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标题 加格达奇东小河地下水溢流积冰影响因素
范文 戴长雷 冯慧厅 于成刚 刘月 李晨宇



摘要： 黑龙江省大兴安岭地区的加格达奇区属于典型的高纬度寒区，是我国地下水溢流积冰问题最严重的地区之一。东小河位于加格达奇市区东部，是区域溢流积冰现象的代表性区域。采用实地踏勘和水文地质物探等方法，分析了该地区溢流积冰现象形成三个阶段及其特征，特别是气象因素、流域下垫面因素、冻土层因素的影响，指出加格达奇区流域下垫面因素中的浅薄含水层和冻土层因素是该地区独特的溢流积冰现象形成的关键因素。
关键词： 地下水溢流积冰；形成规律；浅薄含水层；冻土；影响；大兴安岭
中图分类号： P641.1 文献标志码： A 文章编号：
1672-1683（2016）03-0012-05
Abstract： Jiagedaqi District of Greater Khingan Range area in Heilongjiang Province，located in the northeastern part of China，belongs to the typical high altitude cold regions，and is one of the most serious groundwater overflow icing problem areas in China.Located in the east area of Jiagedaqi，East River is a representative area of the regional overflow icing phenomenon.With the methods of field reconnaissance survey and hydrogeological exploration，this article not only analyzed the three formation stages and characteristics of the overflow icing phenomenon in the region，especially the meteorology，watershed underlying surface and frozen layer on the influence of the phenomenon，but also pointed out that the shallow aquifer in the watershed underlying surface factor and frozen layer of Jiagedaqi District were key influencing factors to form the unique overflow icing phenomenon in the region.
Key words： underground water overflow icing；formation rules；shallow aquifer；frozen layer；influences；Greater Khingan Range
1 问题的提出
我国东北地区属于高纬度低温寒区，大小兴安岭山前地带第四系孔隙含水层埋藏浅、厚度小，冬季严寒而漫长，其中黑龙江省大兴安岭地区的首府加格达奇区是国内地下水溢流积冰问题最严重的地区之一。加格达奇的沼泽地、水湿地比较发育，遍布于低洼、缓坡地带[1]。其地下水埋深多为065～180 m，地下水年变化幅度为100～200 m，地下含水层浅薄，一般为5～7 m，最厚14 m。赵秀娟[2]、蔡文国[3]等对加格达奇区地下水溢流积冰现象进行过初步研究，维克多.瓦西里耶维奇.舍佩廖夫（V V Shepelev）[4]等对冻土区的地下水基础及寒区冻结层上水的形成规律进行了详细的探讨，杜绍敏[5]等对加格达奇典型积冰段两岸裂隙进行了物探，刘月[6]对东小河地下水溢流积冰的规律进行了勘测和分析。本文结合已有研究成果，在实地调研的基础上，对加格达奇东小河地下水溢流积冰的影响因素进行分析，重点对其中的气象因素、流域下垫面因素以及冻土层因素进行了探讨，以期丰富这一寒区典型水文地质现象的相关研究。
2 加格达奇东小河地下水溢流积冰规律调查
加格达奇地区主要依北部山脉而建，向南部扩展直至甘河南岸。贯穿城区的东小河主要靠北部山脉山上和山前汇水而成。东小河位于加格达奇城区东侧，河长9 km，枯水期河最宽为5 m，流域面积约10 km2。东小河源头为加格达奇北区（地理坐标为N50°26′，E124°11′）三面环山的一个低洼地带，地下渗水汇集形成了沼泽。东小河河道属于典型的山区型河流，夏季水量最大，主要来自降雨补给；冬季则主要接受汇水区内地下水的渗流补给。
