凍土活動層水運動及地下冰凍融過程示蹤裝置及方法與流程

本發明屬于水文實驗技術領域，特別涉及一種用于監測凍土活動層水運動及地下冰凍融過程的示蹤裝置及實現方法。

背景技術：

隨著全球變暖，冰凍圈及其所影響的生態環境正面臨著巨大的挑戰，凍土區的水文物理過程正在發生改變，將面臨凍土活動層水分變化、地下冰融化等問題，水資源銳減問題日益突出。

凍土退化及其水文效應研究日益引起人們的重視。國際上相關研究表明，在凍土退化背景下，冬季河川基流和暖季徑流顯著增加，并將其歸結于地下冰融化、活動層加深、融化季節延長的產流機制。但是活動層水及地下冰融水到底如何分配、終歸何處？其參與水文(地質)循環的時空尺度如何？地下冰融化對水資源量的貢獻如何，又將如何變化，并如何影響寒區水文、生態和區域社會經濟可持續發展，相關問題懸而未決。

我國至今對凍土區的活動層水運動、地下冰研究較為匱乏，主要集中在地溫、冰溫的數值模擬方面，由于研究手段的單一以及野外觀測的低效性，缺少對于活動層水運動、地下冰凍融過程的實際觀測及數據，亟待在小流域尺度上的深入試驗和長期監測。

溶質、同位素作為重要的地球化學指標，已應用于極地地區的埋藏冰研究，可有效追蹤冰層水分來源以及融化后的去路。溶質同位素作為人工示蹤劑技術廣泛應用于水文學研究中，通過開展實地實驗，人工投放示蹤劑，研究活動層水、地下冰的溶質同位素含量的時空變化，可準確示蹤出活動層水運動、地下冰凍融過程。利用質量守恒等原理，可構建相應的地下冰凍融過程水量變化模型，來定量示蹤活動層水運動、地下冰的凍融過程。

現有技術中，在濕潤地區人工關于模擬降水、土壤水運動等水文方面研制的儀器、實驗方法較多，但都局限在直觀感性的認識上，一般通過人工觀測、水量稱重變化來表達降水產流、土壤水運動，缺乏對產流、土壤水分遷移物理機制的深入挖掘。目前尚未有適合在實際凍土區針對活動層水及地下冰凍融過程的模擬實驗裝置，尤其是涉及利用溶質、同位素等地球化學方法來示蹤降水產流、地下冰凍融的實驗方法，仍是空白。

技術實現要素：

本發明提供一種凍土活動層水運動及地下冰凍融過程示蹤裝置及方法，以解決現有技術中的問題。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種凍土活動層水運動及地下冰凍融過程示蹤裝置，包括降水示蹤劑投放裝置、活動層水及地下冰凍融模擬裝置和排水收集裝置，

所述降水示蹤劑投放裝置包括混合池1，

所述活動層水及地下冰凍融模擬裝置包括上下開口的中空鋼槽9，鋼槽9的側壁上自上而下依次設置有若干個采樣門10，每個采樣門10上均穿過有排水導管11，排水導管11伸入鋼槽9內部并嵌入鋼槽9內部的實驗土壤21內，每個采樣門10上設置有溫度傳感器12和土壤含水量傳感器13，所述溫度傳感器12和土壤含水量傳感器13與鋼槽9內的實驗土壤21接觸；

所述排水收集裝置，包括若干個圓環形水槽14，每個圓環形水槽14自上而下通過轉軸15連接，轉軸15底部安裝于支撐臺16上，且轉軸15帶動圓環形水槽14相對于支撐臺16能夠360°旋轉，所述圓環形水槽14內沿其直徑方向通過若干個隔板分隔為若干個水槽單元17，

其中，所述混合池1通過導水管6連接平行管道噴頭架4，所述平行管道噴頭架4置于鋼槽9上方，每根排水導管11的一端插入于鋼槽9內部的實驗土壤21內，排水導管11的另一端置于與其相對應的圓環形水槽14上，可將實驗土壤21表面及各層的產流排入對應的水槽單元17中。

