冻土中水分运动的研究进展
1.研究意义
土壤和水是自然环境和农业生产的两项基本资源，也是人类赖以生存的两大支柱，称之为土水体系。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、迁移及其转化过程。土壤中的水流、含水率分布、溶质分布和热流、温度分布相互作用、相互影响，水热盐的耦合迁移决定了土壤的水热状况。一方面，土壤含水率的分布与变化，引起土壤热特性参数及溶质在空间和时间上的变化，从而影响土壤热流和温度分布；另一方面，温度及溶质的变化将引起水分物理化学性质的变化，从而导致土壤水分运动参数和基质势的变化而影响水分运动，同时温度梯度本身亦会引起水分运动。与土壤中水分运动紧密相关的另一个问题是土壤与大气之间的水、热交换。地气间的水热交换与土壤水热盐状况和近地表处大气边界层的状态有关。水分交换一般以蒸发和凝结的形式进行，同时在这一过程中伴随着巨大的相变潜热的吸收或释放，对土壤和大气之间的水量和热量平衡产生很大的影响。
季节性冻土是一种含冰晶的特殊土水体系。据研究，地球上中纬度大部分地区经受季节性冻融作用的影响。在我国，季节性冻土主要分布于北纬30°以北地区，面积为5.137×106 km2，约占全国国土面积的54%（徐学祖等，1991），这些地区大多属于干旱、半干旱的水资源短缺地区。土壤的冻融作用过程伴随着相组成的变化，土壤中的固相是由矿物质和冰共同组成的，同时伴随着土壤物理、化学以及物理化学性状的变化。冻土含冰率的变化既相当于液态水的动态储量，又等价于热量的动态变化。冻融土壤的相变及其伴生现象使得本来就不稳定的土水体系变得更加复杂。冻土中的水分运动方式主要有液态水运动和气态水运动两种，但液态水运动是冻土中水分运动的主要方式。冻土中水分运动的驱动力仍为总土水势，它是压力、重力、温度、基质、溶质等分势之和。这些分势既可以单独作用，又可以耦合作用，所以冻土体系是一个多因素综合作用的复杂系统。
在土壤冻融过程中，由于受相变的影响，土壤中冰、水共存，水、热、盐分的迁移具有更强烈的耦合性。土壤冻结过程中，冻结区水分冻结成冰，使土壤水热状况发生变化，土水系统的动态平衡遭到破坏，水分在土水势梯度作用下不断从未冻区向冻结区迁移。其结果是冻结区冰的含量不断增加，未冻水中的盐分不断积累，并引起土体冻胀。随着气候的逐渐变暖，土壤从表层开始融化，而其下的冻结层阻碍上层融水下渗，致使上层土壤含水率增加，出现春涝、翻浆等现象。在冻融过程中，土壤的水、热、盐分状况发生了剧烈变化。
冻融土壤系统的水分运动作为自然界水循环的一个重要环节，在农业、水资源、环境及人类工程中占有极其重要的地位。这一课题的研究涉及到土壤、农业、水利、水文、气象及地质等多学科理论和相关知识，属于交叉复合型课题。对冻融土壤水分运动的深入研究，掌握其运动规律，不仅有助于促进非饱和带土壤水分入渗和迁移基础理论的发展，而且可为综合评价地表、地下水资源、有效利用土壤水资源、合理确定农田灌溉技术参数提供科学依据。因此，无论在理论上，还是在指导生产实践方面都具有重要意义。
2.冻融土壤水分运动研究在农业生产方面的应用
在农业生产中，土壤水是陆生植物水分的源泉，热量则是生物赖以生存繁衍的基础。土壤中许多物理的、化学的、生物的过程，需要在一定的水分、温度条件下进行。水分、热量条件是影响植物分带及作物产量的决定性因素。在土壤含盐量较高的地区，冻结期盐分随水分运动迁移至表层，融化期随着水分的蒸发，盐分便积累在表层，出现地表泛盐和作物因生理脱水而死亡等现象。同时，在我国北方的大中型灌区，绝大部分冬、春灌溉都是在地表及其附近有冻层的条件下进行的，冬、春灌溉后土壤水分的保持和运移、农田灌溉合理灌水技术参数的确定都与土壤水分运动密切相关。因此土壤水分运动规律的研究对于农业的可持续稳定发展至关重要。随着水资源的日益短缺，我国农业用水所面临的形势极为严峻，农业节水灌溉和高效用水已成为全社会所重视和关注的重大问题之一。
