寒區(qū)凍泉與冰丘形成機理分析

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫著；戴長雷，張一丁譯

(1.俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 雅庫茨克 677010;2.黑龍江大學 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

寒區(qū)凍泉與冰丘形成機理分析

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫1著；戴長雷2,3，張一丁3譯

(1.俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 雅庫茨克 677010;2.黑龍江大學 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

摘要：寒區(qū)凍泉與冰丘形成機理這一問題一直備受人們關注。在充分梳理既有研究成果的基礎上，指出：寒區(qū)地下潛水排泄到地表的過程主要受凍土因素、氣候因素，以及其自身形成、補給、水循環(huán)等因素的影響；凍結(jié)泉不僅可以由季節(jié)性融化層中的凍結(jié)層上水形成，還可以由凍結(jié)層上地下水形成；在低溫作用影響下，引起了地下水在地表排泄口的凍結(jié)，促進了冰丘的形成。

關鍵詞：凍泉；冰丘；形成；寒區(qū)

本文是在維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫教授的代表性著作《寒區(qū)凍結(jié)層上水》(新西伯利亞科技出版社，2011)的基礎上翻譯節(jié)選修訂而成的。

作者現(xiàn)為俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所(該研究所在中國通常被稱為西伯利亞凍土所)科研副所長、薩哈(雅庫特)共和國科學院院士、俄羅斯工程院通訊院士，長期致力于寒區(qū)地下水相關方向的科研和教學工作。立足于作者扎實的理論基礎、俄羅斯廣袤的寒區(qū)環(huán)境、以及西伯利亞凍土所豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)，相關研究成果在寒區(qū)地下水領域達到了世界一流的水平。

本文節(jié)選的內(nèi)容主要為立足于寒區(qū)凍泉與冰丘形成機理的論述，值得一提的是，本文關于凍泉和冰丘形成的許多研究成果都是作者在系統(tǒng)研究的基礎上完整提出，可為國內(nèi)從事寒區(qū)凍土和地下水溢流積冰研究的同行提供一個重要的參鑒窗口。

1凍結(jié)層上水泄流特點

寒區(qū)地下潛水排泄到地表的過程，受自身各因素間的影響，主要表現(xiàn)在：

(1)地貌的類型決定了地下水的走向和水壓梯度值，根據(jù)低洼地形(河谷、狹谷、沖溝和湖盆等)來弄清含水層間的交叉點。

(2)巖相決定了含水沉積層的特點、成分、巖層厚度、分布面積的變化。

(3)水文特征決定了地下水形成、補給、排泄條件等受河流水位波動的影響，以及受河床變遷過程(河床遷移和河流分道等)的影響。

(4)根據(jù)構(gòu)造地貌來確定個別斷面區(qū)地下水形成時間，或確定地下水水流交叉點的形成年代。

(5)根據(jù)冰雪地貌來確定地下水補給的特點和各類冰川侵蝕地貌(削平的冰川盆地、積雪窟洞地貌、冰斗等)的形成過程。

(6)人類建成的各種工程項目，有的能夠直接排泄地下水(露天的采礦場、隧道等)，有的能促進地下水的排泄(馬路上的下水道排泄口、地下排水管道等)。

上述因素，打亂和改變了水系統(tǒng)的入滲補給，引起了地下水的排泄。

除了上述凍土和氣候因素之外，寒區(qū)凍結(jié)層上水排泄主要受其形成、補給、水循環(huán)條件的影響。在凍結(jié)因素中，巖層季節(jié)性凍結(jié)和融化過程對凍結(jié)層上水的排泄影響最大。Н.И.托爾斯基辛在自己的著作《巖層圈凍結(jié)區(qū)地下水》中指出：“如果多年凍土保持原貌，本地區(qū)的水文地質(zhì)會具備三種類型：凍結(jié)層上水，凍結(jié)層間水，凍結(jié)層下水。那么在地下水以泉水的形式溢出地表的過程中，凍結(jié)帶和季節(jié)性凍結(jié)起著非常重要的作用。凍結(jié)區(qū)具有使地下水溢出地表的獨特條件，溢出過程中形成的水道在表層會發(fā)生凍結(jié)和融化。這類可以凍結(jié)和融化的獨特泉水，在其他地區(qū)是沒有的[1-3]。

2凍結(jié)泉的形成

A.M 奧夫琴尼科(1995)認為，泉水的類型可以分為侵蝕型、接觸型、承壓型、原始型和人工型等。凍結(jié)泉不僅可以由季節(jié)性融化層中的凍結(jié)層上水形成，還可以由凍結(jié)層上地下水形成。按照水文地質(zhì)動力狀況的變化特征，在季節(jié)性凍結(jié)過程的影響下，這類泉屬于回水類型，因為，它的形成與凍結(jié)層上水水量減少以及回水區(qū)的形成有關。在經(jīng)過一段負晝夜溫差比較穩(wěn)定的時期后，凍結(jié)泉開始發(fā)揮作用。凍結(jié)泉持續(xù)時間長短取決于凍結(jié)層上水的埋藏深度、冬季初期負溫度值和大氣降水量。在凍結(jié)層上水溢出地表之前，地表隆起形成丘陵，所以凍結(jié)層上水要穿透丘陵，溢出地表。