所述降水示蹤劑投放裝置包括帶有容積刻度的混合池1，所述混合池1內安裝有攪拌葉片3，所述攪拌葉片3連接有電機2，所述電機2安裝于混合池1外部，所述混合池1內設置有抽水泵5，所述抽水泵5通過導水管6連接平行管道噴頭架4，所述導水管6上還安裝有調節閥門7和流量計8，可以人工調節抽水流量來改變降水強度，滿足不同的實驗要求，所述平行管道噴頭架4為格子狀管道結構，格子狀管道的底面上設置有若干個噴頭，最外圍的格子狀管道結構的四個端點通過4個撐腳20支撐，4個不銹鋼材料的撐腳20通過支撐桿支撐于鋼槽9上方，所述撐腳20能夠在支撐桿上上下調節高度，并可以改變平行管道噴頭架4相對于平面的傾斜角度。

降水示蹤劑投放裝置以混合溶質、同位素人工示蹤劑的“標記”水體注入平行管道噴頭架4內，進而進行模擬降水；將人工示蹤劑與自然水體混合均勻，起到形成“標記”水的作用，并形成可控雨強的模擬降水；所述混合溶質、同位素人工示蹤劑為根據具體研究需求決定的，包括但不局限于是離子，有機物，染劑，同位素等。

平行管道噴頭架4輪廓為邊長2m的正方形，每根管道的間距為10cm。

所述鋼槽9為一個直四方體，鋼槽9的四個側壁上均設置有若干個自上而下的采樣門10，用于收集降水時的地面產流，并方便打開取出土壤、地下冰樣品，每個采樣門10上穿過有排水導管11，鋼槽9的四個側壁外各設置有一組排水收集裝置，每層圓環形水槽14垂向上按一定間距堆疊，疊置在中心的固定轉軸15上，每層圓環形水槽14的內環外壁與轉軸15外壁完全貼合固定，轉軸15底部嵌入在支撐臺16上部的圓孔18中，各層圓環形水槽14可與轉軸15一起轉動；圓環水槽14內有隔板均分形成各個水槽單元17，每組排水收集裝置的若干個圓環形水槽14與鋼槽9每個側壁上的若干根排水導管11一一對應，每組排水收集裝置的圓環形水槽14層數與活動層水及地下冰凍融模擬裝置上一列采樣門10的行數一致，同一時間段的實驗土壤21的每層產流應收集在對應層數的同一垂向排列的水槽單元17中，進入下一采樣時間段，則轉動圓環形水槽14一個水槽單元的角度，則排水導管11的出水口將對應下一水槽單元；所述圓環形水槽14上的每個水槽單元17的外壁上均設置有卡槽，卡槽內插入記錄紙片，來標記樣品，區分不同時間段的水樣，水槽單元17的外壁上還設有容積刻度18，

鋼槽9高度為2m，截面為邊長2m的正方體，鋼槽9插入平行管道噴頭架4正下方對應的實驗土壤21中，并留出10cm高的鋼板露出地面，固定，

每個采樣門10寬20cm，高10cm，豎直間隔約為20cm，且鋼槽9在地面以上露出的四面鋼板部分均有一帶排水導管11的采樣門10，采樣門10下沿與地面平齊，排水導管11靠近地面，用于收集降水時的地面產流。

所述鋼槽9向上開口的側壁頂部呈刀刃狀，所述采樣門10的一側通過鉸鏈22與鋼槽9側壁鉸接，采樣門10通過鉸鏈22可自由開閉，且采樣門10閉合時，采樣門10與鋼槽9側壁密封，所述采樣門10和混合池1的材質均為透明有機玻璃。

所述排水導管11穿過采樣門1并嵌入實驗土壤21內部的深度為5cm。

所述溫度傳感器12和土壤含水量傳感器13嵌入在采樣門1上，且溫度傳感器12和土壤含水量傳感器13一面接觸鋼槽9內的實驗土壤21，另一面為液晶屏，液晶屏位于采樣門1的外表面，液晶屏用于顯示實時的土壤溫度和土壤含水量。