21世纪世界农业灌溉的发展趋势之一是灌溉方法仍然以地面灌溉为主，喷、微灌面积逐步扩大。到目前为止，我国95%以上的灌溉面积仍采用传统的地面灌水方法，而且可以预测，在今后很长一段时间内，地面灌水方法在我国农业灌溉中仍占绝对的主导地位。在中纬度地区，出于满足越冬作物水分需求、对水资源供需矛盾调节、污废水利用、灌水习惯和农事、劳动力安排等方面的考虑，冬小麦冬灌、秋地储水灌溉和播前灌溉以及盐碱地的冲洗灌溉等各种灌水，在早冬和早春进行的频度很高，且随着水资源供需矛盾的突出日益增高。如山西省汾河灌区（灌溉面积150万亩，占到全省灌溉面积的10%）的秋地储水灌溉、冬灌及早春灌溉以及汾河冬季污水的利用灌溉都是在地表冻结的条件下进行的。汾河灌区的冬灌一般开始于11月上旬，一直延续到12月中下旬，几乎全部冬灌都在夜冻昼融或地表已稳定冻结的土壤条件下进行。春灌一般开始于3月上旬，此时，地表耕作层土壤处于夜冻昼融的状态，耕作层之下的犁底层处于完全冻结状态，犁底层的完全解冻一般年份在3月下旬或4月上旬，因此大部分春灌也是在冻融条件下进行的。据统计，汾河灌区多年平均供水量2.5亿m3，其中60%（1.5亿m3）在冬、春季节实施灌溉。冻融期间土壤水分运动规律的研究在农业灌溉中的应用主要表现在以下两个方面。
（1）冻融期地面灌溉合理灌水技术参数的确定和灌水效果和灌溉质量的评价。在现行的地面灌溉技术中，灌水技术参数包括灌溉单宽流量、畦田规格、放水时间或封口成数等。这些灌水技术参数的合理确定和灌水质量的评价都以土壤水分入渗参数为依据。
（2）地面灌溉灌水技术参数优化技术。随着地面灌溉水流运动理论的成熟，计算机模拟技术和优化技术在地面灌溉水流运动模拟中的应用，地面灌溉灌水技术参数优化技术即将广泛应用于地面节水灌溉中。而地面灌溉灌水技术参数优化技术是以已知的土壤入渗参数为前提的。土壤入渗参数取值的正确与否决定着模拟灌水技术参数的正确与否。因此，冻融土壤入渗规律的研究对地面灌溉灌水技术参数优化技术的应用至关重要。
3.冻融土壤水分运动研究在水资源预测评价中的应用
在中纬度季节性冻土地区，河流有夏汛和春汛之分。春汛是由于冰川和积雪融化所致。融雪所产生的河川径流为融雪水量扣除土壤入渗后的部分水量，冻融土壤水分运动规律的研究成果可应用于融雪入渗量的计算中，为融雪径流量的计算提供参数和依据。
地球上的大气降水、地表水、土壤水、地下水等不同类型的水分处于不断的循环和转化之中。非饱和土壤水分将地表水和地下水联系起来，土壤水分入渗、迁移、腾发与转化是全球水循环的重要环节。土壤水分入渗、腾发、迁移与转化规律对于研究地下水资源的补给与消耗、地表水资源与地下水资源的合理开发利用具有很大意义，在“四水”转化关系研究中具有重要地位。地下水资源的评价与计算中，潜水蒸发、河渠补给和灌溉入渗补给是其补给及消耗项的主要组成部分。非冻融条件下上述各项资源量的计算依据研究较为深入，而冻融条件下有关参数的研究甚少。冻融土壤水分运动规律的研究可为越冬期潜水蒸发量、河渠入渗补给量和灌溉入渗补给量的计算提供依据，有助于合理评价地下水资源。
此外，与地表冻融有关的工程冻胀、盐胀、土壤中污染物迁移等问题的解决也依赖于冻融条件下土壤水分运动的研究。总之，冻融条件下土壤水分的迁移与转化是水文学、农田水利学、土壤物理学、农业气象学、水文地质学、冻土学等学科研究的重要领域。它的研究对于综合评价地表、地下水资源，有效地利用土壤水、热资源，合理确定农田灌溉技术参数，合理解决寒区和极地资源的开发、工程建设和环境保护的开展及土壤盐渍化防治等实际问题都具有重要意义。
本论著是国家自然科学基金项目“水分在非饱和冻融土壤中入渗和保持的研究”、山西省水利厅农村科研费资助项目“冻融条件下地面灌溉效果及灌水技术参数研究”以及太原理工大学青年基金项目“季节性冻融过程中土壤水热耦合迁移的数值模拟及其应用研究”的综合研究成果。项目选择山西省汾河灌区为试验基地，以大量的田间土壤水分入渗和灌水试验为依据，结合冻融土壤水热盐耦合迁移的数值模拟方法，对冻融条件下土壤水分运动规律及其应用进行了系统性研究。主要内容如下。
（1）田间试验。田间试验包括入渗试验、冬灌灌水试验及土壤水热盐迁移试验。入渗试验土壤包括3种土壤质地，8种土壤结构。冬灌灌水试验对1种土壤质地、3种土壤结构进行。所有试验都在山西省汾河灌区进行，试验地点分别是山西省中心灌溉试验站、山西省汾河灌区汾东灌区和山西省汾河灌区三坝灌区。土壤水热盐迁移试验在汾河灌区三坝灌区进行，主要监测自然条件下土壤水分、温度、盐分剖面的动态变化。
（2）土壤冻结、融化规律研究。以室内外实验结果为依据，探讨3种土壤质地、5种含水率及含盐量条件下土壤冻结温度（冰点）的变化规律，分析冻融过程中土壤的温度场特征及其影响因素。
（3）冻融土壤水分入渗规律研究。以不同地表处理条件下的系列入渗试验为依据，对冻融土壤水分入渗的基本特性、阻渗机理、主要影响因素等进行全面分析。
（4）用冻融土壤常规土壤物理参数确定入渗模型参数的方法和模型研究。在对影响冻融土壤入渗特性因素充分分析研究的基础上，找出影响冻融土壤入渗特性的主导因素，建立用冻融土壤常规土壤参数确定入渗模型参数的经验模型。
