冻融土壤减渗机理分析 土壤结构对冻融土壤入渗特性的影响
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。
冻融土壤的减渗特性~
自然冻结条件下，季节性冻土与非冻土相比具有以下几个特点：介质的固相组成不同，冻土中含有不等量的冰，冰—水共存于同一动态系统，冰、水各自所占比例主要取决于地温的动态变化；冻结层的位置随地表环境及气象条件的变化而变化；冻土的温度低于纯水的冰点（0℃），外界水分的加入可打破原系统内部水热平衡状态，引起液态水的重新冻结或冰的融化。冻土的这些固有特性决定了土壤水分入渗的特殊性。由上节冻融土入渗基本特性的讨论得知，冻融土入渗的特殊性主要表现在，随着冻层的形成及其发展，冻土入渗能力降低、渗吸速率减小。换句话说，冻土具有明显的减渗特性。
土壤学及土壤物理学中认为，土粒在其内部和外部因素的综合作用下，形成大小不一、形状不同的团聚体，称之为土壤结构。此外，土壤结构是指耕层土壤的松紧程度、孔隙状况和板结程度，并以土壤干容重作为反映土壤结构的指标。
在我国北方的季节性冻土地区，冬春冻融期间，耕作土地常处于秋耕休闲、免耕休闲和种植越冬作物三种状态。因此，试验中选择了秋耕地、未耕地和冬小麦地三种代表性土壤条件，以反映不同土壤结构。各种耕作条件下的土壤物理参数见表2-6～2-8。
图4-19所示为不同土壤结构条件下，非冻结（A—C）和冻结（A′—C′）土壤累积入渗曲线比较图；图4-20为越冬期不同土壤结构条件下90 min入渗量随冻融历时的变化过程线。表4-4为越冬期不同土壤结构土壤入渗能力对比表。试验结果表明：
表4-4 土壤结构对冻融土壤入渗能力影响对比表
1.土壤结构对冻融土壤入渗能力的影响明显
图4-19 A、B、C分别为在文水中心站、平遥宁固和平遥北长寿进行的不同耕作条件下，非冻结土壤的累积入渗量过程线。可以看出：无论哪种土壤质地条件，土壤结构都对土壤入渗能力产生较大影响。随着地表及耕层土壤由疏松变密实，其水分入渗能力明显降低。秋耕地（地表及耕层土壤都疏松）、冬小麦地（地表疏松，耕层较为密实）和未耕地（地表结皮，耕层密实）三种耕作状态下，秋耕地最疏松，未耕地最密实，冬小麦地介于两者之间。同样的入渗时间内，秋耕地的入渗量最大，冬小麦地次之，未耕地最小。
图4-19 A′、B′、C′所示为相应土壤冻结状态下的累积入渗过程线。可以看出冻结条件下，土壤结构对土壤入渗特性的影响仍然十分明显。与非冻结土壤相似，土壤结构由疏松变密实，土壤入渗能力递减。
2.越冬期土壤结构对冻融土壤入渗能力的影响相对稳定
由图4-20 可以看出：①越冬期间结构疏松土壤的90 min的累积入渗量曲线始终位于结构密实土壤之上，表明土壤结构对土壤入渗能力的影响趋势不因土壤的冻结而改变；②越冬期间不同结构土壤的90 min 累积入渗量曲线近似平行，表明在越冬期的整个冻融过程中，土壤结构对土壤入渗能力的影响不随土壤冻结阶段的变化而发生较大变化；③由图4-20 A和C可以看出在融解阶段后期，不同结构累积入渗曲线间距有所增大。曲线间距增大与融解阶段后期土壤水分蒸发有关。结构疏松土壤在冻融过程中，地表一般要出现一定厚度的风干土层，且随冻融过程的发展而加厚，而结构相对密实的土壤一般形不成厚度较大的风干土层。地表风干土层不冻结，具有较大的储水能力和非冻结土壤的入渗特性。解冻过程后期，随着大气蒸发能力的加大，干土层的发展速度加快，导致了结构疏松土壤入渗能力的快速增加，引起疏松土壤与密实土壤入渗能力变化过程线间的间距增大。
图4-19 土壤结构对冻融土壤入渗能力影响对比曲线
图4-20 土壤结构对冻融期土壤入渗能力影响比较曲线
3.不同土壤结构越冬期间土壤入渗能力的下降量不同