溫度傳感器12、土壤含水量傳感器13可自動監測，將信號數據儲存在內置芯片中，溫度傳感器12、土壤含水量傳感器13的液晶屏與采樣門10內側貼合，可顯示實時溫度、土壤含水量參數。

所述轉軸15底部安裝于支撐臺16上的圓孔18內，所述轉軸15帶動圓環形水槽14相對于支撐臺16能夠360°旋轉。

所述鋼槽9的四個側壁外均設置有操作過道23，所述排水收集裝置安裝于操作過道23內。

所述鋼槽9同一側壁上的若干根排水導管自上而下依次穿過位于鋼槽9與圓環形水槽14之間的導管排列架19，導管排列架19為垂直片狀結構，垂直方向上開有多個與排水導管11外徑一致的貫通圓孔，與圓環形水槽堆疊塔平行放置在過道上。

一種凍土活動層水運動及地下冰凍融過程示蹤方法，包括以下步驟：

s1、選擇適合研究凍土區活動層及地下冰的場地，將活動層水及地下冰凍融模擬裝置布設完成，并在鋼槽9四周開挖操作過道23至與鋼槽9的底部平齊，在鋼槽9四周的操作過道23里放置所述排水收集裝置，并將排水導管11按排列次序放置在對應的各個水槽單元上；

s2、通過調節撐腳20，調節平行管道噴頭架4的高度，放置在實驗場地上方，連接降水示蹤劑投放裝置，投放人工示蹤劑至混合池1內，加入自然水體，配制成標記水，啟動電機2和抽水泵5，進行人工降水模擬實驗，降水進入實驗土壤21，在降水過程中按一定的時間間隔記錄降水時間、降水量，計算降水強度；

s3、根據研究需求，在降水過程中或降水后，固定采樣時間間隔，按間隔次序收集各時間段內，各采樣門10對應土壤層的產流至各個對應的水槽單元17內的水量，記錄各時間間隔下各水槽單元內的產流體積，并收集水樣；

s4、拆除降水示蹤劑投放裝置，在實驗場地上覆蓋塑料膜進行密封，防止外界環境干擾；

s5、在地下冰開始發育季節，固定采樣的間隔時間，至地下冰發育完全，打開鋼槽9四個外壁上的各個采樣門10，收集各個采樣門10內的地下冰樣品并標記；將采集的地下冰樣品放置在密閉玻璃瓶中，在室溫下融化成液態進行收集保存，測量各樣品的體積。

s6、在地下冰融化季節，固定間隔時間，定期進入操作過道23，在所述活動層水及地下冰凍融模擬裝置的四周，按固定的時間次序收集各時間段下的土壤水產流至所述各層各個對應的水槽單元17內，測量各樣品的體積；

s7、收集各時間階段的各采樣點土壤溫度、土壤含水率數據，測定所收集的各個水樣中的各種溶質、同位素值及化學指標；

s8、分析活動層水及地下冰凍融模擬裝置內實驗土壤里各采樣點在降水產流-地下冰發育-地下冰融化三個階段的液態水量、地下冰量、土壤含水率、地溫及溶質、同位素值的時空特征，得到相應的水流路徑。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

本發明提出的凍土活動層水運動及地下冰凍融過程示蹤裝置及方法，為凍土區進行實際的活動層水運動、地下冰凍融過程中觀測提供了新的研究手段方法，可以在降水產流-地下冰發育-地下冰融化等不同時間段下，對實驗土壤各空間內部的活動層水、地下冰情況進行直觀觀測，并自動監測地溫、土壤含水率等關鍵水文參數，方便快捷地采取凍融過程中各空間分布上的地下冰及土壤水樣品。溶質、同位素示蹤技術具有較強的物理基礎，能提高觀測效率，有效地示蹤凍融過程中各層土壤中的三維水流路徑、解釋各水體的來源與變化。

