冻土活动层水运动及地下冰冻融过程示踪装置及方法与流程

本发明属于水文实验技术领域，特别涉及一种用于监测冻土活动层水运动及地下冰冻融过程的示踪装置及实现方法。

背景技术：

随着全球变暖，冰冻圈及其所影响的生态环境正面临着巨大的挑战，冻土区的水文物理过程正在发生改变，将面临冻土活动层水分变化、地下冰融化等问题，水资源锐减问题日益突出。

冻土退化及其水文效应研究日益引起人们的重视。国际上相关研究表明，在冻土退化背景下，冬季河川基流和暖季径流显著增加，并将其归结于地下冰融化、活动层加深、融化季节延长的产流机制。但是活动层水及地下冰融水到底如何分配、终归何处？其参与水文(地质)循环的时空尺度如何？地下冰融化对水资源量的贡献如何，又将如何变化，并如何影响寒区水文、生态和区域社会经济可持续发展，相关问题悬而未决。

我国至今对冻土区的活动层水运动、地下冰研究较为匮乏，主要集中在地温、冰温的数值模拟方面，由于研究手段的单一以及野外观测的低效性，缺少对于活动层水运动、地下冰冻融过程的实际观测及数据，亟待在小流域尺度上的深入试验和长期监测。

溶质、同位素作为重要的地球化学指标，已应用于极地地区的埋藏冰研究，可有效追踪冰层水分来源以及融化后的去路。溶质同位素作为人工示踪剂技术广泛应用于水文学研究中，通过开展实地实验，人工投放示踪剂，研究活动层水、地下冰的溶质同位素含量的时空变化，可准确示踪出活动层水运动、地下冰冻融过程。利用质量守恒等原理，可构建相应的地下冰冻融过程水量变化模型，来定量示踪活动层水运动、地下冰的冻融过程。

现有技术中，在湿润地区人工关于模拟降水、土壤水运动等水文方面研制的仪器、实验方法较多，但都局限在直观感性的认识上，一般通过人工观测、水量称重变化来表达降水产流、土壤水运动，缺乏对产流、土壤水分迁移物理机制的深入挖掘。目前尚未有适合在实际冻土区针对活动层水及地下冰冻融过程的模拟实验装置，尤其是涉及利用溶质、同位素等地球化学方法来示踪降水产流、地下冰冻融的实验方法，仍是空白。

技术实现要素：

本发明提供一种冻土活动层水运动及地下冰冻融过程示踪装置及方法，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种冻土活动层水运动及地下冰冻融过程示踪装置，包括降水示踪剂投放装置、活动层水及地下冰冻融模拟装置和排水收集装置，

所述降水示踪剂投放装置包括混合池1，

所述活动层水及地下冰冻融模拟装置包括上下开口的中空钢槽9，钢槽9的侧壁上自上而下依次设置有若干个采样门10，每个采样门10上均穿过有排水导管11，排水导管11伸入钢槽9内部并嵌入钢槽9内部的实验土壤21内，每个采样门10上设置有温度传感器12和土壤含水量传感器13，所述温度传感器12和土壤含水量传感器13与钢槽9内的实验土壤21接触；

所述排水收集装置，包括若干个圆环形水槽14，每个圆环形水槽14自上而下通过转轴15连接，转轴15底部安装于支撑台16上，且转轴15带动圆环形水槽14相对于支撑台16能够360°旋转，所述圆环形水槽14内沿其直径方向通过若干个隔板分隔为若干个水槽单元17，

其中，所述混合池1通过导水管6连接平行管道喷头架4，所述平行管道喷头架4置于钢槽9上方，每根排水导管11的一端插入于钢槽9内部的实验土壤21内，排水导管11的另一端置于与其相对应的圆环形水槽14上，可将实验土壤21表面及各层的产流排入对应的水槽单元17中。

所述降水示踪剂投放装置包括带有容积刻度的混合池1，所述混合池1内安装有搅拌叶片3，所述搅拌叶片3连接有电机2，所述电机2安装于混合池1外部，所述混合池1内设置有抽水泵5，所述抽水泵5通过导水管6连接平行管道喷头架4，所述导水管6上还安装有调节阀门7和流量计8，可以人工调节抽水流量来改变降水强度，满足不同的实验要求，所述平行管道喷头架4为格子状管道结构，格子状管道的底面上设置有若干个喷头，最外围的格子状管道结构的四个端点通过4个撑脚20支撑，4个不锈钢材料的撑脚20通过支撑杆支撑于钢槽9上方，所述撑脚20能够在支撑杆上上下调节高度，并可以改变平行管道喷头架4相对于平面的倾斜角度。