（5）冻融土壤系统水分迁移规律的研究。在分析季节性冻融期雪层及土壤在冻融过程中水分、温度变化特点及其相互关系的基础上，分别建立了雪层及冻融土壤介质中水、热、盐运动基本微分方程，根据基本方程推导出雪层中的水、热迁移方程、冻土中的水热盐耦合迁移方程及反映负温下土壤未冻水含水率变化的联系方程。结合地、气间水、热交换数学模型，构成全面描述自然条件下考虑地气间水热交换的一维雪、冻融土壤系统水、热、盐耦合迁移数学模型。比较目前常用的数值计算方法，选择适合于模型求解的隐式有限差分方法，采用Newton-Raphson迭代技术建立了相应的数值模拟模型，并采用室内、外试验结果对该模型及其计算方法的正确性和可靠性进行检验和校正。以山西省汾河灌区为背景，用上述模型研究土壤的季节性冻融过程及冻结规律、冻融过程中土壤含水率的变化规律、不同潜水位条件下土壤水分迁移规律、潜水蒸发规律以及不同初始含水率条件下土壤的储水保墒规律、冻融期土壤初始含水率、冬灌对土壤墒情的影响。
（6）冬灌地面灌溉过程和技术参数研究。采用冬灌灌水试验和地面灌溉水流数值模拟相结合的方法，揭示冬灌地面畦灌的灌水过程和灌溉效果特点，建立冬灌灌水技术参数优化模型，并对提高冬灌灌水效果的灌水技术进行研究。
由于冻土介质的特殊性和土壤水分在其中运动的重要性，冻土中水分运动的研究受到世界上许多国家的重视。已经召开的七届国际多年冻土会议分别涉及到这方面的内容，美国公路研究部门及其他国家的类似组织已多次组织了有关专题会议，联合国教科文组织专门开办过寒区水土问题讲习班等等。据不完全统计，除我国外，目前开展这类研究的主要有前苏联、美国、加拿大和瑞典等十多个国家。近20年来，各相关学科的研究工作者从不同角度和研究目的出发，对冻融过程中土壤水、热迁移问题进行了多方位研究，取得了许多重要成果。
1.冻土学研究概况
冻土学的研究包括冻土物理学、冻土化学、冻土力学、工程冻土学、冻土环境学等学科。土壤冻融过程中水、热迁移问题属于冻土物理学的研究范畴。冻土物理学为冻土学的基础研究内容，其研究范围包括：冻土的基本物理性质、结构、构造，土壤冻融过程中的水分迁移、成冰作用及冻胀，盐分迁移及盐胀。
冻土学较为系统的研究始于19世纪末期。1890年俄国成立了冻土研究委员会，开始对冻土进行了比较广泛的研究。进入20世纪后在苏联时代，冻土学研究发展较快（崔托维奇，1985；费里德曼，1982），研究内容涉及到冻土物理学、冻土力学、土壤水热改良、工程稳定性等。在美国、加拿大等国，从20世纪开始，自然资源的开发利用直接推动了冻土学的不断发展。
1963年举行的第一届国际冻土大会（International Conference on Permafrost，简称ICOP），标志着冻土学的研究进入了新阶段。此后从1973年起每隔5年举行一次ICOP，以交流各国在冻土学领域的研究成果。在1983年举行的第四届ICOP上，由中、俄、美、加四国倡议成立了国际冻土协会（International Permafrost Association，简称IPA）。
我国的冻土学研究起步较晚，但发展较快，目前已跻于国际先进行列。我国主要的研究单位有：中国科学院兰州冰川冻土研究所，水利、公路、铁路、建筑等行业的设计、科研院所及相关的高等院校等。
中国于1982年成立了中国地理学会冰川冻土分会，并举办了全国冰川冻土学大会，交流国内外相关领域的研究成果，对推动冻土学的发展起了很大的促进作用。
2.地气界面间的水热交换研究
从能量平衡过程看，低层大气中所发生的各种物理现象，基本上都是在下垫面（如土壤、植被、水面等）影响下形成的。不同的下垫面具有不同的物理特性，在邻近下垫面的近地气层和土壤上层出现复杂的物质、能量交换过程，并对小气候的特点和形成规律产生重要影响。
下垫面由于吸收来自太阳的直接辐射和天空散射辐射（短波辐射）而升温，同时也因长波辐射而降温。短波辐射与长波有效辐射之差即为下垫面所获得的净辐射。白天，太阳短波辐射一般大于长波有效辐射，下垫面所获得的净辐射将通过向上的显热通量和向下的土壤热通量分别使近地层的空气、上层土壤增温；夜间下垫面净辐射为负，需要依赖近地层空气和土壤层来补充热量。因此近地层大气和土壤上层的温度状况受着下垫面的强烈影响。