附圖說明

圖1是本發明中降水示蹤劑投放裝置與活動層水及地下冰凍融模擬裝置的連接示意圖；

圖2是本發明中活動層水及地下冰凍融模擬裝置的結構示意圖；

圖3是本發明中排水收集裝置的結構示意圖；

其中：1-混合池，2-電機，3-攪拌葉片，4-平行管道噴頭架，5-抽水泵，6-導水管，7-調節閥門，8-流量計，9-鋼槽，10-采樣門，11-排水導管，12-溫度傳感器，13-土壤含水量傳感器，14-圓環形水槽，15-轉軸，16-支撐臺，17-水槽單元，18-圓孔，19-導管排列架，20-撐腳，21-實驗土壤，22-鉸鏈，23-操作過道。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作更進一步的說明。

如圖1-3所示，一種凍土活動層水運動及地下冰凍融過程示蹤裝置，包括降水示蹤劑投放裝置、活動層水及地下冰凍融模擬裝置和排水收集裝置，

所述降水示蹤劑投放裝置包括混合池1，

所述活動層水及地下冰凍融模擬裝置包括上下開口的中空鋼槽9，鋼槽9的側壁上自上而下依次設置有若干個采樣門10，每個采樣門10上均穿過有排水導管11，排水導管11伸入鋼槽9內部并嵌入鋼槽9內部的實驗土壤21內，每個采樣門10上設置有溫度傳感器12和土壤含水量傳感器13，所述溫度傳感器12和土壤含水量傳感器13與鋼槽9內的實驗土壤21接觸；

所述排水收集裝置，包括若干個圓環形水槽14，每個圓環形水槽14自上而下通過轉軸15連接，轉軸15底部安裝于支撐臺16上的圓孔18內，且轉軸15帶動圓環形水槽14相對于支撐臺16能夠360°旋轉，所述圓環形水槽14內沿其直徑方向通過若干個隔板分隔為若干個水槽單元17，

其中，所述混合池1通過導水管6連接平行管道噴頭架4，所述平行管道噴頭架4置于鋼槽9上方，每根排水導管11的一端插入于鋼槽9內部的實驗土壤21內，所述排水導管11穿過采樣門1并嵌入實驗土壤21內部的深度為5cm，排水導管11的另一端置于與其相對應的圓環形水槽14上，可將實驗土壤21表面及各層的產流排入對應的水槽單元17中。

所述降水示蹤劑投放裝置包括帶有容積刻度的混合池1，所述混合池1內安裝有攪拌葉片3，所述攪拌葉片3連接有電機2，所述電機2安裝于混合池1外部，所述混合池1內設置有抽水泵5，所述抽水泵5通過導水管6連接平行管道噴頭架4，所述導水管6上還安裝有調節閥門7和流量計8，可以人工調節抽水流量來改變降水強度，滿足不同的實驗要求，所述平行管道噴頭架4為格子狀管道結構，格子狀管道的底面上設置有若干個噴頭，最外圍的格子狀管道結構的四個端點通過4個撐腳20支撐，4個不銹鋼材料的撐腳20通過支撐桿支撐于鋼槽9上方，所述撐腳20能夠在支撐桿上上下調節高度，并可以改變平行管道噴頭架4相對于平面的傾斜角度。

降水示蹤劑投放裝置以混合溶質、同位素人工示蹤劑的“標記”水體注入平行管道噴頭架4內，進而進行模擬降水；將人工示蹤劑與自然水體混合均勻，起到形成“標記”水的作用，并形成可控雨強的模擬降水；所述混合溶質、同位素人工示蹤劑為根據具體研究需求決定的，包括但不局限于是離子，有機物，染劑，同位素等。

