俄羅斯永凍區凍結層上水動態特征

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫著;戴長雷，孫穎娜，苗興亞譯

(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；4.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；5.黑龍江大學 中俄聯合研究生院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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俄羅斯永凍區凍結層上水動態特征

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫1著;戴長雷2,3,4，孫穎娜3，苗興亞5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；4.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；5.黑龍江大學 中俄聯合研究生院，黑龍江 哈爾濱 150080)

俄羅斯永凍區凍結層上水動態特征的研究對了解寒區凍結層上水具有重大的意義。文章通過對俄羅斯永凍區凍結層上水動態特征的研究，指出：(1)俄羅斯典型地區的凍結層上水動態特征為：其動態與氣溫變化密切相關，且含水層具有凍結層上水和凍結層間水的特點；(2)融層地下水包括包氣帶不透水融區地下水、熱融區地下水、上層滯水；(3)融層地下水動態特征為：融區水具有凍結層間水的特點，在一年內相當長時期內具有滲透壓力狀態，包氣帶中垂向水分交換過程在季節性融化層的水文情勢中擁有不同的作用；(4)寒區地下水和地下冰之間的轉換過程影響著凍結層上水水體的形成及其水文狀況。

動態；特征；凍結層上水；永凍區；俄羅斯

1　俄羅斯典型地區凍結層上水動態特征

1.1季曼-伯朝拉地區

在凍結層上地下水水體動力狀況中，凍結層上水水層表面未涉及巖層冬季凍結面，這種普遍性規律大多情況下能充分地顯示出來。圖1中為重濕潤區凍結層上地下水水體動態狀況綜合示意圖(俄羅斯歐洲東北部季曼-伯朝拉地區)。該圖是在總結凍結層上水水位動態、包氣帶巖層和大氣溫度實地觀測成果的基礎上做出的[1]。包氣帶的上部被亞黏土覆蓋，深度達到1.5～2.5 m，多年凍結層厚度從10～500 m。凍結層上水在這里分部廣泛，占多年凍結層面積的40%～60%。

圖1證明了地下水水位動態與氣溫變化聯系密切。例如，春季，從大氣平均晝夜溫度從0 ℃往正值變化時刻開始，凍結層上水水位開始上升。冬季，從大氣平均晝夜溫度從0 ℃往負值變化時刻開始，凍結層上水水位開始下降。盡管包氣帶亞黏土沉積層具有弱透水性，但大氣溫度和凍結層上地下水水位之間相互關系也能清晰地反映出來。在觀察中發現，這個聯系主要是以薄膜水形式通過包氣帶弱透水性巖層垂直下降或上升來實現。

1.2雅庫特中部

圖2和圖3為觀測孔位置和水平衡段凍土水文地質剖面圖。這一水平衡地段位于瑪哈特(雅庫特中部)的維柳伊河，巖體中含有沙。形成于全新世的殘留融區含水層，如今在觀測段含水層的厚度為70～80 m。在凍土學中這個含水層具有凍結層上水和凍結層間水的特點。因此，在含沙的多年凍結層中沒有標注。在植物覆蓋的巖體地段，多年凍土層重新組合，在融區含水層中形成低溫靜水壓。在穆古爾-塔楞河谷中觀測到，含水層地下水以泉涌上升和下降形式排泄，排水量平均760 L/d。冬季泉水形成了巨大的冰錐，冰錐的體積在冬季結束時達到1.8×106m3，厚度達到4.5 m[2-7]。

1—季節性凍結巖層；2—包氣帶巖性弱透水層(壤土)；3—包氣帶滲透巖層；4—含水層；5—地下水位；6—積雪區圖1　季曼-伯朝拉地區凍結層上地下水水體動態示意圖

這一水均衡地段位于瑪哈特(雅庫特中部)的維柳伊河1—沙地；2—固沙植被；3—水文地質觀測孔(分子—編號；分母—冬季末期地下水深度，m)；4—河谷中地下融區水排泄圖2　砂質含水層水均衡地段觀測孔位置示意圖

1—含水沙層；2—含有厚層泥巖和黏土的隔水層；3—凍結層及其分布邊界；4-凍結層上-間水水位；5—湖泊盆地：а—冰覆蓋層；б—水；в—底部淤泥沉積；6—含水層觀測孔的水壓和間距(變量)圖3　冬季末期觀測孔的凍土水文地質剖面圖