降水示踪剂投放装置以混合溶质、同位素人工示踪剂的“标记”水体注入平行管道喷头架4内，进而进行模拟降水；将人工示踪剂与自然水体混合均匀，起到形成“标记”水的作用，并形成可控雨强的模拟降水；所述混合溶质、同位素人工示踪剂为根据具体研究需求决定的，包括但不局限于是离子，有机物，染剂，同位素等。

平行管道喷头架4轮廓为边长2m的正方形，每根管道的间距为10cm。

所述钢槽9为一个直四方体，钢槽9的四个侧壁上均设置有若干个自上而下的采样门10，用于收集降水时的地面产流，并方便打开取出土壤、地下冰样品，每个采样门10上穿过有排水导管11，钢槽9的四个侧壁外各设置有一组排水收集装置，每层圆环形水槽14垂向上按一定间距堆叠，叠置在中心的固定转轴15上，每层圆环形水槽14的内环外壁与转轴15外壁完全贴合固定，转轴15底部嵌入在支撑台16上部的圆孔18中，各层圆环形水槽14可与转轴15一起转动；圆环水槽14内有隔板均分形成各个水槽单元17，每组排水收集装置的若干个圆环形水槽14与钢槽9每个侧壁上的若干根排水导管11一一对应，每组排水收集装置的圆环形水槽14层数与活动层水及地下冰冻融模拟装置上一列采样门10的行数一致，同一时间段的实验土壤21的每层产流应收集在对应层数的同一垂向排列的水槽单元17中，进入下一采样时间段，则转动圆环形水槽14一个水槽单元的角度，则排水导管11的出水口将对应下一水槽单元；所述圆环形水槽14上的每个水槽单元17的外壁上均设置有卡槽，卡槽内插入记录纸片，来标记样品，区分不同时间段的水样，水槽单元17的外壁上还设有容积刻度18，

钢槽9高度为2m，截面为边长2m的正方体，钢槽9插入平行管道喷头架4正下方对应的实验土壤21中，并留出10cm高的钢板露出地面，固定，

每个采样门10宽20cm，高10cm，竖直间隔约为20cm，且钢槽9在地面以上露出的四面钢板部分均有一带排水导管11的采样门10，采样门10下沿与地面平齐，排水导管11靠近地面，用于收集降水时的地面产流。

所述钢槽9向上开口的侧壁顶部呈刀刃状，所述采样门10的一侧通过铰链22与钢槽9侧壁铰接，采样门10通过铰链22可自由开闭，且采样门10闭合时，采样门10与钢槽9侧壁密封，所述采样门10和混合池1的材质均为透明有机玻璃。

所述排水导管11穿过采样门1并嵌入实验土壤21内部的深度为5cm。

所述温度传感器12和土壤含水量传感器13嵌入在采样门1上，且温度传感器12和土壤含水量传感器13一面接触钢槽9内的实验土壤21，另一面为液晶屏，液晶屏位于采样门1的外表面，液晶屏用于显示实时的土壤温度和土壤含水量。

温度传感器12、土壤含水量传感器13可自动监测，将信号数据储存在内置芯片中，温度传感器12、土壤含水量传感器13的液晶屏与采样门10内侧贴合，可显示实时温度、土壤含水量参数。

所述转轴15底部安装于支撑台16上的圆孔18内，所述转轴15带动圆环形水槽14相对于支撑台16能够360°旋转。

所述钢槽9的四个侧壁外均设置有操作过道23，所述排水收集装置安装于操作过道23内。

所述钢槽9同一侧壁上的若干根排水导管自上而下依次穿过位于钢槽9与圆环形水槽14之间的导管排列架19，导管排列架19为垂直片状结构，垂直方向上开有多个与排水导管11外径一致的贯通圆孔，与圆环形水槽堆叠塔平行放置在过道上。

一种冻土活动层水运动及地下冰冻融过程示踪方法，包括以下步骤：

s1、选择适合研究冻土区活动层及地下冰的场地，将活动层水及地下冰冻融模拟装置布设完成，并在钢槽9四周开挖操作过道23至与钢槽9的底部平齐，在钢槽9四周的操作过道23里放置所述排水收集装置，并将排水导管11按排列次序放置在对应的各个水槽单元上；

s2、通过调节撑脚20，调节平行管道喷头架4的高度，放置在实验场地上方，连接降水示踪剂投放装置，投放人工示踪剂至混合池1内，加入自然水体，配制成标记水，启动电机2和抽水泵5，进行人工降水模拟实验，降水进入实验土壤21，在降水过程中按一定的时间间隔记录降水时间、降水量，计算降水强度；