平行管道噴頭架4輪廓為邊長2m的正方形，每根管道的間距為10cm。

所述鋼槽9為一個直四方體，鋼槽9的四個側壁上均設置有若干個自上而下的采樣門10，用于收集降水時的地面產流，并方便打開取出土壤、地下冰樣品，每個采樣門10上穿過有排水導管11，鋼槽9的四個側壁外各設置有一組排水收集裝置，每層圓環形水槽14垂向上按一定間距堆疊，疊置在中心的固定轉軸15上，每層圓環形水槽14的內環外壁與轉軸15外壁完全貼合固定，轉軸15底部嵌入在支撐臺16上部的圓孔18中，各層圓環形水槽14可與轉軸15一起轉動，所述轉軸15在圓孔18內360°旋轉；圓環水槽14內有隔板均分形成各個水槽單元17，每組排水收集裝置的若干個圓環形水槽14與鋼槽9每個側壁上的若干根排水導管11一一對應，每組排水收集裝置的圓環形水槽14層數與活動層水及地下冰凍融模擬裝置上一列采樣門10的行數一致，同一時間段的實驗土壤21的每層產流應收集在對應層數的同一垂向排列的水槽單元17中，進入下一采樣時間段，則轉動圓環形水槽14一個水槽單元的角度，則排水導管11的出水口將對應下一水槽單元；所述圓環形水槽14上的每個水槽單元17的外壁上均設置有卡槽，卡槽內插入記錄紙片，來標記樣品，區分不同時間段的水樣，水槽單元17的外壁上還設有容積刻度18，鋼槽9高度為2m，截面為邊長2m的正方體，鋼槽9插入平行管道噴頭架4正下方對應的實驗土壤21中，并留出10cm高的鋼板露出地面，固定，每個采樣門10寬20cm，高10cm，豎直間隔約為20cm，且鋼槽9在地面以上露出的四面鋼板部分均有一帶排水導管11的采樣門10，采樣門10下沿與地面平齊，排水導管11靠近地面，用于收集降水時的地面產流。所述鋼槽9的四個側壁外均設置有操作過道23，所述排水收集裝置安裝于操作過道23內。

所述鋼槽9向上開口的側壁頂部呈刀刃狀，所述采樣門10的一側通過鉸鏈22與鋼槽9側壁鉸接，采樣門10通過鉸鏈22可自由開閉，且采樣門10閉合時，采樣門10與鋼槽9側壁密封，所述采樣門10和混合池1的材質均為透明有機玻璃。

所述溫度傳感器12和土壤含水量傳感器13嵌入在采樣門1上，且溫度傳感器12和土壤含水量傳感器13一面接觸鋼槽9內的實驗土壤21，另一面為液晶屏，液晶屏位于采樣門1的外表面，液晶屏用于顯示實時的土壤溫度和土壤含水量。

溫度傳感器12、土壤含水量傳感器13可自動監測，將信號數據儲存在內置芯片中，溫度傳感器12、土壤含水量傳感器13的液晶屏與采樣門10內側貼合，可顯示實時溫度、土壤含水量參數。

所述鋼槽9同一側壁上的若干根排水導管自上而下依次穿過位于鋼槽9與圓環形水槽14之間的導管排列架19，導管排列架19為垂直片狀結構，垂直方向上開有多個與排水導管11外徑一致的貫通圓孔，與圓環形水槽堆疊塔平行放置在過道上。

本發明提供的示蹤裝置包括降水示蹤劑投放裝置、活動層水及地下冰凍融模擬裝置、排水收集裝置。降水示蹤劑投放裝置用于將人工示蹤劑與自然水體混合均勻，起到形成“標記”水的作用，并形成可控雨強的模擬降水；所述活動層水及地下冰凍融模擬裝置內含實驗土壤，四個外壁上均有開口采樣門，可觀察到土壤內部情況，并設有排水導管，采樣門內壁上設有溫度傳感器、土壤含水量傳感器，可顯示實時溫度、土壤含水量參數。所述排水收集裝置布置結構為圓環形水槽堆疊塔，同一時間段的每層產流應收集在對應的水槽單元中，進入下一采樣時間段，排水導管出水口將對應下一水槽單元進行收集。示蹤方法為利用實驗系統，分析實驗土壤里各采樣點在降水產流-地下冰發育-地下冰融化三個階段的液態水量、地下冰量、土壤含水率、地溫及溶質、同位素值的時空特征，進行水冰過程示蹤。本發明能對空間內部的活動層水運動、地下冰情況進行直觀觀測，并自動監測關鍵水文參數，方便快捷地采取各空間分布的地下冰及土壤水樣品。示蹤技術具有較強的物理基礎，有效地示蹤凍融過程中各層土壤中的三維水流路徑。

