青藏高原腹地多年冻土区活动层冻融过程对冻结层上水动态变化的影响

发布时间：2020-10-16 08:19

　　 青藏高原作为世界上海拔最高的低纬度冻土地区,具有极其复杂的水文地质状况,高原地区的地下水受到冻土的影响,分布与运动条件和一般地区存在十分显著的差异。其中,冻结层上水作为冻土地下水中运动最为活跃的类型,大量赋存于活动层中,在春夏季与大气、地表水之间具有十分密切的相互作用,在整个高原的水文循环中占据着举足轻重的地位,特别是在目前全球气候变暖的背景下,地下水动态变化可以作为高原对气候响应的指示针之一,是高原冻土水文极其重要的研究方向。已有研究表明,冻结层上水之所以具有较为明显的季节特征,其一大原因是由于土壤的渗透性也具有相似的季节变化过程,而涉及地下水动态的研究,土壤的渗透系数是不得不考虑的关键参数之一,其不但控制着地下水运动和溶质的运移,也影响着流域水资源评价的准确性。针对冻结层上水动态以及土壤渗透性变化的研究,有助于准确描述寒区地下水动态的时空变化规律以及冻土活动层的季节相态转变过程。因此,我们在长江源区风火山的左冒孔小流域的典型高寒草甸坡面和近河道地带开展了相关研究,实时观测了活动层冻融过程期间冻结层上水的水位动态,在活动层的完全融化期以及逐渐冻结期开展了抽水试验以确定土壤渗透系数变化趋势,并分析了造成水位动态以及渗透系数空间差异性的影响因素。结果表明:(1)在土壤温度的驱动下,研究区冻结层上水位动态与渗透系数的变化趋势与活动层的冻融过程相一致,冻结层上水位动态与各层地温在逐渐冻结期具有显著的非线性Boltzmann函数关系,其中,地下水位对深层地温变化的响应较浅层更为显著。渗透系数则与地温呈现良好的正相关关系,并且在活动层融化与冻结的交界期,渗透系数对温度变化的响应相较水位动态更为敏感,在一定程度上说明了在温度逐渐下降的过程中,地下水流运动呈现出显著减弱的趋势。(2)补排条件的差异对冻结层上水动态的影响显著,而地下水流的活跃程度还会造成能量分布的不同,对土壤渗透性也造成了十分显著的影响。其中,坡度的存在将形成水势差,位于坡下的试验点具有更好的补给条件,故水力性质占优,其地下水位、渗透系数都高于坡上点;此外,水势差的存在还造成了坡上点对大气降水补给的响应更为强烈。河水与冻结层上水动态之间也具有十分显著的相关性,虽然近河道地下水位动态对冻结期的到来更为敏感,但其水力性质在冻融循环期间都显著优于坡面地下水。(3)试验点所处的坡面朝向以及植被覆盖情况的不同对水位动态以及渗透性所造成的影响,主要是通过对能量交换过程的控制。太阳辐射是地温变化的主要驱动因素,处于阳坡的活动层接受太阳的辐射更为直接,这会导致活动层冻融周期和土壤渗透性的差异。结果显示,在活动层的逐渐融化期阳坡观测点的融化先于阴坡29d,并且在逐渐冻结期其水位和渗透系数的下降幅度也小于阴坡。而植被的覆盖情况则在一定程度上阻碍了土壤与大气间的能量交换,根据渗透系数的变化情况可知,植被覆盖情况良好的试验点渗透性的下降更为缓慢。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P642.14
【部分图文】：

第二章 材料与方法2.1 研究区概况2.1.1 研究区位置研究区位于青藏高原长江源区北麓河一级支流——左冒孔小流域的风火山内。此区域隶属青海省玉树藏族自治州曲麻莱县境内，地理坐标为（N 34°42’59”，E 92°53’24”），流域面积大约为 112.5km2，是典型的多年冻土地区，区域内没有多年冰雪覆盖，为季节性积雪区。青藏铁路和青藏公路 109 国道穿过流域，区域水文地质状况受到较为显著的寒区工程影响。图 2-1 为研究区的具体地理位置以及冻结层上水观测孔的布置情况，其中 1#-4#孔处于阴坡，4#-7#孔处于阳坡，4#-6#孔较其余 4 孔更靠近谷地溪流。

兰州大学硕士学位论文 青藏高原腹地多年冻土区活动层冻融过程对冻结层上水动态变化的影响泵选择了流量较小的微型水泵，工作电压为 24V，最大开口流量为 25L/min，工作电流≦1A，最大压力 0.27MPA，吸程 5m，并配置两台电压为 12V 的蓄电池串联来进行供电，抽水管进水端捆绑纱布防止粒径过大的泥沙堵塞抽水机，其具体构造如图 2-1 所示。抽取的地下水采用 5L 容量的烧杯计量，并以此来计算抽水速率。如果水量过小，则考虑使用容量更小的烧杯，这是为了在抽水量较小的情况下，实验开始的前半段获取更多的水位与时间的变化数据，并及时调整抽水流量的大小，尽快达到最后水位稳定的实验效果。实验期间动态水位由 HOBO自动水位计实时记录（每 5 分钟记录一次水位），同时人工使用卷尺进行水位测量，方便水位的校对以及渗透系数的计算。

图 3-1 多年冻土地区坡面地下水位动态季节变化过程（2018 年）2）水位波动变化阶段，活动层处于融化期，此时期土壤的渗透性水运动最为活跃的阶段。在 6-8 月份，地温在大气温度的影响下保平，并且大气降水补给冻结层上水十分充裕，故水位动态相对稳，此时活动层已经全部融化最大融深达到 2.2m，气温则开始出现大气降水虽然由液态/液固混合转化为固态降水，但根据抽水试验高的地下水位恢复速率证明了积雪融水仍然能对冻结层上水形成3）水位迅速下降阶段，随着气温下降，活动层开始逐渐冻结，地始逐渐增加。10 月上旬，研究区的气温开始持续下降，相较于完壤的逐渐冻结削弱了融雪水与地下水的水力联系，故大气降水对冻给甚微，此阶段一部分地下水在无法得到大气降水有效补给的情况另一部分直至最后转换为固态水以地下冰的形式存储在活动层土活动层完全冻结时期的无地下水状态。
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本文编号：2843008