大興安嶺松嶺區(qū)凍土發(fā)育過程線繪制與分析

吳雨恒, 戴長雷，王 帝

(1．黑龍江大學(xué) 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2．黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；3. 吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130021)

高寒區(qū)是指由于海拔高或者因為緯度高而形成的特別寒冷的氣候區(qū)[1]。我國青藏及東北部分地區(qū)都屬于高寒區(qū)[2]，高寒區(qū)凍土發(fā)育研究涉及農(nóng)業(yè)、工程和科研等多個方面。農(nóng)業(yè)，林業(yè)對于凍土發(fā)育需求較為明顯，例如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對凍土進(jìn)行嚴(yán)格把控，防止低溫對農(nóng)作物造成危害[3]。工程上，凍土區(qū)開挖隧道，采礦等諸多行業(yè)都需要對凍土進(jìn)行實時監(jiān)測。科研中，單個因素的數(shù)據(jù)對于研究作用不大，但如果通過凍土發(fā)育曲線將兩個或多個數(shù)據(jù)結(jié)合生成圖像，這便使凍土發(fā)育變化在這段時間內(nèi)直觀地呈現(xiàn)出來，對于凍土科學(xué)研究有著重要意義。

在對高寒區(qū)凍土進(jìn)行研究分析時，經(jīng)常可以通過試驗或者數(shù)據(jù)收集獲得一些變量的試驗值，例如溫度，含水率等，根據(jù)不同變量的不同試驗值可以繪制出變量之間的關(guān)系曲線，按照常規(guī)方式，數(shù)據(jù)接收服務(wù)器上零散存儲大量數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過手動下載后按照不同時間、類別進(jìn)行合并，下載及合并數(shù)據(jù)工作量較大且極易出錯。圖線繪制時，人工繪制同樣也費時費力。

凍土發(fā)育過程是指土壤由于低溫凍結(jié)到消融的一整個周期。而凍土發(fā)育過程線具有清晰的反應(yīng)凍土變化的特點，因此在研究凍土發(fā)育過程中有著重要的意義。凍土發(fā)育過程往往會涉及多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，人工進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的處理往往費時費力，因此，為了更加快速、準(zhǔn)確、高效地匯總、處理數(shù)據(jù)，基于Excel對高寒區(qū)凍土發(fā)育過程進(jìn)行曲線繪制，由于Excel具有較好的開放性、共享性及易操作性[4]，高寒區(qū)凍土發(fā)育過程線的繪制可以清晰的反應(yīng)出更好地滿足科研要求。

1 試驗數(shù)據(jù)采集

本研究所采用的裝置為黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所的寒區(qū)低溫地溫自動檢測儀器。儀器分別架設(shè)在黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)，大興安嶺地區(qū)洛古河村，大興安嶺地區(qū)松嶺區(qū)。通過遠(yuǎn)程接收Excel表格數(shù)據(jù)，儀器分別在0時，3時，6時，9時，12時，15時，18時，21時分別對地溫進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測儀器單條地溫鏈有21個測溫探頭，將單條地溫鏈所測數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均得出地溫日均值。現(xiàn)選取2019年12月10日大興安嶺松嶺區(qū)監(jiān)測點單個地溫鏈測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行列表，見表1。

表1 大興安嶺松嶺區(qū)地溫監(jiān)測點數(shù)據(jù)計算表(2019年12月10日) ℃

選取該天這8個時段的0 ℃處深度，如果沒有準(zhǔn)確0 ℃時埋深，則需要找到該時段內(nèi)正負(fù)溫度變化區(qū)間記錄凍結(jié)深度[5]，通過內(nèi)插法計算出0 ℃時埋深。經(jīng)過Microsoft office Excel 2019表格中計算結(jié)果如下：

表1中顯示0 ℃出現(xiàn)在探頭14(100 cm)及15(120 cm)之間，由內(nèi)插法可求得0 ℃處地下埋深H0 ℃由公式(1)計算可得：

(1)