对东小河典型河段沿岸开展水文地质物探，得出东小河左右岸由碎石夹黏砂土、碎石、砾石等组成，两岸都存在规模、走向不一的破碎带，有形成连通地下水层与天然河道的导水途径，可以使地下水补给河水发生溢流现象。同时结合春季枯水期实地踏勘，发现东小河的积冰体主要集中在河流的底部，厚度在045～160 m，河道积冰量比较多，且溢流积冰处并没有明显的地表水注水口，说明确实有地下水溢流形成的集中汇流点。
加格达奇的东小河溢流积冰是在特定气象条件、地形地势和水力作用下产生的冰情现象，其溢流积冰的演变经历着一个复杂的过程，在此将该过程大致分为地表水结冰、地下水溢流和溢流出的地下水结冰三个阶段。由于在严寒的气候条件下，冻结与溢流相伴而生，因此这三个阶段没有严格的先后次序。
第一阶段：加格达奇地区每年9月份开始进入冬季，在11月份东小河的河道结冰厚度达到最大。
第二阶段：在地面一定距离以下，由于上方土壤的保温作用，地下水仍以水流的形式存在。加格达奇区的多年冻土层在含水层下部形成隔水底板，随着外界温度继续降低，季节性冻层中的地下水结冰体向下自然延伸形成压水顶板。当山区地下水沿着浅薄的含水层向下泄流的过程中遇到厚达35米的弱透水冻土层时，由于山体与河床形成的地下水水头差较大，当地形切割达到含水层隔水底板时，地下水被迫从两层接触处出露成溢流泉，在冬季冰封的冰盖下面突出，迫使冰面破裂鼓起，溢流便在连底冻的河床上发生。
第三阶段：溢流出的地下水在外界环境低温的作用下会再次冻结成冰。
东小河地下水溢流积冰示意图见图1 ，形成的溢流积冰体见图2。
3 气象因素的影响分析
加格达奇地处黑龙江省西北部，大兴安岭山脉的东南坡，冬长夏短，四季分明，且冬季气候寒冷。无霜期为85～130 d，冬季从9月到次年5月结束。气象因素主要包括气压、气温、湿度、风速、降水和日照，根据实地调研发现冬季的室外温度、风速、阳光辐射、大气降雨的覆盖厚度以及冬季冻结的无雪期均符合溢流积冰体形成的条件，其中对溢流积冰影响最大的是气温和降水两个因素，气温主要影响溢流积冰体形成的起止时间，而降水则主要影响溢流积冰体的强度及规模。
3.1 气温的影响
加格达奇为高纬度高寒地区，其多年平均气温为-08 ℃，6月份出现最高气温，月平均气温为150 ℃，1月份出现最低气温，月平均气温为-233 ℃[3，7]。近40年来，加格达奇区年平均气温呈现出明显的上升趋势[8]，而且夏季年最高气温低于年最高地温，冬季由于地面覆盖积雪的隔热保温作用，年最低气温也低于年最低地温[9]。每年冬季，大气温度低于0 ℃且持续时间长，随着气温的降低，溢流出的地下水会迅速结冰，冰层的厚度逐渐增加。当春季气温回升以后，冰体将完全融化形成径流。因此，温度是影响积冰体的形成及其生成量大小的重要因素[10]。
3.2 降水的影响
加格达奇区多年平均年降水量4986 mm，降水量年内分配非常不均匀，3月-5月的降水量仅占年降水量的129%，易出现春旱。降水主要集中在汛期6月-9月，占年降水量的807%。最大月降水量发生在7月，占年降水量的302%。11月至次年3月降水量仅占年降水量的51%[3，7]。加格达奇降水量年际变化很大，近40年来年降水同气温的逐年段上升趋势不同，降水量有明显的丰枯交替性，阶段性变化呈现出增多（1971年-2000年）、减少（2000年-2010年）交替出现的特点[8]。加格达奇区内东小河水量主要取决于北山前山上汇水和夏秋两季降水。
为了探究夏秋两季降水量对溢流积冰体的强度及规模的影响，结合2013年-2014年的实地调研情况如下。
加格达奇东小河桥头段左、右两岸有护坡，河道呈等腰梯形见图3。图中河道下方用虚线表示河底，上方实线表示冰面，h为冰厚。已知东小河全长L=9 000 m；L底=5 m；H高=2 m；边坡系数m=1。
对以上数据计算取平均值得13587 cm，由此估测计算2013年东小河结冰总体积为77 850 m3。
（2）2014年3月17日在临近东小河上方大桥的河心处，采用冰钻在同一控制断面钻孔的方法测量，东小河冬季积冰量计算选取河段为东小河桥头段L河=324 m的数据。得到实测冰厚数据见表2。
对以上数据计算取平均值得634 cm，由此计算估测2014年东小河结冰总体积为31 944 m3。
（3）经过实地踏勘并结合当地水文部门的调研数据发现，加格达奇2012年夏秋季节阴雨连绵降雨量充沛，导致全年降雨量高于往年，同时使得地表水较平常年份多，经过一段时间的下渗以后，地下水位也较往年偏高，且溢流积冰体的形成和发育比以往年加快，危害也更加严重。而2013年夏秋季节少雨，地表水少于往年，地下水位也下降，同时冬季降雪也少，总体来说溢流结冰现象不够明显。由于地下水中冻结冰层的水量补给主要依靠大气降水以及地表水提供，因此溢流积冰体的形成及发育与降水量密不可分。直观上说，以东小河同一座桥底部平面为基准，2013年春季冰面距桥底面仅为142 m，而2014年春季冰面距桥底面高达516 m，即2013年春季比2014年春季加格达奇东小河形成的溢流积冰体积明显增大，且造成的灾害也更加严重，这与前一年秋季的降雨量有很大关系。