s3、根据研究需求，在降水过程中或降水后，固定采样时间间隔，按间隔次序收集各时间段内，各采样门10对应土壤层的产流至各个对应的水槽单元17内的水量，记录各时间间隔下各水槽单元内的产流体积，并收集水样；

s4、拆除降水示踪剂投放装置，在实验场地上覆盖塑料膜进行密封，防止外界环境干扰；

s5、在地下冰开始发育季节，固定采样的间隔时间，至地下冰发育完全，打开钢槽9四个外壁上的各个采样门10，收集各个采样门10内的地下冰样品并标记；将采集的地下冰样品放置在密闭玻璃瓶中，在室温下融化成液态进行收集保存，测量各样品的体积。

s6、在地下冰融化季节，固定间隔时间，定期进入操作过道23，在所述活动层水及地下冰冻融模拟装置的四周，按固定的时间次序收集各时间段下的土壤水产流至所述各层各个对应的水槽单元17内，测量各样品的体积；

s7、收集各时间阶段的各采样点土壤温度、土壤含水率数据，测定所收集的各个水样中的各种溶质、同位素值及化学指标；

s8、分析活动层水及地下冰冻融模拟装置内实验土壤里各采样点在降水产流-地下冰发育-地下冰融化三个阶段的液态水量、地下冰量、土壤含水率、地温及溶质、同位素值的时空特征，得到相应的水流路径。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出的冻土活动层水运动及地下冰冻融过程示踪装置及方法，为冻土区进行实际的活动层水运动、地下冰冻融过程中观测提供了新的研究手段方法，可以在降水产流-地下冰发育-地下冰融化等不同时间段下，对实验土壤各空间内部的活动层水、地下冰情况进行直观观测，并自动监测地温、土壤含水率等关键水文参数，方便快捷地采取冻融过程中各空间分布上的地下冰及土壤水样品。溶质、同位素示踪技术具有较强的物理基础，能提高观测效率，有效地示踪冻融过程中各层土壤中的三维水流路径、解释各水体的来源与变化。

附图说明

图1是本发明中降水示踪剂投放装置与活动层水及地下冰冻融模拟装置的连接示意图；

图2是本发明中活动层水及地下冰冻融模拟装置的结构示意图；

图3是本发明中排水收集装置的结构示意图；

其中：1-混合池，2-电机，3-搅拌叶片，4-平行管道喷头架，5-抽水泵，6-导水管，7-调节阀门，8-流量计，9-钢槽，10-采样门，11-排水导管，12-温度传感器，13-土壤含水量传感器，14-圆环形水槽，15-转轴，16-支撑台，17-水槽单元，18-圆孔，19-导管排列架，20-撑脚，21-实验土壤，22-铰链，23-操作过道。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-3所示，一种冻土活动层水运动及地下冰冻融过程示踪装置，包括降水示踪剂投放装置、活动层水及地下冰冻融模拟装置和排水收集装置，

所述降水示踪剂投放装置包括混合池1，

所述活动层水及地下冰冻融模拟装置包括上下开口的中空钢槽9，钢槽9的侧壁上自上而下依次设置有若干个采样门10，每个采样门10上均穿过有排水导管11，排水导管11伸入钢槽9内部并嵌入钢槽9内部的实验土壤21内，每个采样门10上设置有温度传感器12和土壤含水量传感器13，所述温度传感器12和土壤含水量传感器13与钢槽9内的实验土壤21接触；

所述排水收集装置，包括若干个圆环形水槽14，每个圆环形水槽14自上而下通过转轴15连接，转轴15底部安装于支撑台16上的圆孔18内，且转轴15带动圆环形水槽14相对于支撑台16能够360°旋转，所述圆环形水槽14内沿其直径方向通过若干个隔板分隔为若干个水槽单元17，

其中，所述混合池1通过导水管6连接平行管道喷头架4，所述平行管道喷头架4置于钢槽9上方，每根排水导管11的一端插入于钢槽9内部的实验土壤21内，所述排水导管11穿过采样门1并嵌入实验土壤21内部的深度为5cm，排水导管11的另一端置于与其相对应的圆环形水槽14上，可将实验土壤21表面及各层的产流排入对应的水槽单元17中。