下垫面是低层大气中水汽的主要源泉。当下垫面发生蒸散而将水汽输送到大气时，也要消耗大量的蒸发潜热。蒸发潜热也是下垫面热量平衡中的重要组成部分。当下垫面发生凝结现象时，会有相应的潜热释放。这种依赖于下垫面的水分循环过程对小气候的形成亦起着重要的作用。
近地气层中的温度和湿度的垂直分布与热量、水分的收支状况有关，因此下垫面向上和向下的热量输送、水分输送也是决定近地气层、土壤上层气候特点的基本因素。地气界面间的水热交换作为冻融土壤水热迁移的上边界条件，对于采用数学物理方法研究土壤水热迁移规律是必不可少的。
目前用于确定地气界面间水热交换通量的方法主要为微气象学方法，包括空气动力学法、能量平衡法、能量平衡-空气动力学法和涡度相关法等。这些方法在生产实际中均有一定的应用价值，但各有其优缺点。其中，能量平衡-空气动力学相结合的综合法考虑了下垫面和近地表大气的特性，具有很好的物理背景和依据，是了解地表水热交换动态变化过程及其影响因素的基本方法，在土壤水热耦合迁移过程的研究中，已得到了广泛的应用。
在不考虑土壤水平方向热交换量的情况下，根据能量守恒定律得出的下垫面的能量（热量）平衡方程为：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，Rn为净辐射；G为土壤表面热通量；LE为土壤蒸发潜热通量；H为显热通量。
地表潜热通量LE、显热通量H与水热状况和近地表小气候有关，一般用阻抗模式来计算。Penman在1948年最早采用该方法研究潜在腾发，提出了著名的Penman公式。在潜在腾发的计算模式中，只考虑了大气边界层空气动力学阻抗ra。Monteith在1963年提出了表面蒸发阻抗rs的概念，为计算非饱和土壤水分蒸发开辟了新途径。
空气动力学阻抗ra取决于近地层空气的风速分布。当风速廓线近似于对数分布时，可近似认为这一层内的热量、水汽传输阻抗与动量传输阻抗ra相等，其值可根据大气紊流边界层理论计算。
受地气间温差所引起的浮力效应的影响，风速的对数廓线不再成立。此时，热量、水汽传输阻抗与动量传输阻抗不再相等，需要对其计算模式进行修正。Camillo和Gurney（1986）用大气稳定性修正因子表示这种影响，这两个修正因子与Monin-Obukhov长度有关；Acs等（1991）在土壤含水率和地表温度的耦合预报模型中采用该方法对大气稳定性进行了修正。
表面蒸发阻抗rs的确定比较困难，目前既无理论预测，又缺乏试验资料。林家鼎和孙菽芬（1983）认为，对于同一种土壤，蒸发阻抗变化主要与地表土壤含水率θ有关，而且与θ的某负次幂函数成比例，并根据实测数据给出了rs的经验表达式。Camillo和Gurney（1986）认为可将rs视为一个拟合参数，通过实测数据与模拟结果的比较来拟合rs，使计算和试验结果相吻合。据此，他们也提出了相应的rs与θ的经验关系。
在土壤水热迁移研究中，地表能量平衡方程（或与其他方程相结合）一般作为上边界条件来处理。在一定的时间、地点、气象条件下，地表能量平衡方程中的各分量均为地表含水率、温度和温度梯度的函数。一般情况下，表土水分在短时间内可认为保持不变，因此能量平衡方程仅是地表温度及其梯度的函数，对此可有不同的处理方法。其中一种是将该方程视为地表温度的非线性隐式方程，通过方程求解得到地表温度；另外一种是通过潜热、显热计算地表热通量，将其作为热方程的第二类边界条件。
3.冻融土壤水分运动问题的实验研究
1）室内实验研究
土壤水分运动规律的研究最早始于法国的Darcy，1856年他根据饱和沙土的渗透试验，得出了渗流通量与水力梯度成正比的著名的达西定律。1931年Richards将这一规律应用于非饱和土壤水，认为非饱和土壤水分通量ql可表示为：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，Ψ和Ψm分别为土壤的总土水势和基质势；K（Ψm）为土壤非饱和导水率。
在冻土的研究过程中，水分通量一般采用上述表达式，但冻土基质势目前还不易测定。假设土壤基质势与冻土未冻水含量之间存在一一对应关系，那么冻土中的水分通量亦可用未冻水含量θu的梯度来表示：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，D（θu）为土壤水分扩散率。
20世纪80年代，美国陆地寒区研究与工程实验室（US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory，简称CRREL）进行了一系列室内试验，以探索冻土中水分迁移的机理。Nakano等（1982，1983，1984a，1984b，1984c）、Nakano和Tice（1987）对等温条件下的水分迁移进行了室内实验研究，认为水分迁移通量取决于土壤总含水率（包括未冻水和冰）的梯度。
