第1章　绪论

水资源短缺、洪涝灾害、水环境恶化三大水问题是制约我国国民经济发展的主要问题，党中央、国务院十分重视水资源问题，江泽民曾指出：“水是人类生存的生命线，也是农业和整个经济建设的生命线。”2014年6月，习近平就保障国家水安全问题发表了重要讲话，精辟论述了治水对民族发展和国家兴盛的极端重要性，深刻分析了当前我国水安全的严峻形势。我国水资源总量丰富，但人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4。随着社会经济的飞速发展，水资源的供需矛盾日剧尖锐。水资源的严重短缺已经成为影响我国工农业经济发展、居民饮水安全的最主要因素，在我国北方干旱半干旱区，水资源短缺问题尤为严重，其中农业用水问题更是雪上加霜。在有限的水资源条件下，如何高效合理开发利用水资源、减少水资源的无效耗损是缓解水资源供需矛盾的主要途径之一。

温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤均称为冻土。其中，3年或3年以上处于冻结状态的土层为多年冻土；冬季冻结、夏季全部融化的土层为季节性冻土。我国多年冻土面积为2.068×106km2，约占全国国土总面积的1/5；季节性冻土面积为5.137×106km2，约占全国国土面积的53.5%［1－2］。季节性冻土主要分布于北纬30°以北地区，而这些地区大多数属于干旱、半干旱、水资源严重短缺区。近年来，随着干旱及水污染灾情的日益加重，农业生产的发展严重地受着干旱缺水的威胁。为了减少由土表蒸发引起的土壤水分的无效损失，提高作物水分利用效率，生产中常采用土壤表面覆盖的方法。冬季地面覆盖是近几年来为解决北方缺水地区水资源短缺而进行土壤储水保墒的一项重要措施，对于合理高效利用水资源意义重大。

土壤水是联系地表水和地下水的纽带，是土壤三相组成中最活跃的因素。在地下水浅埋区，潜水与土壤水联系密切，两者相互转化十分强烈，特别是在季节性冻融期，土壤的冻结与融化过程使得本已转化强烈的过程更加复杂化。潜水与土壤水相互迁移转化是大气降水、灌溉水、土壤水与地下水循环的一个重要环节，在此过程中，涉及到潜水蒸发、地表土壤蒸发等关键性问题。在非冻结期，潜水蒸发是潜水向土壤剖面输送水分，水分和水中的盐分自下而上在土壤中运动，并通过土壤蒸发或植物蒸腾进入大气的过程，地表水分进入大气而盐分留在土壤上层，所以在一些蒸发强烈的干旱地区，潜水蒸发也是导致土壤盐渍化的主要原因，进而影响作物的正常生长。

在季节性冻融期，潜水蒸发并非完全通过土壤蒸发逸散出土壤剖面，由于土壤冻结作用潜水存储于土壤剖面中。冻结期潜水向土壤水转化，消融期土壤水回补潜水［3］，土壤冻结作用导致了潜水的耗损［4］、土壤剖面水分和盐分迁移产生了冻害和土壤盐碱化问题［5－6］。因此，地下水浅埋区土壤水热迁移问题的研究对于地下水浅埋区地下水资源量的科学评价和土壤盐碱化防治等具有重要的指导意义，对于进一步揭示冻融期地下水浅埋区潜水与土壤水的转化规律具有一定的理论意义。

冻融条件下的土壤水热迁移是一个多因素综合作用的复杂物理过程，土壤冻融过程中的水热迁移研究成果对于合理确定农业灌溉技术参数、水资源评价、有效地利用土中水、热资源合理解决寒区和极地资源的开发、土壤盐渍化防治及基础工程建设等实际问题都具有重要意义［7］。冻融土壤水热迁移规律的研究已成为国际前沿学科关注的热点，许多中外学者从不同角度对不同区域的季节性冻土特征进行了研究。Talamucci等［8］对多孔介质冻融过程中冰晶的形成以及土壤的冻胀进行了分析；Fremond等［9］基于能量守恒、墒不等概念以及流动率与自由边界正交的原则建立了水热运移耦合方程，对土壤冻融过程进行了模拟；Goering等［10］依据质量、动量及能量守恒建立了多孔介质中水、热耦合三维数值模型，并将计算结果与室内土壤冻融试验进行了对比分析。Shoop等［11］根据试验监测数据建立了数学模型，对冻融期非饱和土壤的水分迁移进行了研究；Milly［12］采用以土壤基质势和温度为变量的土壤水、汽、热耦合方程，模拟了等温、非等温条件下非均质土壤的水分运动。