如前所述，越冬期间土壤的入渗能力遵循二次多项式关系变化，但不同土壤结构越冬期间入渗能力的年较差和相对降低值有差异。仍以90 min的累积入渗量为反映土壤入渗能力的指标，试验土壤、气候条件下不同结构土壤入渗能力的年较差和相对下降值见表4-4。从表4-4可以看出：冻融土壤条件下，土壤结构由疏松变密实，土壤入渗能力的年较差减小，而入渗能力的相对降低值增大。中心站土壤三种结构土壤未耕地（最密实）、冬小麦地（密实程度居中）和秋耕地（最疏松）的年较差分别为3.37 cm、3.38 cm和3.65cm未耕地小于冬小麦地，而冬小麦地又小于秋耕地。但其入渗能力的相对降低值分别为67%、55.7%和49.3%，未耕地最大，冬小麦地次之，秋耕地最小。宁固试验结果也符合同样规律。
土壤结构不同意味着其板结程度、密实度和孔隙状况不同。孔隙状况包括孔隙尺寸、分布和连通性。非冻结土壤条件下，土壤结构通过对土壤孔隙状况的影响，影响土壤的水力传导度和土壤水分运动驱动力——土水势梯度，进而影响到土壤的入渗能力。当土壤质地一定时，不同结构的土壤颗粒组成相同，土粒的吸水、保水性类同，其最主要的区别在于不同结构土壤的孔隙状况不同。疏松土壤单位体积密度小、孔隙率大、孔隙尺度大、连通性好，对其中运动流体的阻力小，因而在单位势梯度下，土壤水分通量大，即土壤水力传导度大。而对于密实土壤，其密度大、孔隙小、孔隙尺度小、孔隙严重弯曲、连通性差。单位势梯度下水分通量小，即土壤水力传导度小。因此，随着土壤结构密实程度的增加，土壤水力传导度减小。另一方面随着土壤密实程度的增加，孔隙程度减小，含水率相同时土壤水吸力增大。在积水入渗情况下，土壤水吸力的增大会使水分入渗势梯度增大，有利于入渗能力的增大，但由于势梯度增大使土壤入渗能力增加的影响远小于水力传导度减小使土壤入渗能力减小的影响，其综合影响的结果是随着土壤密实度的增大，土壤的入渗能力减小。
土壤的冻结，对于结构疏松土壤，使相对较大的孔隙变小，使水力传导度减小，而对于结构密实土壤是使相对较小的孔隙变的更小，进一步使水力传导度减小。因此，土壤的冻结使两者的水力传导度都朝小的方向发展。因而，土壤的冻结对不同结构土壤的入渗能力都有影响，且影响方向一致。
前人的研究结果表明：土质相同结构不同的土壤的未冻水含率差异很小。因此，不同结构土壤在一定负温水平下的冻结含水率与其本身的含水率成比例，即含水率越大，冻结水含率越大。假定不同土壤结构的体积含水率相同（实际上在大田天然含水率条件下，结构密实土壤的含水率要比疏松土壤大），如前所述，其土壤水分相变量和膨胀量也应相同。由于密实土壤的孔隙体积小于疏松土壤的孔隙体积，在相同的相变量和膨胀量下，其孔隙的相对减小量要比疏松土壤大，孔隙尺度的相对减小量也要大于疏松土壤，部分孔隙完全阻塞的可能性也较疏松土壤大。因此，土壤冻融期间密实土壤入渗能力的相对降低值要比疏松土壤大。
冬春季节田间土壤的冻融特点及其减渗作用
答：此阶段与双冻层阶段相比，地表解冻土层厚度加大，加之冻层整体温度回升，对入渗水流的减渗作用更为薄弱，融土入渗能力逐步恢复到冻结之前的水平。
冻融土壤的减渗特性
答：引起液态水的重新冻结或冰的融化。冻土的这些固有特性决定了土壤水分入渗的特殊性。由上节冻融土入渗基本特性的讨论得知，冻融土入渗的特殊性主要表现在，随着冻层的形成及其发展，冻土入渗能力降低、渗吸速率减小。换句话说，冻土具有明显的减渗特性。
试验结果及分析
答：图4-35（a）为土壤冻结深度4 cm，三种水温下的土壤90 min累积入渗曲线，当水温为3℃、5℃和10℃时，土壤90 min累积入渗量分别为5.2 cm、6.5 cm和7.2 cm。由此可见，水温较高时，冻融土壤的入渗能力会大大提高，图4-35（b）为土壤冻结深度为40 cm，两种水温下的土壤累积入渗曲线，当水...