凍結(jié)泉的出水量不大，平均0.01 L/s，至多0.1 L/s。由于出水量不大，這類泉只是間歇性地向外溢出。一定的地下水溢出之后，靜水水壓消失，泉水不再溢出，進入停歇期。在此期間，凍脹丘的出水裂隙頂部發(fā)生凍結(jié)，凍結(jié)層上水的水位開始逐漸升高，直到靜水水壓打破丘陵出水裂隙頂部的冰為止。之后，一定量的地下水又重新溢出，靜水水壓消失。

凍結(jié)泉形成示意圖見圖1。根據(jù)該圖，這類泉的出水量(Qnр)可以按照公式(1)計算：

(1)

式中：Kф為巖層滲透系數(shù)，m/d；Δh為谷底標高下，凍結(jié)層上水高水位最大值，m；h0為入冬前峽谷區(qū)凍結(jié)層上水水層厚度，m；x為凍結(jié)層上水泄水點到高水位的距離，m；l為泉到凍結(jié)層上水回水區(qū)“分水嶺”的距離；Δz為入冬前在本地區(qū)最低點的凍結(jié)層上水水位深度。

а—暖季凍結(jié)層上水文地質(zhì)狀況；b—冬季凍結(jié)層上水文地質(zhì)狀況；1—季節(jié)性凍結(jié)層；2—多年凍結(jié)層及范圍；3—凍結(jié)層上水水位(凍層地下水位)；4—融化的無水沉積層；5—含水層；6—凍結(jié)層上水流向；I-V監(jiān)測井；hπp—凍結(jié)層上含水層凍結(jié)的厚度；he—冬季凍結(jié)層上水水流厚度圖1　凍結(jié)層上水凍結(jié)泉的形成示意圖

凍結(jié)層上水溢出地表的過程是：在靜水壓作用下，凍結(jié)層上水的壓力增加，水位抬升，在季節(jié)性凍結(jié)層的狹窄處沖破其表層。

該壓力(靜水壓力)可以按照公式(2)近似計算：

(2)

式中：γB為水量，kg/m3；g為自由落體的加速度，m/s2。

這樣，采取Kф=2 m/d，Δh=0.8 m，Δz=0.3 m，h0=0.7 m，x=500 m，l=30m，從公式(1)和(2)可以得出凍結(jié)泉水量數(shù)值。Qпр=2.5 m3/d(或0.03 L/s)，對活動層底部壓力Prcт=1.8×105Pa。

E.A.魯緬恩采夫(1966,1969)，B.P.阿列科謝耶夫和Н.Ф.薩夫科(1975)、Ю.Г.葉菲莫夫和A.B.索特尼科夫(1979)、A.B.索特尼科夫(1984)等建議使用一些其他的分析公式，來計算凍結(jié)泉的出水量以及導致凍結(jié)層上水水位抬升的靜水壓值。例如，A.B.索特尼科夫建議使用公式(3)計算：

(3)

式中：m0，J0為凍結(jié)前地下水水流厚度和坡度；mτ為凍結(jié)地段地下水流的厚度；HCT(γ)為凍結(jié)地段的邊界上地下水水位；l為凍結(jié)地段長度；a為含水層的壓電常數(shù)；τ為凍結(jié)時間。

這類公式的計算方式主要根據(jù)低溫回水區(qū)地下水斜坡的變化，計算出泉水涌流量和凍結(jié)地段的凍結(jié)層上水流層厚度下降量。在實際操作中，由于凍結(jié)層上水排泄區(qū)的表層隆起和正在凍結(jié)的凍結(jié)層上含水層低溫水壓的存在，精確的計算出涌流值是非常困難的。

季節(jié)性融化層的凍結(jié)層上水一般在冬季后的兩三個月內(nèi)形成凍結(jié)泉，水量不大。凍結(jié)層上水形成凍結(jié)泉的位置一般在河流、湖泊兩岸的南坡，或者在橫貫凍結(jié)層上水的低洼地形成。

3地下水溢流積冰與冰丘的形成

凍結(jié)層上地下水的排泄在地貌因素、巖相因素、水文因素等其他因素的制約下，巖層的季節(jié)性凍結(jié)對其影響很大。如果排泄過程終年存在，并且還受其他因素的影響，就不能把這類凍結(jié)層上水的排泄歸結(jié)為凍結(jié)泉。

但是，巖層季節(jié)性凍結(jié)對凍結(jié)層上地下水排泄的影響是實實在在存在的，除此之外，冬季時，季節(jié)性融化層還能促進低溫水壓的出現(xiàn)，增加排泄的強度，引起排泄位置季節(jié)性多年性的變化[4-6]。

Н.И.托爾斯基辛和其他研究者劃分完解凍泉的種類后，指出，實際上這些泉是季節(jié)性融化層水凍結(jié)層上季節(jié)滯水排泄形成的。在活動層融化層中，凍土因素對這類泉的影響是不均衡的。如果季節(jié)性融化層在補給凍結(jié)層上水的過程中，巖層急劇變薄，進而消失，那么就會形成夏季的季節(jié)性涌動泉。