国内在此方面的研究起步较晚，但发展很快。周德源等［13］对内蒙古河套灌区季节冻土水分迁移规律做了研究；张立杰等［14］采用野外试验手段，通过气象、土壤剖面水分含量及土水势能的观测分析，研究了季节性冻融过程中土壤水分迁移规律及潜水的形成特征；刘海昆等［15］分析了我国北方冻土的变化过程，并就土壤冻结作用对土壤水分的动态影响进行了综合分析；王风等［16］应用中子仪—TDR联合测定法对冻融过程中黑土固态水和液态水分含量的动态特征进行了分析，研究表明固态水含量是土壤温度和土体含水量综合作用的结果；朱春鹏等［17］对季节冻土区高速公路路基土中的水分迁移变化进行了研究，张树光［18］进行了风积土在不同冻结温度、含水量、干密度等条件下的水分迁移试验，设计了风积土在水分、温度、荷载作用下的冻融试验，研究了风积土的冻胀特征，从工程地质角度研究了冻融作用下水热迁移对土的力学特性影响；王子龙等［19－20］运用统计学理论与方法分析了季节性冻土区不同时期土壤剖面水分的空间变异特征。苑俊廷等［21］季节性冻融期3种处理地块土壤剖面含水率的变化特征进行了研究。郑秀清等［22］对豆茬地水分的入渗特性进行了研究。

由于冻融土壤水热迁移的复杂性和边界条件的多变性，一些研究学者采用数值模拟方法进行了大量研究，杨诗秀等［23］人建立了土壤冻结条件下的水热耦合迁移的数值模拟模型，并进行了室内试验检验；安维东等［24］人进行了渠道冻结时水热迁移的数值模拟；郑秀清等［25］采用垂向一维水热耦合迁移数值模拟模型，研究冻融条件下田间土壤水分运移规律；张殿发等［26］探讨冻融土壤中水运移机理并模拟其运移规律；汪丙国等［27］建立了土壤沟垄微地形条件下土壤剖面二维饱和—非饱和水流数学模型，对冬小麦生长条件下土壤水分的动态变化规律进行了模拟；陆垂裕等［28］提出了可以用来统一计算土壤剖面降雨、灌溉入渗、地表积水、地表径流、蒸发、蒸腾以及当这些现象交替出现时的复杂上表面边界条件的一维土壤水运动数值模型并进行了应用分析。近年来，土壤—植被—大气系统模型在冻土水热耦合迁移研究中得到了广泛的应用［29－32］，Flerchinger等［33］对作物残茬覆盖条件下土壤水热迁移规律进行了模拟研究；李瑞平等［34－36］运用SHAW模型对内蒙古河套灌区3种盐渍化土壤冻融期水热盐动态变化进行了模拟研究，并分析了秋灌制度对田间土壤水盐运移的影响；赵林等［37－38］利用唐古拉综合观测场活动层及气象塔2007年的数据资料，采用SHAW模型对唐古拉地区活动层土壤水热特征进行了单点数值模拟研究；阳勇等［39］以黑河源区高山草甸冻土带的基本气象参数、植被参数和土壤水热性质参数为输入条件，利用COUPMODEL模型计算了试验点两个完整年度日尺度上的各种基本水热状况；胡国杰等［40］利用COUPMODEL模型，对唐古拉研究区活动层土壤的水热特征进行模拟；胡和平等［41］建立了综合考虑土壤冻融、土壤水汽通量、植被覆盖和陆面—大气近地层水热交换的一维冻土—植被—大气连续体模型，模拟了固液相变、气态水迁移、土壤水、汽、热耦合迁移等过程，应用该模型对青藏高原安多观测点的水热交换过程进行了模拟分析。

可见，目前冻融期土壤水热耦合迁移的研究方法主要有实验分析法和数值模拟分析法。实验分析是通过田间试验或室内实验进行土壤冻结或融化过程中土壤水分和土壤温度的动态监测，分析土壤水热迁移机理及其变化规律。由于田间试验大多是在一定的小气候条件下进行的，因此研究成果在应用中有一定的局限性。数值模拟分析方法则是利用土壤水动力学基本原理，通过建立冻融土壤系统水热耦合迁移的数学模型，用数值法求解该模型，进而分析土壤水热的变化规律，该方法具有一定的普遍性和灵活性，可用于模拟不同气候、不同土壤、不同耕作条件下的水热耦合迁移规律，因此越来越受到学者们的重视。

总之，冻融土壤水热迁移的研究成果涉及面较广，在冻融土壤水热迁移的模拟研究和室内外试验方面均取得了较多的研究成果，对水热迁移规律有了一定的认识。但由于研究课题的复杂性及试验研究条件的限制，较少考虑地表覆盖措施、潜水及气温变化幅度等对冻融土壤水热迁移的影响。