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冻土水文学概论 2014年2月  目 录 冻土水文特性 冻土水文效应 冻土特征参数测定 冻土水文研究内容与研究大纲 冻土水文模型  冻土水文特性 1.1冻土与冻土层 1.1.1冻土 冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）/季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（又称永久冻土，指的是持续三年或三年以上的冻结不融的土层）。地球上多年冻土/季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。随着气候变暖，冻土在不断退化。在0℃或0℃以下冻结，并含有冰的岩土(土壤、土、岩石），称为冻土。在0或 0以下冻结，但不含冰的岩土，称为寒土。致密的岩体和干土在 0或0以下时，既不含冰也不含水，称为干寒土。岩石裂隙和土孔隙含有咸水或盐水时仅在很低的负温时才冻结，这种具有高于其冻结温度的负温、不含冰但含有未冻咸水或盐水的岩土，称为湿寒土。冻土和寒土统称冷土。上述观点为中国和俄罗斯的多数学者所采用。在北美则将低于 0的土，不管是否含冰，均称为冻土。冬季冻结、夏季全部融化的岩土为季节冻土；冬季冻结、仅在继后的夏季不融化的岩土为隔年冻土；冻结时间达3年或3年以上的岩土为多年冻土 。 冻土是一个复杂的多相和多成分体系，至少由气相、固相、液相三相组成 冻土层在自然地理学指的是由于气温低、生长季节短，而无法长出树木的环境；在地质学是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时、数日以至半月）、季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（又称永久冻土，指的是持续三年或三年以上的冻结不融的土层）。地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。 冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。中国的青藏铁路就有一段路段需要通过冻土层。工程师需要通过多种方法去使冻土层的温度稳定，以避免因为冻土层的转变而使铁路的路基不平，防止意外的发生。 前苏联和加拿大近一半的领土都是冻土层，阿拉斯加有85%的土地都是冻土层，赤道附近的乞力马扎罗峰顶也发现有多年冻土层。。 冻土层土壤水分的增加，可用水量平衡原理表达为 (1) (1)式中： W(0)、W(t)为起止时刻的土壤含水率(mm)； f为下渗率； fa为深层下渗率； r为径流率； e为蒸发率； q为潜水蒸发对冻层补给率。 在Δt时段内，式(1)可写成 (2) 式中： ΔW为时段土壤蓄变量(mm)；I为入渗量；E为蒸发量；R为径流量；D为深层入渗水量；G为潜水蒸发冻结水量。 对于结冻期，E、R、D甚微，可忽略不计。则冻结蓄水量增量为 (3) 在冻结期有不稳定冻结时的雨雪水量入渗量I，整个冻结过程中，潜水蒸发冻结的水量G。显然ΔW0。 在融冻期，冻土从上下两个界面融冻，并释放水量，令上下界面释放的水量相等，又因有冻土存在，D很小，融冻时向冻土层提供的潜水蒸发G基本停止，故D和G可不计，则式(2)式变为 (4) 融冻期土壤中水分循环主要发生在融冻上界面以上的包气带，在融冻初期，有融雪水量P雪加入。时段水量平衡方式可写成 (5) 如前所述，在冻结期和融冻期期间气温和地温很低，蒸发微弱，降雨融雪入渗后仍有相当比例的水量滞留于冻土层或形成冻层上水。故ΔW为正值，即使无雨期，仍有融雪水量和融冻释放水量加入，ΔW也不会出现负值。这就是冻土蓄水的调节性能所在。对整个冻融期的蓄水量增量可表示为 (6) 式中： 为封冻期土层蓄水增量(mm)； 、为冻结期始末垂线实测土壤含水率； 、为时段始末垂线平均土壤含水率； t为冻土终止时间； 1，2，3…，n为时段数。 冻土期间，土壤含水率增加趋势见图2。 实际上，流域冻土蓄水量增量可采用包气带水量平衡方法，计算时段蓄水量差的积值来推求，如 (4) 整个冻土期的蓄水增量为 (4) 式中： 、为时段始末包气带