第1章　緒論

水資源短缺、洪澇災害、水環(huán)境惡化三大水問題是制約我國國民經(jīng)濟發(fā)展的主要問題，黨中央、國務院十分重視水資源問題，江澤民曾指出：“水是人類生存的生命線，也是農(nóng)業(yè)和整個經(jīng)濟建設的生命線。”2014年6月，習近平就保障國家水安全問題發(fā)表了重要講話，精辟論述了治水對民族發(fā)展和國家興盛的極端重要性，深刻分析了當前我國水安全的嚴峻形勢。我國水資源總量豐富，但人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4。隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，水資源的供需矛盾日劇尖銳。水資源的嚴重短缺已經(jīng)成為影響我國工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、居民飲水安全的最主要因素，在我國北方干旱半干旱區(qū)，水資源短缺問題尤為嚴重，其中農(nóng)業(yè)用水問題更是雪上加霜。在有限的水資源條件下，如何高效合理開發(fā)利用水資源、減少水資源的無效耗損是緩解水資源供需矛盾的主要途徑之一。

溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤均稱為凍土。其中，3年或3年以上處于凍結狀態(tài)的土層為多年凍土；冬季凍結、夏季全部融化的土層為季節(jié)性凍土。我國多年凍土面積為2.068×106km2，約占全國國土總面積的1/5；季節(jié)性凍土面積為5.137×106km2，約占全國國土面積的53.5%［1－2］。季節(jié)性凍土主要分布于北緯30°以北地區(qū)，而這些地區(qū)大多數(shù)屬于干旱、半干旱、水資源嚴重短缺區(qū)。近年來，隨著干旱及水污染災情的日益加重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展嚴重地受著干旱缺水的威脅。為了減少由土表蒸發(fā)引起的土壤水分的無效損失，提高作物水分利用效率，生產(chǎn)中常采用土壤表面覆蓋的方法。冬季地面覆蓋是近幾年來為解決北方缺水地區(qū)水資源短缺而進行土壤儲水保墑的一項重要措施，對于合理高效利用水資源意義重大。

土壤水是聯(lián)系地表水和地下水的紐帶，是土壤三相組成中最活躍的因素。在地下水淺埋區(qū)，潛水與土壤水聯(lián)系密切，兩者相互轉化十分強烈，特別是在季節(jié)性凍融期，土壤的凍結與融化過程使得本已轉化強烈的過程更加復雜化。潛水與土壤水相互遷移轉化是大氣降水、灌溉水、土壤水與地下水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，在此過程中，涉及到潛水蒸發(fā)、地表土壤蒸發(fā)等關鍵性問題。在非凍結期，潛水蒸發(fā)是潛水向土壤剖面輸送水分，水分和水中的鹽分自下而上在土壤中運動，并通過土壤蒸發(fā)或植物蒸騰進入大氣的過程，地表水分進入大氣而鹽分留在土壤上層，所以在一些蒸發(fā)強烈的干旱地區(qū)，潛水蒸發(fā)也是導致土壤鹽漬化的主要原因，進而影響作物的正常生長。

在季節(jié)性凍融期，潛水蒸發(fā)并非完全通過土壤蒸發(fā)逸散出土壤剖面，由于土壤凍結作用潛水存儲于土壤剖面中。凍結期潛水向土壤水轉化，消融期土壤水回補潛水［3］，土壤凍結作用導致了潛水的耗損［4］、土壤剖面水分和鹽分遷移產(chǎn)生了凍害和土壤鹽堿化問題［5－6］。因此，地下水淺埋區(qū)土壤水熱遷移問題的研究對于地下水淺埋區(qū)地下水資源量的科學評價和土壤鹽堿化防治等具有重要的指導意義，對于進一步揭示凍融期地下水淺埋區(qū)潛水與土壤水的轉化規(guī)律具有一定的理論意義。

凍融條件下的土壤水熱遷移是一個多因素綜合作用的復雜物理過程，土壤凍融過程中的水熱遷移研究成果對于合理確定農(nóng)業(yè)灌溉技術參數(shù)、水資源評價、有效地利用土中水、熱資源合理解決寒區(qū)和極地資源的開發(fā)、土壤鹽漬化防治及基礎工程建設等實際問題都具有重要意義［7］。凍融土壤水熱遷移規(guī)律的研究已成為國際前沿學科關注的熱點，許多中外學者從不同角度對不同區(qū)域的季節(jié)性凍土特征進行了研究。Talamucci等［8］對多孔介質凍融過程中冰晶的形成以及土壤的凍脹進行了分析；Fremond等［9］基于能量守恒、墑不等概念以及流動率與自由邊界正交的原則建立了水熱運移耦合方程，對土壤凍融過程進行了模擬；Goering等［10］依據(jù)質量、動量及能量守恒建立了多孔介質中水、熱耦合三維數(shù)值模型，并將計算結果與室內土壤凍融試驗進行了對比分析。Shoop等［11］根據(jù)試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)建立了數(shù)學模型，對凍融期非飽和土壤的水分遷移進行了研究；Milly［12］采用以土壤基質勢和溫度為變量的土壤水、汽、熱耦合方程，模擬了等溫、非等溫條件下非均質土壤的水分運動。

