摘要
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积雪覆盖作为中国北方高寒黑土区土壤冻融期最普遍的上边界条件，直接影响土壤水分和热量的分布、迁移过程及土壤温度、冻结深度、冻结速率等。通过野外试验，对哈尔滨地区的季节性冻融黑土在裸地、自然积雪、压实积雪、加厚积雪４种不同覆盖条件下的土壤水分、温度变化规律进行动态观测，根据田间试验实测资料，运用对比分析及统计方法对壤季节性冻融过程中气候条件的变化规律、积雪厚度及降雪的变化规律、土壤剖面温度、总含水量及液态含水量的变化规律以及具有不同积雪密度、厚度等特性的积雪覆盖对土壤温度、含水量的影响等问题进行了详细探讨，并利用ＳＨＡＷ模型对不同积雪覆盖条件下的土壤季节性冻融过程进行了数值模拟。从时间、空间角度分析了不同深度土壤含水率及温度变化。得到的主要结论如下：
（１）在积雪总量一定的情况下，积雪的消融速率与气温、太阳辐射量密切相关。不同厚度和密度的积雪，在消融时间上相差较小，积雪密度和厚度对消融速率的影响较弱。由于雪的低热导性，积雪覆盖对土壤具有良好的缓冲、绝热和保墒作用。在仅存在积雪自身沉降造成的密度增大情况下，积雪的厚度越大保护效果越好，土壤含水率对气温变化的响应及土壤解冻时间依次延后，延后程度随土壤深度增加而增大；当人为改变积雪密度时，相较于单纯增加积雪厚度，密度大的积雪可以更好地保护土壤，使气温对土壤的直接影响更小。当遇到冬季降雪量较小情况时，可以考虑采用人为压实积雪的方法，加强对土壤的保护作用。积雪可以减缓土壤的冻结速度，影响土壤内部水分再分布过程。在土壤的冻结过程中，液态水会向冻结锋面迁移，在稳定冻结阶段由于冻结面移动较缓慢，冻结锋面处土壤总含水率增大、水分聚集现象明显。
（２）无积雪覆盖时，由于土壤这种多孔介质受环境温度影响较大，不同时期土壤的温度变化较为剧烈。而存在积雪覆盖区域，由于积雪的大比热容性及其对能量的吸收，导致冻结期环境温度降低时，土壤的温差变小，减少热量散失；稳定冻结期，积雪的存在为土壤积蓄能量，土壤温度相对较高；消融解冻期，积雪对能量具有一定的反射及储存作用，因此，积雪覆盖条件下土壤温升较慢。积雪覆盖隔绝了土壤与环境之间的能量交换，在越冬期保持了土壤温度，同时，自然降雪、加厚积雪、压实积雪处理的土壤温度曲线依次变得平缓。其中，压实积雪处理的保温效果最为明显，优于加厚积雪，说明积雪对能量的反射、储存及热量传导作用受积雪密度的影响更大。
（３）ＳＨＡＷ模型可以良好的模拟季节性冻融土壤的水热耦合迁移过程，能够精确模拟不同积雪覆盖条件下土壤温度的动态变化，对土壤含水率变化规律的模拟也取得了较好的模拟结果。当改变积雪密度及厚度等重要积雪特性参数时，雪层受到扰动后整体内部结构发生变化，会出现密度不均匀等情况，会使模拟结果误差增大，但模拟结果与实测值的变化规律仍然一致。
综上所述，通过系统研究不同积雪覆盖条件下冻融土壤水分、热量的动态变化并利用ＳＨＡＷ模型对其进行数值模拟，揭示了不同积雪覆盖条件下季节性冻土区雪被覆盖条件下的土壤水热耦合运移规律、描述了冻融过程中的土壤水分及热量的动态变化，研究结果对于合
东北农业大学工学硕士学位论文
理提高寒区土壤水热资源利用效率、制定冬春季节储水保墒灌溉方案等问题具有重要的理论及实际意义，而且可以为地表水、地下水资源利用，农业及环境水土保持等方面的研究提供理论支撑和科学依据。
关键词不同积雪覆盖；积雪密度；数值模拟；ＳＨＡＷ模型