經(jīng)計算H0 ℃=112.35 cm。同理，可以求出其余0 ℃點處深度，結(jié)果見表2～表3。

2 凍土發(fā)育過程線的繪制與分析

由實測數(shù)據(jù)利用Excel自動生成凍土發(fā)育過程曲線，見圖1。由表2～表3及圖1可總結(jié)如下：大興安嶺松嶺區(qū)監(jiān)測點土壤于2019年11月2日起開始凍結(jié)，至2020年5月29日完全解凍，凍土存在時間為210 d，研究區(qū)域凍土于2020年3月25日達(dá)到最大凍結(jié)深度232.85 cm，在此之前，凍土日均凍結(jié)速率為1.61 cm/d，最大日均凍結(jié)速率11.25 cm/d，最小日均凍結(jié)速率-4.63 cm/d。

圖1 大興安嶺松嶺區(qū)監(jiān)測點凍土發(fā)育過程線

表2 大興安嶺松嶺區(qū)監(jiān)測點0 ℃凍深計算表(2019年11月2—12日與2020年3月15—25日)

表3 大興安嶺松嶺區(qū)監(jiān)測點0 ℃凍深計算表(2020年05月19—29日)

分析數(shù)據(jù)及圖像表明，儀器可在高緯度寒區(qū)正常工作，利用Excel處理數(shù)據(jù)及生成圖像可行。根據(jù)實測數(shù)據(jù)可將凍土生消過程分為初凍期、凍結(jié)期、穩(wěn)定凍結(jié)期和融化期4個階段[6]。凍土凍結(jié)受地表溫度影響較大[7]，最大日均凍結(jié)速率及最小日均凍結(jié)速率均發(fā)生在凍土發(fā)育初期，隨著凍結(jié)深度增加，土層溫度變化與地表溫度變化的相關(guān)性越小。季節(jié)性凍土凍結(jié)期間是從地表開始逐漸向下單方向凍結(jié)，融化時則是有地面表層及凍土凍結(jié)最深處兩個方向同時進(jìn)行，直到某一深度凍土完全融化，大興安嶺地區(qū)松嶺區(qū)在2020年3月下旬之前，凍土厚度逐漸增加，之后便逐漸減小，由表中數(shù)據(jù)可以看出，在2020年5月29日時曲線交匯，凍土完全融化。

3 結(jié) 論

(1)黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所的寒區(qū)低溫自動監(jiān)測裝置可以在大興安嶺松嶺區(qū)良好運行，觀測數(shù)據(jù)可靠。

(2)本研究對大興安嶺松嶺區(qū)監(jiān)測點進(jìn)行實時監(jiān)測，2019年11月2日起開始凍結(jié)，至2020年5月29日完全解凍，凍土存在時間為210 d，研究區(qū)域凍土于2020年3月25日達(dá)到最大凍結(jié)深度232.85 cm，凍土日均凍結(jié)速率為1.61 cm/d，最大日均凍結(jié)速率11.25 cm/d，最小日均凍結(jié)速率-4.63 cm/d。

(3)由觀測數(shù)據(jù)可知，最大日均凍結(jié)速率及最小日均凍結(jié)速率均發(fā)生在凍土發(fā)育初期，凍土凍結(jié)初期受地表溫度影響較大，隨著凍結(jié)深度增加，土層溫度變化與地表溫度變化的相關(guān)性越小。

(4)使用電腦采集數(shù)據(jù)，可以使得數(shù)據(jù)采集工作變得快速且高效，Excel有強(qiáng)大的處理數(shù)據(jù)及作圖功能，使得繁瑣的數(shù)據(jù)處理過程變得簡單易操作。凍土發(fā)育過程線繪制的核心需求是基本數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)庫整合、凍土過程線繪制三方面，而最需要自動化研究的兩部分是數(shù)據(jù)庫整合和曲線繪制。數(shù)據(jù)下載的運行算法較為簡單，但如果日常下載數(shù)據(jù)頻繁，Excel需要大量人力，它的弊端就會顯現(xiàn)出來，但如果將此功能集成到軟件框架中，可以為用戶帶來操作上的便利，且有利于功能的擴(kuò)展。在曲線繪制方面，也可解決單一依賴于Excel的現(xiàn)狀，可以由用戶簡單輸入日期、監(jiān)測地點自動篩選，導(dǎo)入數(shù)據(jù)并按照需求自動生成。之后可對此類軟件進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)寒區(qū)水利與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合，提高效率，滿足不同用戶的需求。