冻融土壤减渗机理分析
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发布时间：2023-09-18 15:14
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时间：2024-10-20 08:55
由非饱和多孔介质的达西定律可知，描述土壤一维垂直入渗的数学物理方程为：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，q 为土壤水分通量；K 为非饱和土壤导水率；为土壤水势梯度；Ψ为土壤水势。
从图4-2（b）非冻结土壤与冻结土壤入渗速度对比曲线可以看出，冻结土壤的入渗速度明显小于非冻结土壤同时刻的入渗速度，
即
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
那么冻结土壤条件下，方程（4.1）的右端项也必然满足上式：
即
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
要使（4.4）式成立，左端项中两因子或者其中任一因子必然小于右端项，或两者同时减小。以下首先对冻结土壤和非冻结土壤的土壤水势梯度进行分析比较。
假设有图4-16所示的、土壤条件和含水率分布完全相同的田间土柱单元体，其中土柱A经历冻结作用，土柱B未冻结。假定两者同时经历积水入渗，在某时刻t，其湿润锋面到达z深度（事实上，冻结土柱湿润锋推进深度比未冻土柱要小），现分别计算土柱A和土柱B地表至湿润锋面间的平均土壤水势梯度。
对于地表断面（z=0），无论冻结土柱还是非冻结土柱，土壤都处于饱和状态，当不考虑温度势和溶质势梯度时，其各分势及总土水势为：
基质势：Ψm=0
重力势：Ψg=0
压力势：Ψp=2 cm
图4-16 冻土、非冻土总水势示例
总土水势：Ψ冻=Ψ未冻=Ψm+Ψg+Ψp=2 cm
对于湿润锋断面（z=-z），其各分势及总势为：
土柱A：Ψm=f冻＜0，Ψg=-z，Ψp=0，Ψ冻z=f冻-z
土柱B：Ψm=f未冻＜0，Ψg=-z，Ψp=0，Ψ未冻z=f未冻-z
两土柱的土壤水势梯度分别为：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
由于冻结土壤中部分液态水转变为固态水，液态含水率小于未冻土，所以土柱在z处的基质势必定小于土柱B，即：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
所以
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
即
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
土柱A的平均水势梯度绝对值大于土柱B。
由此可见，要使（4.4）式成立，只有K冻＜K未冻，即冻结土壤减渗的根本原因只能是非饱和土壤导水率的减小。那么，是什么原因引起冻土非饱和导水率的减小呢?
严格地讲，非饱和土壤导水率是土壤液态含水率、土壤介质性质和水本身的物理化学性质的函数。在非冻结入渗条件下，通常认为土壤介质性质和水的理化性质不随温度变化，土壤导水率为液态含水率和土壤质地的函数。当土壤质地相同时，土壤导水率仅为液态含水率的函数，含水率越高，导水率越大；当土壤达到饱和时，导水率达到其最大值。冻结条件下，首先土壤中部分液态水相变成固态冰，冻土中的未冻水含量小于初始土壤含水率，因而使土壤的导水率减小。冻土中的未冻水含量与土壤负温具有单一的确定性关系，即随着温度的降低，未冻水含量按幂函数规律减小。因而，地温越低，土壤中的未冻水含量越小，导水率越低。非饱和土壤导水率随负温的降低也呈幂函数规律减小。其次，液态水在相变成冰的过程中，伴随着体积的增大（增大9%），新生的冰晶占据土壤的部分孔隙空间，使入渗水流的过水断面面积减小，也引起土壤的导水率减小。当土壤初始含水率较高时，孔隙水原位冻结，冰晶可将原本分离的土壤颗粒紧密地胶结在一起，形成几乎不透水的冻层。液态水的相变及其体积膨胀，导致土壤孔径减小，甚至完全堵塞，增加了土壤对入渗水流的阻滞作用。特别是初始含水率高于田间持水量的土壤，在经历了较长时间的冻结作用之后，水分向冻结锋面源源不断地迁移可在土壤层中生成垂直于热流方向的冰晶透镜体，形成致密块状冻层，使入渗水流的过水断面面积骤然减小，导致土壤导水率显著降低。据徐学祖的室内实验研究，当土壤中的液态含水率从0.376下降到0.147时，总土水势由-4.02 kPa下降到-32.07 kPa（降低了8倍），而非饱和导水率则减小了4个数量级。再次，入渗水流的粘滞性也是影响非饱和冻土导水率降低的一个因素。当温度降低时，水的粘滞性增强，表面张力增大，导水率减小。据Klock的研究，当温度由25℃降低到0℃时，土壤的导水率减小50%。Horiguchi和Miller的研究结果表明，冻土中的未冻水含量减少、冰的形成生长以及入渗水流的粘滞性增强这三种作用的叠加一般可使冻土的导水率降低到10-8～10-14m/s。
通过以上分析可以看出，土壤导水率的减小对冻结土壤入渗能力的影响远远大于土壤水势梯度的影响。土壤中部分液态水相变成冰是导致其导水率减小的根本原因所在。土壤温度越低，液态水相变比例越大，导水率越小。
