冻融过程及影响因素

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（一）冻融过程

冻土是指具有负温并含冰晶的土水体系，是由土壤矿物颗粒、有机质构成其固相骨架，水、冰和汽充填其中孔隙的四相体。冻土可分为多年冻土（即永久性冻土）和季节性冻土，这里主要讨论季节性冻土。

土壤中所含水率的多少，由四相体中水分所占相对比例表示，称之为含水率。天然条件下土壤各点的含水率因位置和时间而异，为了区分不同含水率土壤的水分所具有的不同特性，按照土壤中水分存在的形态和土壤中水分所承受的作用力的性质及大小，将土壤分为重力水、毛管水、薄膜水、结合水（弱结合水和强结合水）四种类型。

土壤在冻结或融化过程中，一个显著的特征就是发生水、冰或冰、水之间的相态变化，使水分子之间的位能减少或增大，从而引起向外界释放或吸收热量的能量交换过程。

如前所述，在土壤冻结过程中，随着温度降至冻结温度，首先重力水和毛管水（又称为自由水）开始冻结，由于自由水占土壤液态水中的大部分，故此时土壤中液态水含量急剧减少，到自由水全部冻结后，部分薄膜水开始冻结。全部自由水和部分薄膜水冻结，是土壤水分相变的重要部分，称此段相变的温度区间为剧烈相变温度区。随着温度的继续下降，剩余薄膜水再逐渐冻结，但这一部分相变水量很少，该段相变的温度区间称为冻结相变温度区。而不存在相变的正温区称为未相变温度区。这样，在温度坐标上，可把冻结过程中的土壤自上而下分为冻结相变区、剧烈相变区和未相变区三个区域（如图3-15所示）。土壤融化过程与冻结过程相反，随着温度的升高，首先相变（由冰变为液态水）的部分为薄膜水。之后再相变的部分为自由水。结果土壤中的液态水含量随着温度的升高而不断增加，直至全部融化为止。剧烈相变区、冻结相变区的划分仍然适于土壤的融化过程。因此三个区域贯穿于整个冻融过程。

土壤的季节性冻融过程如图3-16所示，可分为不稳定缓慢冻结阶段（图中的AB段），快速冻结阶段（BC段），拟稳定冻结阶段（CD段）和融化阶段（DEF段）四个阶段。曲线ABCDEF为土壤冻结过程中冻结或融化锋面的推进过程线。该曲线反映了相变温度场在时空上的变化规律。由图可见，土壤季节性冻融过程的特点表现为单向冻结和双向融化，上边界负温变化大而下边界正温变化小，冻结深度及冻融过程主要受上边界气象条件及土壤条件的制约。

图3-15 冻融过程中土壤相变分区示意图

图3-16 土壤季节性冻融过程示意图

（二）影响因素

影响土壤冻结深度的因素很多，但其中最主要的是地表负积温。在冬季，随着气温的下降，地表的温度逐渐降低，并在温度梯度的作用下逐渐向下传播，引起土壤温度由上至下逐渐降低。当土壤某一深度的温度降低到该深度土壤的冻结温度（主要与含水率和含盐量有关）时，土壤便开始冻结。因此土壤冻结过程与地表温度变化过程有着密切的关系，冻结深度主要取决于冻结期地表的负积温强度。图3-17为土壤冻、融深度与地表负积温的关系。从图3-17中可以看出，冻结深度Zf与地表负积温STs之间存在明显的相关关系，可以由以下关系式描述：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，A、B为经验系数，反映除负积温以外其他因素对冻融深度的影响，A表示负积温为0（即温度稳定通过0℃）时土壤的冻结深度，B表示在一定的温度梯度作用下土壤的冻结速度。

在实际应用中，气温资料比地温资料更容易获得，同时地表负积温与气温负积温变化同步且相关关系显著。为了便于应用，可以类似地建立起冻结深度与气温负积温STa之间的经验关系

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

当地下潜水位埋深为2.5 m时，上式中A=4.912（cm），B=4.797（cm/℃1/2d1/2），线性相关系数为0.992，自由度为39。从回归结果看，土壤冻结深度与气温负积温相关关系显著。

图3-17 土壤冻结、融化深度与地表负积温的关系

此外，风、雨、雪等对土壤温度亦产生断续的影响，风对土壤温度的直接影响是很小的，但风干所引起的土壤水分蒸发将导致土表冷却，因为在蒸发的过程中需要热量。

通常雨水对土壤起冷却的作用，因为绝大多数的雨水的温度低于土壤温度，冷的渗透水通过土体而渗入土壤，能使心土迅速冷却，由于水的比热很大，故早春过量的冷雨将阻碍土壤温度上升。冬季土壤上的积雪覆盖层能当作良好的绝缘体，它加速并延长温度的变化过程，在有雪的情况下，冻结深度相对要浅一些，除非空气的温度在长时期内降得很低。

试验地区历史最大冻土深度为95 cm，1999～2000年最大冻土深度62.0 cm（2000年02月09日）。试验期冻土深度变化过程见图2-9。

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