大气降水是加格达奇区地下水的主要补给来源。除了前一年夏秋季降水量的积累以外，冬春季节的降水量也是形成溢流积冰体的重要因素。一般情况下，冬季降雪除部分水量蒸发外，其余几乎全部都会储存在河流上表面，雪的隔热保温作用可以直接影响冰的消融并且减弱冰的强度，除此之外，春季回暖时雪融化后会形成融雪径流，在汇入河槽的同时增加水流动力[11]。
4 流域下垫面因素的影响分析
经过多次的岩浆活动和构造运动，加格达奇区地质结构复杂，其东北部为混合变粒岩和花岗岩的接触带，由于混合变粒岩很容易被风化成为砂状，相对来说花岗岩比较完整不易风化，可以起到阻水作用，从而使得地下水径流受到阻力形成壅水。当地下水水头明显高于地面时，地下水就从该接触带排出。该接触带裂隙发育，因此成为裂隙水的富集带[3]。
4.1 流域地形特征
加格达奇区山势平缓、起伏不大，属低山丘陵地带；地势走向为西北高东南低，平均海拔大约为472 m，从该地区主要流经的河流为甘河。甘河是嫩江支流，发源于大兴安岭山脉东侧山麓，从西向东经加格达奇城区南侧流过。加格达奇市坐落于甘河的阶地上，其中东小河是注入甘河的一个北部支流。
不同的地形特征条件下形成的溢流积冰现象有很大差异。东小河周围形成的溢流积冰体主要分布在背阴面的山坡、山岭以及纵坡变化比较明显的坡脚处；在同一山坡的前提条件下，其下半部比中部出现的积冰多，阴面坡比阳面坡出现的积冰多，而且发育的积冰体的量也较大、时间也较长[12]。除此之外，河道的弯曲程度也是影响溢流结冰的因素，河道越弯曲，溢流结冰的现象越明显，积冰体越厚。
4.2 汇水因素的影响
加格达奇区的地下水为第四系孔隙潜水，含水层浅薄且有承压性，其埋藏深度为065～180 m，年变化幅度为100～200 m，本区地下水主要补给来源为大气降水入渗及山前侧渗，含水层浅薄，一般5～7 m，最厚14 m。在夏季的时候整个地区的河流水位比地下水的水位高，此时主要是河流补给地下水，而在冬季的时候由于降水的减少，导致最后河流的水位线较地下水的水位线低，此时则是地下水补给河流。加格达奇地处在山区，属于闭合流域，河流在冬天的时候主要是山脊作为分水岭的补给形式。东小河所处的地方，地下水水量充沛，而且基岩裂隙比较发达，可形成良好的导水通道，地下水可以直接溢流排出并因低温而结冰。
5 冻土层因素的影响分析
加格达奇处于大兴安岭地区的冻土活动层，属零星岛状多年冻土区，且季节性冻土与多年冻土衔接，其冻结时间大致开始于每年9月份，平均冻土深度接近10 cm，至冬季3月份时冻土深度达到最大值，随后便进入冻土的融化过程，8月份冻土几乎全部融化，其厚度接近0 cm[13]。其中，多年冻土以不同大小规模的岛状形式零散的分布于各融土区域中，多年冻土的规模由北向南逐渐减少，具体为由一百多米逐渐减少至几十米。除此之外，该区域多年冻土的连续率为5%～40%，且岛状冻土多分布在河漫滩、山间阶地和谷地等处[14]。
季节性冻土层的厚薄及其是否与多年冻土衔接，是影响溢流积冰体形成速度快慢以及规模大小的重要因素[15]。在地下水比较丰富的地段，季节性冻土层越厚，发育形成的溢流积冰体规模就越大。冬季有积雪堆积和冻土存在时，会改变土壤包气带的厚度以及土壤水分的动态运动规律，同时降雨径流的关系也会受到制约。除此之外，冻土层特有的作用，包括不透水、可以蓄水调节以及抑制蒸发等作用，均使其大气降水入渗和所处地区的地下水补给排泄等情况与无冻期明显不同[16-19]。
冻土地区的地下水分为三种类型，即冻结层上水（活动层地下水）、冻结层间水和冻结层下水[2，20]。能够引起溢流积冰状况的主要为冻结层上水，后两者不予考虑。冻结层上水来源于大气水，主要埋藏于季节融化层里，其中多年冻土的上限即为冻结层上水的隔水底板，冬季封冻的季节性冻层的下限即为冻结层上水的压水顶板。具体来看，加格达奇的地下水所处渗漏区溢流排出的即为冻结层上水，然而由于季节融化层的存在时间和厚度存在着明显的季节和南北地理位置的差异，因此冻结层上水的存在时间和地下水的含水层厚度也随着季节和地理位置的不同而变化。
6 结论
加格达奇大部分地区都位于大兴安岭的多年冻土区，其线路大多都自沟谷以及山麓平原穿行而过，且该地区具有较厚的砂层和砾卵石，其颗粒粗而松散，同时地下水含量丰富并且水位埋藏较浅，汇流能力强，当夏秋季节降水较多时，加格达奇的东小河地段在寒冷的冬季就会出现明显的溢流积冰现象。
综合以上各影响因素可以发现，大气降水为补充该地区的地下水提供了物质基础，东小河所处流域的下垫面特征为地下水的流动提供了良好的导水通道，加格达奇区所处的冻土层则为冬季地下水的溢流提供了动力基础。除此之外，冬季长时间的低温不仅加速了地下水隔水顶板的形成，而且使得溢流出东小河冰面的地下水得以再次结冰。其中，浅薄含水层以及冻层因素是形成该地区溢流积冰现象的主要影响因素，而且各种影响因素相辅相成，缺一不可。本文的相关工作丰富了以往林业部门与寒区水文部门以及俄科院冻土研究所关于地下水溢流的实践与探讨，但相关认识仍待进一步补充与完善。
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