Konrad和Morgenstern（1981）进行了不同温度梯度下冻土中的水分迁移试验，根据试验结果得出了水分迁移通量与温度梯度ΔT成正比的结论，即：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
其中参数SP称为分凝势（Segreation Potential），它与具体的试验条件和土壤冻结速度、土壤含水率等因素有关。这一参数的复杂性使得其应用受到很大限制。
自20世纪70年代以来，中国科学院兰州冰川冻土研究所对土壤冻结特性、冻结条件下的水分迁移、成冰作用及冻胀、盐分迁移及盐胀等问题进行了大量的室内实验研究（Xu等，1985；徐学祖和邓友生，1991；徐学祖等，1995；Chen和Wang，1985，1991）。根据其研究结果，冻土中的水分迁移与冻结缘中的土水势梯度有关，而该梯度主要取决于土体的性质、边界条件、冻结速度和冻胀速度等因素。
根据上述试验研究结果，非饱和冻融土壤水分迁移的推动力主要包括土壤含水率梯度（土水势梯度）和温度梯度（Nakano，1991），二者既可以相互独立，也可以相互依赖。
到目前为止，对于冻土中水流问题的研究，多采用与土壤非饱和水流类似的方法，即引入土水势的概念（Hillel，1980；雷志栋等，1988），用能量观点进行。这样可以对土壤的冻结区、非冻结区进行统一分析，便于用数学、物理方法对冻土中水热耦合迁移问题进行统一研究。
2）室外试验研究
室外试验研究主要包括与农业水资源高效利用及土壤盐渍化改良有关的田间入渗试验、水热盐迁移试验和与工程建筑物冻胀防治等问题有关的现场试验。
冻融土壤的入渗特性的试验研究开始于20世纪60年代。Stoeckjer和 Wetzlllan（1960）认为冻融土壤的入渗特性与土壤冻结类型有关。把冻土分为水泥状冻结、多孔状冻结和粒状冻结三种类型。水泥状冻土多为细粒结构，土壤含水率较高，由许多复杂的薄冰透镜体组成，常为密实块状，类似于水泥地。粒状冻土颗粒粗，土壤含水率较低，冰晶在土粒周围聚集但彼此分离。多孔状冻土的特点介于以上二者之间。Sthecker和Weitzman（1960）曾用单环入渗仪测了三种类型冻土的入渗率，同质地土壤水泥状冻土入渗率极小，粒状冻土比未冻前入渗率更高。Boombny和Wang（1969）室内测定了不同初始含水率的土样在快速冻结条件下的渗透性，发现当土壤的饱和含水率和初始含水率之差小于0.13 m3／m3时，冻土属于水泥状冻结，其渗透性可忽略。
大多数学者认为影响冻土入渗特性的主要因素是冻结时的含水率。Kane和Stein（1983）用双环入渗仪在美国Alaska季节性冻土中做了不同含水率条件下的入渗试验，结果表明季节性冻土中的入渗曲线类似于非冻土，土壤初始含水率愈高，入渗率愈小。Lee和Molnau（1982）经分析入渗试验结果发现，土壤的稳定入渗率与冻结期土壤含水率具有很强的负相关关系。
土壤质地对入渗特性也有很大影响。瑞典农作土壤的质地主要为重粘土，其入渗率变化在0.004～5.0 mm/min之间（Kapotov，1972；Engelmark，1987）。低入渗率主要是由于土壤质地粘重和高含冰量导致的低渗透性造成的，而高含冰量除了受冻结期高土壤含水率的影响外，还受冻融期融雪水入渗、重新冻结的影响；高入渗率则是粘土冻结后形成宏观垂直裂隙的结果（Thunholm和Lundin，1989）。
Zuzel和Pikul（1987）用模拟降雨装置测定了茬地、冬小麦田和犁地在深秋冻结之前、冬季冻结期和春季消融期的入渗率。同质地土壤犁地入渗率最大，冬小麦田入渗率最小。比较冻前、融后的土壤入渗率，结果并无太大变化，说明不同耕作措施条件下的土壤并不因为冻结过程而改变其入渗特性。Pikel，Zuzel和Wilkins（1991，1992）做了土壤冻结期已耕地和未耕地在两个不同冻层厚度下的入渗试验。当冻土深度为0.12 m（小于耕作深度）时，已耕地土壤入渗率大于未耕地；当冻土深度大于0.35 m时，已耕地和未耕地土壤入渗率相差很小。