一種凍土活動層水運動及地下冰凍融過程示蹤方法，包括以下步驟：

s1、選擇適合研究凍土區活動層及地下冰的典型場地，實驗土壤21范圍選2×2m大小，一般在凍土活動層融化最深，地下冰即將開始發育的季節前，進行所述活動層水及地下冰凍融模擬裝置的布設：將鋼槽9垂直插入實驗的完整凍土土壤21中，并留出10cm高的鋼板露出地面，并在鋼槽9四周開挖一定寬度的操作過道23，操作過道23的深度與鋼槽9的下沿平齊，在鋼槽9四周的操作過道23內均放置所述排水收集裝置，并將排水導管11出口按排列次序放置在導管排列架19上，出口對應的各個水槽單元17；

s2、將平行管道噴頭架4的撐腳20調節合適的高度，使得平行管道噴頭架4正對的遮蓋在實驗土壤上方，連接所述降水示蹤劑投放裝置的各項部件，選擇合適的人工示蹤劑，投入一定量到混合池1內，加入配額的自然水體，打開電機2，轉動攪拌葉片3，配制“標記”水。打開外接電源啟動抽水泵5，進行降水模擬，同時采集已經混合均勻的降水水體樣品。根據實驗需求，控制或改變雨強，降水從平行管道噴頭架4流出，進入凍土實驗土壤21上，在降水過程中按一定的時間間隔記錄各時間段的降水時間，從混合池1的水位變化中讀出降水量，計算降水強度。

其中，i表示降水強度，單位：mm/min；δh為單位時間內混合池2中變化的水位，單位：mm；δt為單位時間，單位min。

s3、根據研究需求，在降水過程中或降水后一段時間，固定間隔時間，進入操作過道23，通過采樣門11觀察土壤水運動情況，按時間次序收集各時間段下的各層產流至對應的水槽單元17內，記錄各時間段下各水槽單元內的產流體積，并收集水樣供水樣分析。

s4、拆除降水示蹤劑投放裝置，在實驗場地上覆蓋塑料膜進行密封，防止外界環境干擾。

s5、在地下冰開始發育季節，選定持續采樣的間隔時間，直至地下冰發育完全。進入操作過道23，打開鋼槽9四個外壁上的各采樣門10，觀察地下冰發育情況，按次序收集少量地下冰樣品并標記樣品。將采集的地下冰樣品放置在密閉玻璃瓶中，在室溫下融化成液態進行收集保存。

s6、在地下冰開始融化季節，固定間隔時間，選定持續采樣的間隔時間，進入操作過道23，通過采樣門10觀察土壤水運動、地下冰融化情況，在所述活動層水及地下冰凍融模擬裝置四周，按時間次序收集各時間段下的各層產流至對應的水槽單元17內，記錄各時間段下各水槽單元內的產流體積，并收集水樣供水樣分析。

s7、收集各時間階段的各采樣點中的地溫、土壤含水率傳感器數據，并測定所收集的各個水體樣品中的各種溶質、同位素值及相應化學指標。

s8、分析活動層水及地下冰凍融模擬裝置內實驗土壤里各采樣點在模擬降水產流-地下冰發育-地下冰融化三個階段的產流量、土壤水量、地下冰量、土壤含水率、地溫及各水樣的溶質、同位素值及化學指標的時空變化特征，得到相應的橫縱向水流路徑。

本發明提出的凍土活動層水運動及地下冰凍融過程示蹤裝置及方法，為凍土區進行實際的活動層水運動、地下冰凍融過程中觀測提供了新的研究手段方法，可以在降水產流-地下冰發育-地下冰融化等不同時間段下，對實驗土壤各空間內部的活動層水、地下冰情況進行直觀觀測，并自動監測地溫、土壤含水率等關鍵水文參數，方便快捷地采取凍融過程中各空間分布上的地下冰及土壤水樣品。溶質、同位素示蹤技術具有較強的物理基礎，能提高觀測效率，有效地示蹤凍融過程中各層土壤中的三維水流路徑、解釋各水體的來源。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。