2　融層地下水動態特征

2.1包氣帶不透水融區地下水動態特征

在進行觀測的包氣帶巖層主要是中粒風成沙，厚度均勻，從3～6 m。圖4為凍結層上地下水水位動態綜合示意圖。凍結層上地下水位于沒有植被覆蓋的含沙地段和不透水融區。研究發現，凍結層上地下水水位一年最小值出現在冬季末期，此時大氣穩定的正溫度即將到來。從這時開始地下水位不斷上升，一直持續整個夏季。兩個觀測孔(4號和16號)的凍結層上水水位升高的大小幾乎是相同的。地下水水位最大增加幅度出現在5月(19 cm)、7月(20 cm)、8月(16 cm)，最小值在6月(7 cm)和9月(8 cm)。

圖4　凍結層上地下水分布狀態綜合示意圖

在觀測孔中(4號和16號)最高水位出現在夏季末，這時大氣平均晝夜溫度即將轉為負值。在暖季凍結層上水水面普遍提高達到72 cm，平均上升速度0.47 cm/d。從大氣平均晝夜溫度為負值開始，凍結層上地下水水位不斷下降，并持續整個冬季。

這樣，對于凍結層上水水位動態來說，當包氣帶透水性巖層變得復雜，而氣候急劇地呈現大陸性氣候特點即氣候變得嚴寒、干旱時，季節的普遍性規律就與地下水與大氣圈間水分垂直交換的過程息息相關。由此可見，在一年之中，對于包氣帶水分交換過程的季節性和凍結層上水水位動態的變化來說，近地面大氣平均晝夜溫度超過0 ℃的時間段是一個轉折點。

像前面所論述的那樣，在植被覆蓋的風成沙地段，融區水具有凍結層間水的特點，這是因為這里正發生自上而下的多年凍結。雖然和凍結層上水有著緊密的水力聯系，但凍結層間水還有一些自身所獨有的特性，即凍結層間水擁有低溫靜水壓。靜水壓值在一年內是變化的。由于多年凍結層自上而下新形成的“冰蓋”的厚度一般不超過8～10 m，在該自然環境中，巖層溫度年變化較小。因此，靜水壓在冬季結束時達到最大值。與此相關的是，凍結層上地下水在這時擁有一年中最低水位。由于水位差異，地下水以水平的方向從植被覆蓋區流到風成沙地段。由于這種水資源的重新分配，在6月末到7月初凍結層間水水位下降最快。在接下來的時間，凍結層間水和凍結層上水水位保持平衡，一直同步到12月和1月。這時凍結層間水靜水壓重新開始升高，地下水水位抬升，形成局部穹形[8]。

觀測發現，當冬季發生局部凍結時，存在不少凍結規律偏離凍結層上水水位變化普遍規律的情況。在這種條件下，水液態固態間的相位變化對水體的形成具有決定性的作用，這是因為相位變化能引起不同季節性低溫流體動態效應的發展(靜水壓的形成、發展和消除，凍結層上水水位巖層的形成，冬季地下水排泄的集約化，等等)。

低溫流體動態效應本質上改變了包氣帶水分交換條件，使凍結層上水的水位狀況異常復雜。很大程度上，這是面積不大的半包氣帶融區積累的凍結層上水所特有的。

2.2熱融區地下水動態特征

圖5為雅庫中部地區坡地上熱輻射融區示意圖[9]。由于凍結層上融區水發生局部季節性凍結，凍結層上融區水在一年內相當長時期(圖6)內具有滲透壓力狀態。凍結層上含水層靜水壓的持續時間沿坡面向下逐漸增加，平均在51號觀測孔大約120 d，在15號觀測孔為260 d。在融區低坡地部分4～5 m處，靜水壓增加。在凍結層上地下水水壓面最大時(2—3月)，在融區產生季節性隆起丘，整體上季節性凍結融區的凍結層上水的靜態聚積減少了2倍多，在冬季結束時大約為15×103m3。

1—融區積水區表層范圍；2—水平線相對標高；3—含水融區，水高度hB<1 m；4—含水融區，水高度hB=1～2 m；5—含水融區，水高度hB>2 m；6—觀測孔：а—勘探孔，б—監測孔；7—季節性隆起；8—凍結層上水泄流區圖5　在冬季水位轉折期，瑪爾-恰貝達湖附近地區凍結層上斜坡融區剖面圖

在凍結層上地下水水文情勢形成過程中，當交換水不受自上而下的季節性凍結直接控制時，包氣帶中垂直水分交換過程出現在第一平面。當季節性凍結影響凍結層上水時，寒區水文地質動態效應(結晶-壓縮效應，結晶-真空效應)則成為凍結層上地下水水體形成因素，該效應能引起水固態液態相位間變化。