所述降水示踪剂投放装置包括带有容积刻度的混合池1，所述混合池1内安装有搅拌叶片3，所述搅拌叶片3连接有电机2，所述电机2安装于混合池1外部，所述混合池1内设置有抽水泵5，所述抽水泵5通过导水管6连接平行管道喷头架4，所述导水管6上还安装有调节阀门7和流量计8，可以人工调节抽水流量来改变降水强度，满足不同的实验要求，所述平行管道喷头架4为格子状管道结构，格子状管道的底面上设置有若干个喷头，最外围的格子状管道结构的四个端点通过4个撑脚20支撑，4个不锈钢材料的撑脚20通过支撑杆支撑于钢槽9上方，所述撑脚20能够在支撑杆上上下调节高度，并可以改变平行管道喷头架4相对于平面的倾斜角度。

降水示踪剂投放装置以混合溶质、同位素人工示踪剂的“标记”水体注入平行管道喷头架4内，进而进行模拟降水；将人工示踪剂与自然水体混合均匀，起到形成“标记”水的作用，并形成可控雨强的模拟降水；所述混合溶质、同位素人工示踪剂为根据具体研究需求决定的，包括但不局限于是离子，有机物，染剂，同位素等。

平行管道喷头架4轮廓为边长2m的正方形，每根管道的间距为10cm。

所述钢槽9为一个直四方体，钢槽9的四个侧壁上均设置有若干个自上而下的采样门10，用于收集降水时的地面产流，并方便打开取出土壤、地下冰样品，每个采样门10上穿过有排水导管11，钢槽9的四个侧壁外各设置有一组排水收集装置，每层圆环形水槽14垂向上按一定间距堆叠，叠置在中心的固定转轴15上，每层圆环形水槽14的内环外壁与转轴15外壁完全贴合固定，转轴15底部嵌入在支撑台16上部的圆孔18中，各层圆环形水槽14可与转轴15一起转动，所述转轴15在圆孔18内360°旋转；圆环水槽14内有隔板均分形成各个水槽单元17，每组排水收集装置的若干个圆环形水槽14与钢槽9每个侧壁上的若干根排水导管11一一对应，每组排水收集装置的圆环形水槽14层数与活动层水及地下冰冻融模拟装置上一列采样门10的行数一致，同一时间段的实验土壤21的每层产流应收集在对应层数的同一垂向排列的水槽单元17中，进入下一采样时间段，则转动圆环形水槽14一个水槽单元的角度，则排水导管11的出水口将对应下一水槽单元；所述圆环形水槽14上的每个水槽单元17的外壁上均设置有卡槽，卡槽内插入记录纸片，来标记样品，区分不同时间段的水样，水槽单元17的外壁上还设有容积刻度18，钢槽9高度为2m，截面为边长2m的正方体，钢槽9插入平行管道喷头架4正下方对应的实验土壤21中，并留出10cm高的钢板露出地面，固定，每个采样门10宽20cm，高10cm，竖直间隔约为20cm，且钢槽9在地面以上露出的四面钢板部分均有一带排水导管11的采样门10，采样门10下沿与地面平齐，排水导管11靠近地面，用于收集降水时的地面产流。所述钢槽9的四个侧壁外均设置有操作过道23，所述排水收集装置安装于操作过道23内。

所述钢槽9向上开口的侧壁顶部呈刀刃状，所述采样门10的一侧通过铰链22与钢槽9侧壁铰接，采样门10通过铰链22可自由开闭，且采样门10闭合时，采样门10与钢槽9侧壁密封，所述采样门10和混合池1的材质均为透明有机玻璃。

所述温度传感器12和土壤含水量传感器13嵌入在采样门1上，且温度传感器12和土壤含水量传感器13一面接触钢槽9内的实验土壤21，另一面为液晶屏，液晶屏位于采样门1的外表面，液晶屏用于显示实时的土壤温度和土壤含水量。

温度传感器12、土壤含水量传感器13可自动监测，将信号数据储存在内置芯片中，温度传感器12、土壤含水量传感器13的液晶屏与采样门10内侧贴合，可显示实时温度、土壤含水量参数。

所述钢槽9同一侧壁上的若干根排水导管自上而下依次穿过位于钢槽9与圆环形水槽14之间的导管排列架19，导管排列架19为垂直片状结构，垂直方向上开有多个与排水导管11外径一致的贯通圆孔，与圆环形水槽堆叠塔平行放置在过道上。