在冻土分布区，地面冻结、土壤入渗能力降低是融雪产生地表径流、水土流失的主要原因（Kalyuzhnyi，1980；Zuzel和Pikul，1987）。美国Alaska地区地表径流量占融雪水总量的25%～47%（Kane和Stein，1987），而在Oregon北部地区地表径流量占融雪水总量的4l%～49%（Zuze，1982）。为了减少水土流失、增加土壤入渗，许多学者研究了不同土地管理措施下的土壤入渗规律，为当地优化水土保持措施提供了依据。
近年来，我国季节性冻土分布区有关部门、科研院所的科技工作者，结合当地生产实际对冻土中水分、盐分迁移及水工建筑物冻胀防治等问题，进行了大量的野外现场试验及应用研究，取得了一批有意义的研究成果。朱强（1988）、Zhu（1993）研究了季节性冻土区的冻胀问题；内蒙古自治区水利科学研究所（1987）、Wang（1993）、赵东辉（1997）对冻结过程中土壤水分、盐分迁移进行了试验研究；张转放等（1992）研究了北京地区土壤在两种灌溉定额下的冻后聚墒特点；郭素珍（1996）对内蒙古河套灌区秋浇时间对水盐运移和农业环境的影响进行了试验研究；太原理工大学樊贵盛和郑秀清等（1997，1999，2000）、郑秀清等（2000，2001）、邢述彦（2002）在国家自然科学基金的资助下，从冬春灌溉用水管理的角度出发，研究了田间冻融条件下土壤的入渗特性；黄兴法等（1993）在山东禹成对冬春季节土壤水分、温度、盐分的变化过程进行了观测，并对其变化规律进行了分析；尚松浩等（1997）对北京地区越冬期土壤水热迁移规律进行了研究。
4.冻融土壤水分运动问题的理论研究
对于土壤中水流和热流问题的研究，在早期是相互独立进行的，二者分别建立了自己的理论体系，并在各自的研究领域对求解方法进行了较为深入的研究。
对于土壤非饱和流问题，将达西定律与水流连续方程相结合即可得到土壤水分非稳定运动的基本方程（Richards方程）
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，θ、t分别为土壤含水率、时间；其他符号同前。
土壤热流的研究始于20世纪40年代末期，将Fourier导热定律应用于土水系统，由能量守衡原理可得到土壤中热流的基本方程：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，T、C、λ分别为土壤温度、体积热容量和导热率。
1957年Philip和de Vries开创了土壤水热耦合研究之先河。他们基于多孔介质中液态水粘性流动及热平衡原理，提出了水热耦合迁移模型（Philip和de Vries，1957；de Vries，1958）
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
式中，q、ql、qv、qh分别为土壤中的总水分通量、液态水通量、水汽通量和热流通量；Dθ、DT分别为水分、温度梯度所引起的水分迁移的扩散率；ρl、Cl分别为液态水的密度和热容量；Dθv为水分相变时的扩散率；L为参考温度T0时的相变潜热。
以上模型考虑了温度梯度对水分运动的影响，水的相变及水分对温度的影响。
在Philip-de Vries模型的基础上，人们对土壤水热耦合问题进行了更广泛深入的研究。Kay和Groenvelt（1974）在水分运动方程中，以土壤含水率θ和温度T为独立变量，将含水率梯度作为土壤水分运动的驱动力，该项研究没有反映出土壤水分运动的物理本质，并且只适用于均质各向同性的土壤系统。Milly（1982）在此基础上，采用了以土壤基质势和温度为变量的土壤水、热耦合方程，使之能够适用于非均质土壤，并用有限元法模拟了等温、非等温条件下的土壤水分运动。de Vries（1987）对此前这一领域的研究进行了综合评述。Chung和Horton（1987）研究了地表有部分作物覆盖条件下土壤水热迁移。蔡树英、张瑜芳（1991）用该模型计算了不同温度条件下土壤水分的蒸发过程。土壤-植物-大气连续体（SPAC）中水热迁移的研究是土壤水热迁移问题的引深，目前已进行了大量的研究工作（Camillo等，1983；Van de Griend和Van Boxel，1989；康绍忠，1994；吴擎龙等，1996；李家春和欧阳冰，1996）。