國內在此方面的研究起步較晚，但發(fā)展很快。周德源等［13］對內蒙古河套灌區(qū)季節(jié)凍土水分遷移規(guī)律做了研究；張立杰等［14］采用野外試驗手段，通過氣象、土壤剖面水分含量及土水勢能的觀測分析，研究了季節(jié)性凍融過程中土壤水分遷移規(guī)律及潛水的形成特征；劉海昆等［15］分析了我國北方凍土的變化過程，并就土壤凍結作用對土壤水分的動態(tài)影響進行了綜合分析；王風等［16］應用中子儀—TDR聯(lián)合測定法對凍融過程中黑土固態(tài)水和液態(tài)水分含量的動態(tài)特征進行了分析，研究表明固態(tài)水含量是土壤溫度和土體含水量綜合作用的結果；朱春鵬等［17］對季節(jié)凍土區(qū)高速公路路基土中的水分遷移變化進行了研究，張樹光［18］進行了風積土在不同凍結溫度、含水量、干密度等條件下的水分遷移試驗，設計了風積土在水分、溫度、荷載作用下的凍融試驗，研究了風積土的凍脹特征，從工程地質角度研究了凍融作用下水熱遷移對土的力學特性影響；王子龍等［19－20］運用統(tǒng)計學理論與方法分析了季節(jié)性凍土區(qū)不同時期土壤剖面水分的空間變異特征。苑俊廷等［21］季節(jié)性凍融期3種處理地塊土壤剖面含水率的變化特征進行了研究。鄭秀清等［22］對豆茬地水分的入滲特性進行了研究。

由于凍融土壤水熱遷移的復雜性和邊界條件的多變性，一些研究學者采用數(shù)值模擬方法進行了大量研究，楊詩秀等［23］人建立了土壤凍結條件下的水熱耦合遷移的數(shù)值模擬模型，并進行了室內試驗檢驗；安維東等［24］人進行了渠道凍結時水熱遷移的數(shù)值模擬；鄭秀清等［25］采用垂向一維水熱耦合遷移數(shù)值模擬模型，研究凍融條件下田間土壤水分運移規(guī)律；張殿發(fā)等［26］探討凍融土壤中水運移機理并模擬其運移規(guī)律；汪丙國等［27］建立了土壤溝壟微地形條件下土壤剖面二維飽和—非飽和水流數(shù)學模型，對冬小麥生長條件下土壤水分的動態(tài)變化規(guī)律進行了模擬；陸垂裕等［28］提出了可以用來統(tǒng)一計算土壤剖面降雨、灌溉入滲、地表積水、地表徑流、蒸發(fā)、蒸騰以及當這些現(xiàn)象交替出現(xiàn)時的復雜上表面邊界條件的一維土壤水運動數(shù)值模型并進行了應用分析。近年來，土壤—植被—大氣系統(tǒng)模型在凍土水熱耦合遷移研究中得到了廣泛的應用［29－32］，F(xiàn)lerchinger等［33］對作物殘茬覆蓋條件下土壤水熱遷移規(guī)律進行了模擬研究；李瑞平等［34－36］運用SHAW模型對內蒙古河套灌區(qū)3種鹽漬化土壤凍融期水熱鹽動態(tài)變化進行了模擬研究，并分析了秋灌制度對田間土壤水鹽運移的影響；趙林等［37－38］利用唐古拉綜合觀測場活動層及氣象塔2007年的數(shù)據(jù)資料，采用SHAW模型對唐古拉地區(qū)活動層土壤水熱特征進行了單點數(shù)值模擬研究；陽勇等［39］以黑河源區(qū)高山草甸凍土帶的基本氣象參數(shù)、植被參數(shù)和土壤水熱性質參數(shù)為輸入條件，利用COUPMODEL模型計算了試驗點兩個完整年度日尺度上的各種基本水熱狀況；胡國杰等［40］利用COUPMODEL模型，對唐古拉研究區(qū)活動層土壤的水熱特征進行模擬；胡和平等［41］建立了綜合考慮土壤凍融、土壤水汽通量、植被覆蓋和陸面—大氣近地層水熱交換的一維凍土—植被—大氣連續(xù)體模型，模擬了固液相變、氣態(tài)水遷移、土壤水、汽、熱耦合遷移等過程，應用該模型對青藏高原安多觀測點的水熱交換過程進行了模擬分析。

可見，目前凍融期土壤水熱耦合遷移的研究方法主要有實驗分析法和數(shù)值模擬分析法。實驗分析是通過田間試驗或室內實驗進行土壤凍結或融化過程中土壤水分和土壤溫度的動態(tài)監(jiān)測，分析土壤水熱遷移機理及其變化規(guī)律。由于田間試驗大多是在一定的小氣候條件下進行的，因此研究成果在應用中有一定的局限性。數(shù)值模擬分析方法則是利用土壤水動力學基本原理，通過建立凍融土壤系統(tǒng)水熱耦合遷移的數(shù)學模型，用數(shù)值法求解該模型，進而分析土壤水熱的變化規(guī)律，該方法具有一定的普遍性和靈活性，可用于模擬不同氣候、不同土壤、不同耕作條件下的水熱耦合遷移規(guī)律，因此越來越受到學者們的重視。

總之，凍融土壤水熱遷移的研究成果涉及面較廣，在凍融土壤水熱遷移的模擬研究和室內外試驗方面均取得了較多的研究成果，對水熱遷移規(guī)律有了一定的認識。但由于研究課題的復雜性及試驗研究條件的限制，較少考慮地表覆蓋措施、潛水及氣溫變化幅度等對凍融土壤水熱遷移的影響。