本发明提供的示踪装置包括降水示踪剂投放装置、活动层水及地下冰冻融模拟装置、排水收集装置。降水示踪剂投放装置用于将人工示踪剂与自然水体混合均匀，起到形成“标记”水的作用，并形成可控雨强的模拟降水；所述活动层水及地下冰冻融模拟装置内含实验土壤，四个外壁上均有开口采样门，可观察到土壤内部情况，并设有排水导管，采样门内壁上设有温度传感器、土壤含水量传感器，可显示实时温度、土壤含水量参数。所述排水收集装置布置结构为圆环形水槽堆叠塔，同一时间段的每层产流应收集在对应的水槽单元中，进入下一采样时间段，排水导管出水口将对应下一水槽单元进行收集。示踪方法为利用实验系统，分析实验土壤里各采样点在降水产流-地下冰发育-地下冰融化三个阶段的液态水量、地下冰量、土壤含水率、地温及溶质、同位素值的时空特征，进行水冰过程示踪。本发明能对空间内部的活动层水运动、地下冰情况进行直观观测，并自动监测关键水文参数，方便快捷地采取各空间分布的地下冰及土壤水样品。示踪技术具有较强的物理基础，有效地示踪冻融过程中各层土壤中的三维水流路径。

一种冻土活动层水运动及地下冰冻融过程示踪方法，包括以下步骤：

s1、选择适合研究冻土区活动层及地下冰的典型场地，实验土壤21范围选2×2m大小，一般在冻土活动层融化最深，地下冰即将开始发育的季节前，进行所述活动层水及地下冰冻融模拟装置的布设：将钢槽9垂直插入实验的完整冻土土壤21中，并留出10cm高的钢板露出地面，并在钢槽9四周开挖一定宽度的操作过道23，操作过道23的深度与钢槽9的下沿平齐，在钢槽9四周的操作过道23内均放置所述排水收集装置，并将排水导管11出口按排列次序放置在导管排列架19上，出口对应的各个水槽单元17；

s2、将平行管道喷头架4的撑脚20调节合适的高度，使得平行管道喷头架4正对的遮盖在实验土壤上方，连接所述降水示踪剂投放装置的各项部件，选择合适的人工示踪剂，投入一定量到混合池1内，加入配额的自然水体，打开电机2，转动搅拌叶片3，配制“标记”水。打开外接电源启动抽水泵5，进行降水模拟，同时采集已经混合均匀的降水水体样品。根据实验需求，控制或改变雨强，降水从平行管道喷头架4流出，进入冻土实验土壤21上，在降水过程中按一定的时间间隔记录各时间段的降水时间，从混合池1的水位变化中读出降水量，计算降水强度。

其中，i表示降水强度，单位：mm/min；δh为单位时间内混合池2中变化的水位，单位：mm；δt为单位时间，单位min。

s3、根据研究需求，在降水过程中或降水后一段时间，固定间隔时间，进入操作过道23，通过采样门11观察土壤水运动情况，按时间次序收集各时间段下的各层产流至对应的水槽单元17内，记录各时间段下各水槽单元内的产流体积，并收集水样供水样分析。

s4、拆除降水示踪剂投放装置，在实验场地上覆盖塑料膜进行密封，防止外界环境干扰。

s5、在地下冰开始发育季节，选定持续采样的间隔时间，直至地下冰发育完全。进入操作过道23，打开钢槽9四个外壁上的各采样门10，观察地下冰发育情况，按次序收集少量地下冰样品并标记样品。将采集的地下冰样品放置在密闭玻璃瓶中，在室温下融化成液态进行收集保存。

s6、在地下冰开始融化季节，固定间隔时间，选定持续采样的间隔时间，进入操作过道23，通过采样门10观察土壤水运动、地下冰融化情况，在所述活动层水及地下冰冻融模拟装置四周，按时间次序收集各时间段下的各层产流至对应的水槽单元17内，记录各时间段下各水槽单元内的产流体积，并收集水样供水样分析。

s7、收集各时间阶段的各采样点中的地温、土壤含水率传感器数据，并测定所收集的各个水体样品中的各种溶质、同位素值及相应化学指标。

s8、分析活动层水及地下冰冻融模拟装置内实验土壤里各采样点在模拟降水产流-地下冰发育-地下冰融化三个阶段的产流量、土壤水量、地下冰量、土壤含水率、地温及各水样的溶质、同位素值及化学指标的时空变化特征，得到相应的横纵向水流路径。

本发明提出的冻土活动层水运动及地下冰冻融过程示踪装置及方法，为冻土区进行实际的活动层水运动、地下冰冻融过程中观测提供了新的研究手段方法，可以在降水产流-地下冰发育-地下冰融化等不同时间段下，对实验土壤各空间内部的活动层水、地下冰情况进行直观观测，并自动监测地温、土壤含水率等关键水文参数，方便快捷地采取冻融过程中各空间分布上的地下冰及土壤水样品。溶质、同位素示踪技术具有较强的物理基础，能提高观测效率，有效地示踪冻融过程中各层土壤中的三维水流路径、解释各水体的来源。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。