無論對凍結(jié)層上水，還是對寒區(qū)其他類型的地下水，負溫或冷凍因素無疑是影響其排泄狀況的主要氣候因素。在低溫作用影響下，引起了地下水在地表排泄口的凍結(jié)，促進了冰丘的形成。冬季時，冰丘的形成改變了地下水排泄的狀態(tài)。地下水透過季節(jié)性凍結(jié)層的冰丘噴出地表見圖2。作者認為，地下水是通過冰丘底部的圓形裂隙排泄到地表的。這類裂隙是以獨特的冰形“閥門”形式存在，在冰丘形成的一定時期內(nèi)，裂隙具有透水性，水在壓力的作用下，向地表水體排泄[7-9]。在靜水壓消失之后，水停止向地表排泄，并且在裂隙表層的水開始凍結(jié)。隨著靜水水壓的逐漸增大，穿透了冰丘的結(jié)冰層，地下水又開始通過裂隙排泄，循環(huán)往復。地下水通過冰丘的裂隙定期向地表水體排泄，使冰丘形成了紋理狀特征。

a—冰丘陵底部的圓形裂隙；b—冰丘頂部的徑向裂隙；1—冰面；2—冰丘表層水；3—季節(jié)性凍結(jié)層；4—多年凍結(jié)層；5—河床下部的含水融區(qū)；6—地下水排泄形成的溪流河床；7—水的流向圖2　地下水透過冰丘的排泄示意圖

要通過冬季的持續(xù)時間和寒冷程度，以及地下水涌流量和向地表排泄的條件來確定冰丘的大小。

季節(jié)性凍結(jié)泉形成的冰丘，差不多是凍結(jié)層上水所有的排水量。在這種情況下，可以按照著名的公式(4)來計算冰丘的大?。?/p>

(4)

式中：Wn為冰層數(shù)量，m3；Qпр為凍結(jié)泉出水量，m3/d；kf為冰水轉(zhuǎn)換比例參數(shù)；τн為冰層形成時間，d。

凍結(jié)層上地下水在冰丘表面噴出的泉水，有一部分流到了河谷，流淌過程中，在河流凍結(jié)的表層形成了水道。通過公式(5)可以確定冰丘的凍結(jié)泉水量：

(5)

式中：ln為冬季，冰丘地下水出水量參數(shù)值，%；Wn為冰丘大小，m3；QucT為冬季或臨冬冰丘形成的泉出水量，m3/d；τ為冬季的持續(xù)時間，d。

按照式(5)，作者計算了雅庫特地區(qū)一些泉水冰丘的ln參數(shù)值，見表1。

表1的結(jié)果證明了冰丘的含水量占冬季泉水出水量的50%左右。毫無疑問，這種情況指的是按照冰丘的指數(shù)(冰丘的數(shù)量和面積，相對結(jié)冰系數(shù)和其他)來計算地下水的自然資源量。

表1　冬季薩哈共和國一些泉水冰丘出水總量

注:QΠ3為部分流向河床的冬季泉水量。

冬季時，寒區(qū)凍結(jié)層上地下水和其他類型的地下水是以冰丘的形式逐漸累積的，冰丘由地下泉水形成，呈低溫和冰狀。冬季時，地下泉水溢出水面所形成的冰層，減少了河流的地下補給量。冰丘在暖季融化，冬季到夏季的這段時間中，冰丘對泉水的水流進行了重新分配。由于一些寒區(qū)的冰丘含水數(shù)量龐大，因此，在整個水文和氣候自然水循環(huán)中，冰丘被視為寒區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)中獨具特色的一環(huán)。

4結(jié)論

綜合分析可得：

(1)寒區(qū)地下潛水排泄到地表的過程主要受凍土因素、氣候因素，以及其自身形成、補給、水循環(huán)等因素的影響。

(2)凍結(jié)泉不僅可以由季節(jié)性融化層中的凍結(jié)層上水形成，還可以由凍結(jié)層上地下水形成。

(3)在低溫作用影響下，引起了地下水在地表排泄口的凍結(jié)，促進了冰丘的形成。

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Mechanism analysis of frozen springs and ice mound formation in cold regionsWritten by Viktor Vasilievich Shepelev1;Translated by DAI Changlei2,3,ZHANG Yiding3

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Abstract：Mechanism analysis of frozen springs and ice mound formation has been drawing people’s attention.On the basis of combing research results adequately,this paper points out:The process of phreatic water discharge to the surface mainly influenced by permafrost,climate and its formation,supply,water cycle,etc;Frozen springs not only can be formed by frozen layer water in seasonal melting layer,but also can be formed by groundwater in the frozen layer;With the influence of the low temperature,it causes the groundwater freezing in the surface discharge and promotes the formation of ice mound.

Key words：frozen springs;ice mound;formation;cold regions

作者簡介：維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫(1941-)，男，俄羅斯薩哈共和國雅庫茨克人，博士，教授，主要從事寒區(qū)地下水相關方向的科研和教學工作。

中圖分類號：P343.6

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)04-0024-04