寒區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、水循環等因素的影響；凍結泉不僅可以由季節性融化層中的凍結層上水形成，還可以由凍結層上地下水形成；在低溫作用影響下，引起了地下水在地表排泄口的凍結，促進了冰丘的形成。

關鍵詞：凍泉；冰丘；形成；寒區

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《寒區凍結層上水》(新西伯利亞科技出版社，2011)的基礎上翻譯節選修訂而成的。

作者現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、俄羅斯廣袤的寒區環境、以及西伯利亞凍土所豐富的監測數據，相關研究成果在寒區地下水領域達到了世界一流的水平。

本文節選的內容主要為立足于寒區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研究的基礎上完整提出，可為國內從事寒區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凍結層上水泄流特點

寒區地下潛水排泄到地表的過程，受自身各因素間的影響，主要表現在：

(1)地貌的類型決定了地下水的走向和水壓梯度值，根據低洼地形(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)根據構造地貌來確定個別斷面區地下水形成時間，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，寒區凍結層上水排泄主要受其形成、補給、水循環條件的影響。在凍結因素中，巖層季節性凍結和融化過程對凍結層上水的排泄影響最大。Н.И.托爾斯基辛在自己的著作《巖層圈凍結區地下水》中指出：“如果多年凍土保持原貌，本地區的水文地質會具備三種類型：凍結層上水，凍結層間水，凍結層下水。那么在地下水以泉水的形式溢出地表的過程中，凍結帶和季節性凍結起著非常重要的作用。凍結區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生凍結和融化。這類可以凍結和融化的獨特泉水，在其他地區是沒有的[1-3]。

2凍結泉的形成

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。凍結泉不僅可以由季節性融化層中的凍結層上水形成，還可以由凍結層上地下水形成。按照水文地質動力狀況的變化特征，在季節性凍結過程的影響下，這類泉屬于回水類型，因為，它的形成與凍結層上水水量減少以及回水區的形成有關。在經過一段負晝夜溫差比較穩定的時期后，凍結泉開始發揮作用。凍結泉持續時間長短取決于凍結層上水的埋藏深度、冬季初期負溫度值和大氣降水量。在凍結層上水溢出地表之前，地表隆起形成丘陵，所以凍結層上水要穿透丘陵，溢出地表。

凍結泉的出水量不大，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生凍結，凍結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。

凍結泉形成示意圖見圖1。根據該圖，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，m/d；Δh為谷底標高下，凍結層上水高水位最大值，m；h0為入冬前峽谷區凍結層上水水層厚度，m；x為凍結層上水泄水點到高水位的距離，m；l為泉到凍結層上水回水區“分水嶺”的距離；Δz為入冬前在本地區最低點的凍結層上水水位深度。

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

凍結層上水溢出地表的過程是：在靜水壓作用下，凍結層上水的壓力增加，水位抬升，在季節性凍結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)可以得出凍結泉水量數值。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，來計算凍結泉的出水量以及導致凍結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為凍結前地下水水流厚度和坡度；mτ為凍結地段地下水流的厚度；HCT(γ)為凍結地段的邊界上地下水水位；l為凍結地段長度；a為含水層的壓電常數；τ為凍結時間。

這類公式的計算方式主要根據低溫回水區地下水斜坡的變化，計算出泉水涌流量和凍結地段的凍結層上水流層厚度下降量。在實際操作中，由于凍結層上水排泄區的表層隆起和正在凍結的凍結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。

季節性融化層的凍結層上水一般在冬季后的兩三個月內形成凍結泉，水量不大。凍結層上水形成凍結泉的位置一般在河流、湖泊兩岸的南坡，或者在橫貫凍結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，巖層的季節性凍結對其影響很大。如果排泄過程終年存在，并且還受其他因素的影響，就不能把這類凍結層上水的排泄歸結為凍結泉。

但是，巖層季節性凍結對凍結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，季節性融化層還能促進低溫水壓的出現，增加排泄的強度，引起排泄位置季節性多年性的變化[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性融化層水凍結層上季節滯水排泄形成的。在活動層融化層中，凍土因素對這類泉的影響是不均衡的。如果季節性融化層在補給凍結層上水的過程中，巖層急劇變薄，進而消失，那么就會形成夏季的季節性涌動泉。

無論對凍結層上水，還是對寒區其他類型的地下水，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，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。地下水透過季節性凍結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，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。隨著靜水水壓的逐漸增大，穿透了冰丘的結冰層，地下水又開始通過裂隙排泄，循環往復。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—季節性凍結層；4—多年凍結層；5—河床下部的含水融區；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。

季節性凍結泉形成的冰丘，差不多是凍結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)來計算冰丘的大小：

(4)

式中：Wn為冰層數量，m3；Qпр為凍結泉出水量，m3/d；kf為冰水轉換比例參數；τн為冰層形成時間，d。

凍結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，在河流凍結的表層形成了水道。通過公式(5)可以確定冰丘的凍結泉水量：

(5)

式中：ln為冬季，冰丘地下水出水量參數值，%；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為冬季的持續時間，d。

按照式(5)，作者計算了雅庫特地區一些泉水冰丘的ln參數值，見表1。

表1的結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(冰丘的數量和面積，相對結冰系數和其他)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，寒區凍結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。由于一些寒區的冰丘含水數量龐大，因此，在整個水文和氣候自然水循環中，冰丘被視為寒區水循環系統中獨具特色的一環。

4結論

綜合分析可得：

(1)寒區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、水循環等因素的影響。

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

(3)在低溫作用影響下，引起了地下水在地表排泄口的凍結，促進了冰丘的形成。

參考文獻：

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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