括植物截留、下渗、填洼与蒸发，其中以下渗为主。

产流量是指降雨形成径流的那部分水量，以mm
计。

由于各流域所处的地理位置不同和各次降雨特性的差异，产流情况相当复杂。

从水分的迁移规律来看，积雪的低导热性能防止土壤的过度降温，影响土壤的冻结深度、冻结速度、冻胀量和热质迁移状况，积雪深度的分布常常控制着冻土带的分布。

通过查询文献，魏丹等人进行的相关实验数据可以看出，
冻土与积雪融化有一个此消彼长的过程，并且是循序渐进的，较深处的冻土融化，同时由于表层积雪的融化，水分是向冻土层迁移下渗的，温度降低，冻土深度不断加大。

魏丹等人通过实验获得的2004年各区不同时间体积含水率随时间深度变化的对比曲线如下图。

由图3可见，在冻结过程中，在温度梯度作用下，各区土壤水分向冻层迁移，随冻结深度逐渐增大，冻结带含水量增大比较明显。

随水分逐渐向冻结带迁移，在冻结面下方出现了一个明显的水分低含量带。

1月9日到2月2日70—110cm各区含水率变化较大，总含水率增大了约5％，主要是因为温度下降多，冻结速度快，导致水分迅速向冻结带迁移，使总含水率增大。

在冻结土壤融化过程中，3月19日到5月5日0～50 cm总含水率下降了约7％，50～103 cm下降了约4％，这是由于积雪全部融化，因受太阳辐射影响土壤表面温度升高较快，而中部土壤相对缓慢，冻土段内的水分在温度梯度的作用下，从高温端向冻土层内迁移。

在冻结过程中，由于积雪的覆盖，保持了地温，减缓了土壤冻结速度，影响了水分迁移过程。

地温是影响水分迁移的主导因素，气温降低引起部分液态相变成冰，土壤冻结，冻结带土壤水势降低，由此产生的土水势梯度使水分由高土水势未冻带向低土水势的冻结带迁移。

土壤在冻结过程中水分向冻结界面迁移的现象十分明显，土温越低，冻结速度越快，原位冻结的水分越多，向冷端迁移水量减少；反之，土温越高，冻结速度越慢，原位冻结的水分越少，向冷端迁移水量增多。

通过裸地和有积雪覆盖的情况对比可知，由于裸地无积雪覆盖保护，表层土壤温度急剧下降，表层土壤的大部分水分未来得及迁移就原位冻结，因此，总含水量明显比有雪覆盖的处理低，但是裸地处理的冻结深度远远大于有雪覆盖的处理，加上较深土层
处的冻土层温度不低,只是稍低于0℃，因此，其较深冻土层中的总含水量明显高于有雪覆盖的处理。

从冻土和水分的角度进行分析，以北方寒区的水文特性进行研究。

北方寒区的流域下垫面由于冻土的存在, 从性质上改变了土壤水份运动的物理状态, 造成了产汇流的不稳定, 给流域的径流模拟带来很大的困难。

从图4中可以看到, 整个过程主要可分为封冻、融冻和无冻三个时期.在封冻初期,气温和地表温度在0℃上下波动, 冻土时冻时融, 存在不稳定封冻期.当气温和地表温度稳定降至0℃以下时,才进入稳定封冻期.此时冻土增厚,地表覆雪.至翌年春季,气温和地表温度上升到0℃以上时, 先是积雪融化，积雪化尽后冻土受热解冻.冻土初融时,由于气温的波动,也存在一段时间的不稳定融冻期,当温度高到一定后,才会进入稳定融冻期.此时,冻土层从上、下两个界面融冻.上界面热交换大于下界面,融冻速度大于下界面。

当冻土化通后,即进入无冻期。

由于这种冻融过程,使包气带土壤水分运移更加复杂化。

在无冻期,包气带土壤水分运移受基质势和重力势作用,由高势能向低势能运移。

冻结期、包气带土壤水分运移除受基质势作用外,主要受温度势影响,冻结土壤剖面温度变化大,由温度梯度差形成水分运移。

水分向上运移,聚集于冻结界面。

冻层内水分运动微弱, 向上基本不蒸发,向下基本不补给潜水。

此期间,潜水只蒸发,蒸发的水量向冻层聚集,以霜和冰晶的形式填充于土壤空隙中。

在低平地段,当封冻土壤含水量较大, 潜水位较高时,因冻结滞留向上运移水分和接收不稳定封冻期向下入渗的降水与融雪水分,往往冻结层土壤含水量超过田间持水量,或达到饱和与过饱必状况。

整个冻结期,冻层土壤水分呈增加趋势。

融冻期, 融冻层水分运动受基质势、重力势和温度势共同作用,但以基质势为主。

在冻结界面上以融冻层内,水分向上运移蒸发,重力水下移在融冻界面聚集滞留,并填充于土壤空隙, 饱和后形成冻层上水。

冻土层的存在使流域下垫面的下渗具有显著的阻挡作用。

经田间实验证明,土壤封冻期近地层形成相对不透水层,入渗能力极小。

融冻期,包气带厚度随融化增加,入渗能力随之增加,至冻土完全融解,入渗能力达到最大。

可见冻土影响下的入渗量小于同条件下的无冻地区。

季节性冻融期间的土壤表层含水量会显著增加，其增加的原因除与降雨融雪的入渗补给有关外，主要与冻结起始土壤含水量、潜水埋深（雷志栋，1999）有关，土壤的其他理化性质相同条件下，冻结前的起始土壤含水量越小，冻融后的含水量增值越大；潜水位埋深越浅，冻融后的含水量增值越大。

融冻期土壤水分消退缓慢，融雪和降雨入渗受冻土不透水层的阻隔聚集于融冻锋面以上形成冻层以上的自由水面。

当遇到较大降雨入渗后，水位上涨接近地表，致使土壤达到饱和或过饱和状态（杨广云等，2007）。

冻融期间冻土蒸发能力改变。

冻土存在期
土壤蒸发能力显著降低，随着冻层深度向下延伸，土壤表层蒸发几乎为零。

土壤水分入渗能力显著降低，解文艳。

樊贵盛等（2004）研究了土壤结构对土壤入渗能力和Kostiakov-Lewis三参数模型参数的影响。

试验结果表明：土壤结构对大田土壤入渗能力的影响显著；土壤结构由密室变疏松，土壤入渗能力增强。

同时，冻融期间产流方式和径流系数发生了改变。

降水入渗根据冻土与积雪的冻融变化而变，由于积雪和冻土的反复作用，最终将在土层较深处一直形成冻土区域，此处含水量将一直较大。

对冻土区产流模式目前还不清楚，根据初步研究，认为在多年冻土区存在饱和产流和壤中流两种主要产流模式，还需迸一步试验进行深入研究，以期彻底解释清楚多年冻十区的水文循环规律。

参考文献：
不同积雪覆盖下土壤冻结状况及水分的迁移规律，魏丹、陈晓飞等；
长江江源高寒地区气候变化对水文环境影响研究综述，梁川、赵莉花等；
长江源典型多年冻土区小流域径流过程特征研究，李太兵；
北方季节性冻土的冻融规律分析及水文特性模拟，王晓巍；
寒区流域水文模拟研究，关志成。