2.3上層滯水動態特征

在凍結層上層滯水水文情勢形成過程中，包氣帶水分垂直運移過程通常不起決定性作用。季節性凍結層作為凍結層上層滯水的隔水層，其在夏季時會發生強烈的融化。由于這個原因，凍結層上層滯水水位會在夏季時期持續降低，一直到季節性凍結層完全融化和水分完全消耗(圖6)。但是，當包氣帶具有良好的透水層時，可以在短期內提高凍結層上層滯水水位。在凍結層上層滯水水位普遍降低的情況下，類似的這種“上漲”現象通常在較大的或持續降雨后可以觀測到。

1—季節性凍結層及其邊界；2—含水巖層；3—凍結層上融區水水位：а—水壓面；б—自由水頭；4—凍結層上層滯水水位；5—多年凍結層及其分布范圍；6—融區的不含水層圖6　季節性凍結層對凍結層上地下水的影響

在季節性融化層的水文情勢中，不同季節，包氣帶中垂向水分交換過程有不同的作用。夏季，這一過程對季節性融化層水水文情勢形成不是主要的。例如，作為季節性融化層凍結層上水主要形成因素，凍結層上層滯水在夏季從固態轉化成液態時，會引起低溫流體動力情勢衰減類型凍結層上水的形成。夏季，季節性融化層水水位和凍結層上層滯水一樣，在絕大多數情況下持續降低，只有積雪融水的入滲和豐富的大氣降水能夠使季節性融化層水水位提高一些，如圖7所示。

冬季，如果季節性融化層凍結層上水不直接受從上向下的季節性凍結影響，包氣帶中的垂向水分交換過程則對凍結層上水水文情勢形成起決定性作用。與夏季相比，相同條件下，在地面氣溫和地下水溫之間，溫度梯度差較大(達到40～50 ℃/m)，這就促進了季節性融化層水和包氣帶水分交換的高強度蒸發。同時，在大氣濕度不足的情況下，由于溫度梯度因素，水汽流會自上而下運動。這些加快了季節層凍結層上水資源的消耗，使冬季時期凍結層上水水位線急劇下降。

觀測井NO.1位于湖底；觀測井NO.2位于湖堤圖7　暖季時，季節性融化層凍結層上水水位變化綜合示意圖(雅庫特中部地區)

3　寒區地下水和地下冰之間的轉換

必須指出的是，在包氣帶負溫條件下，上升的薄膜水和氣態水能夠部分變換成固態，這促進了地下冰的凝華。上述過程的強度和規模，首先由水分以哪一種形式(薄膜水或氣態水)轉換。這一點取決于包氣帶巖性。

這樣，當包氣帶滲透性較好時(如沙性的、卵礫石層等)，水分交換以氣態為主要形式，水汽通過包氣帶低于0℃的冷凍部分時，能夠直接轉化成冰，也就是說，發生了凝華。也有一定數量的水汽通過包氣帶直達近地表大氣中。因此，在水分以氣態形式上升運移情況下，依據包氣帶巖層濕度變化，不能判斷出遷移水分的數量。必須考慮到另外一種情況，在溫度梯度條件下，冬季氣態水氣交換強度比夏季的氣態水氣交換強度低。可以這樣解釋，暖季水的相態變化過程(冰的融化過程，包氣帶中水蒸氣冷凝過程)加劇了氣態水分運移。冬季這樣的相態轉換，如水的結晶和凝華，減緩了水分遷移速度和水氣變換的效率。

這樣，當包氣帶為弱透水性分散巖層(黏土、亞黏土、有淤泥沉積等)時，水分主要以薄膜水形式交換。在凍結層上水存在的整個冬季，水分在包氣帶巖層中聚積。從凍結層上水水面到包氣帶水分交換強度取決于冬季的嚴寒度，巖層的組成和濕度，冬季的持續時間，以及凍結層上水存在的時間和其水位埋度。

依據現有的實地觀測成果可以評估出，以薄膜水形式從地下水到包氣帶凍結層的水分交換數量大，強度較高。依據在前貝加爾地區亞黏土包氣帶中進行的滲漏測定計發現，冬季時期(122～156 d)，由于水分轉移而積累的水122～146 mm，這種情況下地下水位線相應地降低1.2～1.9 m。類似上述情況證明，從地下水到包氣帶凍結部分的水分大量轉移。這里包氣帶為弱透水層，在北哈薩克斯坦、西西伯利亞和歐亞大陸其他區域存在。