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，对该问题的研究30多年来已取得重要的进展。自20世纪60年代以来，许多科技工作者对这一问题进行了研究，提出了各种各样的数学模型，这些模型大致可分为两类。第一类是在Philip和de Vries模型基础上建立起来的所谓机理模型（Harlan，1973）。在该模型中忽略了土壤中冰与水的相互作用，认为冻土中的未冻含水率仅与土壤负温有关，与总含水率无关，并与负温处于动平衡状态。土壤未冻含水率与负温的关系（亦称为土壤冻结特性曲线）需根据试验来确定，目前这类模型的应用较多。Harlan（1973）、Taylor和Luthin（1978）、O’neillomd and Miller（1985）等对土壤冻结条件下的水热迁移进行了数值模拟，Jame和Norum（1980）用本质上近似于Hanlan的模型模拟了水平土柱冻结状态下的温度、含水率、含冰率的动态变化，并与室内试验结果进行了比较。Fukuda和Nakagawa（1985），Flerchinger和Saxton（1989），Lundin（1990）采用机理模型模拟了冻土系统中的水热迁移，在模型中考虑了地气间的显热交换，但没有考虑潜热交换和地表蒸发。在冬季地气间潜热通量虽然小于显热通量，但二者为同一量级，忽略蒸发潜热必然会对计算结果产生一定的影响。
第二类模型是应用不可逆过程热力学原理描述土壤水热通量，称为热力学模型（Kay和Groenevelt，1974；Groenevelt和Kay，1974；Kung和Steenhuis，1986）。这一模型与机理模型在土壤未冻区一致，其区别仅在于冻结区。模型中考虑了在温度梯度及水（包括固、液、气三相）势梯度作用下的水、汽、热迁移。模型假定冻土中冰和水处于平衡状态，其化学势相等，并假定冰压力为0，忽略重力影响，利用Clapeyron方程，可得到：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中：pw为水压力；Hf、vl分别为水的结冰潜热和比容；T为土壤温度。
根据这一关系，土壤水势梯度可用温度梯度表示，因此在冻结区的未知量只有温度T，水、汽、热通量均为温度及温度梯度的函数。将这些通量关系与质量、能量守衡原理相结合即可得到冻土中水热耦合迁移的热力学模型。这一模型与机理模型相比，不需要确定未冻含水率与负温的关系。但在模型的推导过程中引入了Clapeyron方程，一般认为该类模型只适用于土壤冻结温度附近的一个有限温度范围，对于较低负温下该模型的适用性尚未得到试验验证。
Kung和Steenhuis（1986）用热力学模型模拟了土柱一端突然降到负温时的土壤冻结过程，其结果与实验规律相一致。计算结果表明，水汽迁移量比液态水迁移量小两个数量级，而对流传热量比传导热量也小两个量级。因此，忽略土壤冻结过程中的水汽迁移，对流传热对计算结果的影响较小。
Shen和Ladanyi（1987）在冻土水、热耦合模型中加入了土体应力场模型，模型中考虑了水热迁移和土体变形，并分别用有限差分法、有限单元法模拟了饱和土壤的冻结过程，其温度剖面、土体冻胀量与试验结果比较吻合。
国内对冻土水热耦合迁移问题的研究起步较晚。杨诗秀（1988）采用机理模型模拟了水平、垂直土柱的冻结过程，并定性地分析了土壤初始含水率对土壤冻胀量的影响。中国科学院兰州冰川冻土研究所（1989）对冻结过程中土壤水分、温度、应力场问题进行了研究。叶伯生和陈肖柏（1990）、胡和平（1990）在水热迁移的机理模型中，引入Clapeyron方程研究冻土中水热迁移问题，这种处理方法不仅存在上述Clapeyron方程的适用性问题，而且还存在该方程与土壤冻结特性曲线之间的相容性问题。李述训和程国栋（1995）对室内土壤冻结、融化过程进行了数值模拟。雷志栋等（1998，1999）模拟了冻结条件下土壤的水热耦合迁移规律，但未考虑气态水迁移及热的对流迁移。郑秀清（2001）采用包括气态水迁移和热对流迁移的水热耦合数值模拟模型，模拟了天然条件下土壤的季节性冻融过程以及其中的水热迁移规律，取得较好的结果。
土壤盐分对土壤冻结状况及其水分迁移有很大影响，正如Cary等（1979）所指出的，当土壤溶液中的盐分在冻结缘积累时，冻结锋面处的渗透压梯度对水分迁移有很大的阻碍作用。即使土壤的含盐量非常低，渗透势和盐分迁移对土壤水热迁移也有很大影响。美国农业部农业工程研究服务中心Flerchinger及Saxton（1989）建立了积雪-残茬-土壤系统中水热迁移的数值模拟模型，考虑了盐分对水热迁移的影响。练国平和曾德超（1988）首次在国内建立了冻土水热盐运动数学模型，在此基础上黄兴法等（1993）对冻结期土壤水热盐运动规律进行了数值模拟，并取得较好的效果。