冻(融)层厚度对冻土入渗特性的影响
答：水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动 式中，H90为90 min累积入渗量（mm）；θ为总含水率（%）；A和B为经验系数。为了预报当地土壤条件下的累积入渗量，进行了不同冻层厚度下土壤入渗随含水率变化的回归分析，结果见表4-8。表4-7 未灌田块累积入渗量估算系数 表4-8 不同冻层厚度下方程H90=...
地下水埋深对冻融土壤相对稳定入渗率的影响
答：水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动 冻结土壤的相对稳定入渗率小于非冻结土壤的相对稳定入渗率的根本原因在于土壤水分在负温作用下的相变。土壤水分的相变导致土壤固相比例增大，液相比例减小，使入渗水流的过水断面面积减小，水力传导度减小。此外，土壤中冰晶体积的膨胀、冻结土壤孔隙尺度的减小、冻土中...
土壤结构对冻融土壤入渗特性的影响
答：2.越冬期土壤结构对冻融土壤入渗能力的影响相对稳定 由图4-20 可以看出：①越冬期间结构疏松土壤的90 min的累积入渗量曲线始终位于结构密实土壤之上，表明土壤结构对土壤入渗能力的影响趋势不因土壤的冻结而改变；②越冬期间不同结构土壤的90 min 累积入渗量曲线近似平行，表明在越冬期的整个冻融过程中...
土壤冻结过程中水分迁移机理
答：所以，“土水势”就是土壤水分所具有的位能，即势能。对于所研究的冻融土壤系统来说，任意两点的土水势之差，即为此两点间水分运动的驱动力。土水势理论的引入，不仅从根本上解决了土壤水分迁移机制问题（即土壤水分由高土水势区向低土水势区运动，土水势梯度为土壤水分运动的驱动力），而且使采用数学物理...
冻融土壤入渗试验
答：表2-11 土壤入渗试验分年度实施方案 （二）试验方法 冻融土壤入渗试验采用积水入渗方法，即试验时形成地表含水率接近饱和含水率θs的一维垂直入渗条件，其入渗界面边界条件属灌溉入渗模型。为消除积水水头对势梯度的影响，将积水水深控制在2～3 cm。入渗过程中分时段记录时段入渗水量，根据土壤入渗...
冻融土壤入渗的季节性变化特征
答：因为其含水率很低，地温低于相应含水率下土壤的“结冰点”）厚度和融化层厚度逐渐增加，土壤的储水能力增强，同时冻层对入渗水流的减渗作用随冻层层位的下移和地温的升高而减弱，土壤入渗能力逐渐增大。由于整个越冬期土壤经历多次冻融循环，土壤结构随之改变，加之春季大气的蒸发能力很强，融土的含水...
冻融土壤系统水分运动规律的研究意义
答：土壤和水作为一个系统,与外界环境不断地进行着水分和热量的交换,同时水分、溶质和热量在土水系统内进行着复杂的运动和迁移,因此这一体系属于动态开放体系。 水分是土壤的三相组成中最活跃的因素,水分的运动及变化是土壤中物质运动的主要形式,水分运动的同时伴有热量和溶质的传输。土壤中水分的运动主要包括入渗、迁移...