水分遷移過程中，在季節性凍結層發生凝華形成的地下冰，在暖季時會發生融化。融化水向下沿剖面入滲，補充了季節性融化層水、凍結層上地下水或者地下水。一些研究者指出，由于這類入滲補給的水本身就來自于含水層，只不過在冬季發生了結晶，所以這些研究者把這類入滲補給類型稱為“虛假型”。但是，把這一類型歸為巖石圈和大氣圈之間的水循環中更合理。

因此，凍結層上水水文動態具有非常重要的特色。首先，水相態間的轉換是這一特色的前提條件，例如結晶過程和融化過程、升華過程和凝華過程、蒸發過程和冷凝過程。這些相態間的轉換過程影響著凍結層上水水體的形成，以整體的方式來影響隨自然因素的時間和空間而發生變化的凍結層上水水文狀況，如氣象因素、水文因素、生物—土壤因素等。

4　結論

(1)季曼-伯朝拉地區凍結層上地下水水體動態證明了地下水水位動態與氣溫變化聯系密切。

(2)雅庫特中部地區的含水層具有凍結層上水和凍結層間水的特點。

(3)包氣帶不透水融區地下水動態特征為：當冬季發生局部凍結時，存在不少偏離凍結層上水水位變化普遍規律的情況。融區水具有凍結層間水的特點。

(4)熱融區地下水動態特征為：凍結層上融區水在一年內相當長時期內具有滲透壓力狀態。

(5)上層滯水動態特征為：①在凍結層上層滯水水文情勢形成過程中，包氣帶水分垂直運移過程通常不起決定性作用；②在季節性融化層的水文情勢中，不同季節，包氣帶中垂向水分交換過程有不同的作用。

(6)寒區地下水和地下冰之間的轉換過程影響著凍結層上水水體的形成及其水文狀況，且是凍結層上水水文動態具有重要特色的前提條件。

[1]Какунов Н Б. К вопросу районирования территории распрю-странения многолетнемерзлых пород Северо-Востока Печорского угольного бассейна по условиям формихюванххя режима грунтовых вод —Вопросы изучения режима подземных вод и инженерно-геологических процессов в районах распро[M].странения многолетнемерзлых пород：Сыктывкар, 1975：23-33.

[2]Бойцов А В, Шепелёв В В. Мерзлотно-гидрогеологиче-ские условия массива развеваемых песков Махатта (Центральная Якутия) — Гидрогеологические исследования криолитозоны[M]. Якутск: Ин-т мерзлотоведения

[3]Шепелёв В В. О взаимосвязи озер и подземных вод на массивах развеваемых песков Центральной Якутии —Гидрогеологические условия мерзлой зоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1976： 46-59.

[4]Шепелёв В В. Перераспределение воды в промерзающих грубодисперсных горных породах и надледные явления —Гидрогеологические исследования криолитозоны[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1976：93-99.

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[8]Шепелёв В В. Подземные воды тулуканов Центральной Якутии // Эоловые образования Центральной Якутии[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1981：30-40.

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Movement characteristics of frozen groundwater of permafrost region of Russia

Written by Viktor Vasilievich Shepelev1; Translated by DAI Changlei2,3,4,SUN Yingna3, MIAO Xingya5

(1.Melnikov Permafrost Institute Siberia Branch of the Russian Academy of Sciences, Yakutsk 677010, Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China;5.JointGraduateSchoolofChina&Russia,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

The research of movement characteristics of frozen groundwater of permafrost region of Russia is important to study the frozen groundwater of cold region.Through the Russian permafrost regions to study the dynamic characteristics offrozen groundwater.It points out: (1) Russia typical areas of frozen groundwaterdynamic characteristics as follows: the dynamic is closely related to the temperature change and aquifer has the characteristics of the frozen groundwaterand frozen between water; (2) Melt layer groundwater including vadose impervious area groundwater, hot melt area groundwater, perched water; (3) The melting layer groundwater dynamic characteristics as follows: the melting zone freezing water has the characteristics of interlayer water, quite a long period of time in a year with osmotic pressure state, vertical moisture in the vadose zone exchange process in seasonal melt layer has a different role in hydrological regimes; (4) Cold and the conversion process between groundwater and underground ice affects the formation and hydrological conditions of frozen groundwater.

movement; characteristic; frozen groundwater; permafrost region; Russia

凍土工程國家重點實驗室開放基金(NO.SKLFSE201310)；黑龍江省水文局項目(NO.2014230101000411)

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市人，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。

譯者簡介:戴長雷(1978-)，男，副教授，博士，主要從事寒區地下水及國際河流方向的教學和科研工作。

P641.2

A

2096-0506(2016)08-0022-08