综合20世纪60年代以来国内外关于冻土水分入渗、迁移问题的研究进展，冻融土壤水分运动问题在理论、计算方法以及室内外试验方面均进行了一定的研究，对其运动规律有了一定的认识，取得了可喜的进展，但由于课题本身的复杂性、测试仪器设备的限制以及研究的滞后性，大多数研究都是模拟室内的土壤冻融过程。由于这类模拟试验土柱的边界条件比较简单，与自然条件下的冻结过程差异较大，因此很难应用于生产实际。有关自然条件下冻融土壤系统的水分运动规律问题有待于进一步深入研究。在土壤水分入渗和迁移方面，存在下列问题亟待解决：
（1）对田间冻土入渗普遍规律的研究缺乏综合性和系统性。尽管国内外对田间冻土入渗试验的研究已经取得一定的进展，但由于研究目的不同、考虑因素单一，其研究多以冰川和积雪地区的区域水资源评价或预测为目的。
（2）对冻融土壤水分入渗的主导影响因素的研究和认识很不够。如研究者对土壤温度对冻结土壤入渗能力影响的认识等。
（3）冻结土壤水分入渗模型的研究还不够深入。纵然就目前的研究手段而言，研究出较好的描述田间冻土水分入渗理论模型存在很大困难，但提出有关冻土入渗的经验模型还是有可能的。但截止到目前，对冻结土壤水分入渗模型的研究甚少。
（4）结合生产实际对自然条件下整个越冬期长时间的土壤冻融过程中水热迁移问题的研究还很缺乏，尤其是对冻融土壤水分保持特性及不同地表条件下越冬期土壤水分的保持特性的研究。
（5）冻融条件下土壤水分迁移的理论还不够完善，对其内部客观物理机制的理解还不够深入，快速、有效的数值计算方法还有待进一步的研究，结合生产实际对天然条件下土壤冻融过程中水热迁移问题的研究成果相对薄弱。
地下水动力学的发展简史
答：虽然人类对地下水的开发利用可追溯到远古时代，但由于地下水运动问题本身的复杂性和受生产力发展水平的限制，人类对地下水运动规律的科学认识是较晚的。1839年和1846年，G.哈根与J.L.M.泊肃叶分别观测到毛管中水流的层流...
土体中地下水运动规律
答：由于土体中地下水存在有巴斯加效应，故在同一个平面上两个点的水头高度不同时，高水头处的地下水就向低水头处流动。流动速度大小受这两个点间的水头差Δh，流通途径l及土体的透水性控制。法国科学家达西进行过实验研究，...
土壤干层对水循环影响
答：蒸发是水循环中最重要的环节之一。由蒸发产生的水汽进入大气并随大气活动而运动。大气中的水汽主要来自海洋，一部分还来自大陆表面的蒸散发。大气层中水汽的循环是蒸发到凝结到降水到蒸发的周而复始的过程。
土壤化学和环境化学研究进展
答：1954年费尔斯曼(А.Е.Ферсман)将风化和土壤形成产物的移动、分异和聚集过程的整个土圈及风化壳称为表生作用带。土壤水分状况对土壤中物质的运动和土壤形成过程具有重要的影响。同时,风化和土壤形成物的侧向和横向再分配、分异...
地膜覆盖下土壤水分的运动规律是怎样的
答：地膜覆盖后，由于土壤水分的运动是由下往上移动，表土的水分含水量高，相对降低了土壤盐分含量，从而起到抑盐的作用。地膜覆盖的作用 一、提高土温。地膜覆盖在冬春季节有提高地温和保墒的作用。地膜覆盖的土壤耕作层的温度，...
土壤水力学参数有哪些?
答：... 土壤水分不饱和导水率是土壤水分研究中的重要参数,是土壤水分定量研究中关键性测定项目。 在水平衡研究中,不饱和导水率是计算土壤入渗水量,地下水补给水量,及测渗水量的必要参数。 ... 可用于土壤毛管渗流量等水力...
根系吸水模型的确定
答：通过宏观方法得到的根系吸水模型也称为根系吸水函数(速率)S,根系吸水函数表示单位时间内根系从单位体积土壤中吸收的水的体积,通常作为源汇项加在土壤水运动基本方程的右端。因此,根系吸水函数可以直接应用于田间实际土壤水分运动的研究。
土壤物理的土壤水分
答：土壤含水量的多少，虽然关系到水分在土壤中的运动状况和植物生长状况;但土壤水分的能量状态,即水分被土壤保持的牢固程度，往往比水分含量更为重要。水分的能量可以水分吸力、张力或水势表示。一个平衡的土－水体系所具有的能够...
土壤中的水是怎么运动的
答：=== 土壤溶液 == 土壤中水分的主要来源是降雨、降雪和灌溉。在地下水位接近于地面（2～3m）的情况下，地下水也是上层土壤水分的重要来源。水分进人土壤以后，由于土粒表面的吸附力和微细孔隙的毛细管力，而把水保持住。
土壤水存在形式和土水势的关系?
答：在土壤学中，根据对土壤水的研究方法的不同有两种土壤水分分类，一种是从能量的点来研究土壤水，从而形成水的能量分类，它主要研究水的能量状态和水的运动，主要用于研究分层土壤中水分运动、不同介质中水分的转化（蒸发、...