含冰山地多年冻土中的孔隙水压力测量

《Cold Regions Science and Technology》：Porewater pressure measurements in ice-bearing mountain permafrost

　　

含冰多年冻土（ice-bearing permafrost）在接近0?°C的温度下会发生冰与水之间的相变。在山坡上，冰的融化或增生以及水的入渗和穿流决定了含冰地貌（如岩石冰川（rock glacier））中的地下水含量和分布，从而影响其岩土工程性质及其在年内和年际时间尺度上的动力学特征。近几十年来，观测到岩石冰川变形速率升高和温度上升，这些地貌的运动学行为已成为地貌学、岩土工程和自然灾害学界关注的核心问题。岩石冰川速度是基本气候变量（Essential Climate Variable, ECV），因此是监测气候变化影响的重要变量。因此，理解驱动岩石冰川速度的过程至关重要。多项研究指出水流和相变对岩石冰川动力学的影响，尤其是在接近0?°C的温度范围内。此外，过去几十年对山地多年冻土进行的电阻率层析成像（electrical resistivity tomography, ERT）监测表明，冻结地层内的含水量不断增加。然而，岩石冰川中冻土内部孔隙水压力（porewater pressure, PWP）的直接测量仍然十分罕见。获取此类地貌中PWP的演变过程对于理解其在快速变化的气候条件和多年冻土变暖背景下的演化至关重要。 在冻结地层中测量孔隙水压力（PWP）主要是岩土工程领域的研究课题，因为水决定了多年冻土基质的岩土工程性质。关键研究课题包括在实验室条件下开发特定传感器和传感器布置方案。地面冰与水之间的转变发生在一定的负温度范围内，而不一定恰好发生在零摄氏度，这调节了冻土水文学中的多种过程。细粒物质（如黏土和粉砂）、高PWP、盐度和总有机碳含量可将相变温度降低至?3?°C。因此，冻结地层中有一部分水在低于0?°C的温度下仍可保持液态，即所谓的非饱和水含量（unfrozen water content）。温度波动在冻结地层的PWP演变中起着关键作用，因为它们驱动相变并引起水在地层基质内的迁移和体积收缩和/或膨胀。在（变暖的）含冰多年冻土中，低渗透性层之间可形成冻土内部含水层。这些含水层可以是承压的或非承压的，并影响冻结地层中的水流。 Phillips等人（2023）首次在岩石冰川的钻孔中安装测压计（piezometer）以监测PWP演变，从而观测到冻土内部含水层。然而，关于压力传感器在野外的行为以及相变相关的水文过程仍存在不确定性。实验室观测有助于更好地解释野外数据和分析岩石冰川的水文特征。这对于理解水文-力学耦合及其在变化多年冻土环境中对岩石冰川速度的影响尤为重要。 由于其块状表层和下方由粗、细沉积物与冰、空气和水混合的异质层，岩石冰川在测压计安装方面极具挑战性。此外，岩石冰川的异质性使数据解释复杂化。含水层连通性可因相变而改变，排水、积水或冰透镜体形成等局部过程可对孔隙水压力的点测量产生强烈影响。两项研究均强调了开展进一步实验室实验以评估传感器在含冰环境中冻融条件下行为的必要性，因为这些商用液位探头并非为冰形成条件而开发，且据研究人员所知，从未在多年冻土基质中使用过。虽然不同尺寸和不同类型测压传感器的实验室实验已研究了冻结地层中的PWP值，但尚无野外数据与这些实验室实验互补。挑战仍然在于将这些方法应用于野外条件并解释基于野外的数据。在本研究中，研究人员使用非通气式测压计（non-vented piezometer）测量绝对压力（水压+大气压）。结合地表气压测量，可以评估深部孔隙水压力和水力连通性。气压信号在深部的传递效率和衰减程度可作为与地表水力连通性的代理指标，从而指示非饱和孔隙水的可用性。 基于在活动岩石冰川中记录的测压数据，研究人员设计了实验室实验，系统研究冻结、冻结状态和融化条件下的PWP演变。实验装置的设计是在详细的室内小尺度岩土工程调查与大尺度实验之间的折中方案，以探究先前实验中影响PWP的过程是否可以在简单实验室条件下观察到，并与野外获得的PWP数据进行比较。 在本研究中，研究人员弥合了受控实验室与野外观测之间的差距，并（i）研究了商用压力传感器（Keller PAA-36XW）监测岩石冰川中PWP的能力，（ii）描述了在冰形成或冰融化的冻融条件下影响传感器行为的过程，以及（iii）将实验室数据与钻孔PWP野外数据进行比较。这使研究人员能够开发一种简单的分析方法来评估野外收集的数据，以改进含冰山地多年冻土中测压计时间序列的解释。

含冰山地多年冻土中孔隙水压力测量的研究解读

一、研究背景与问题

含冰多年冻土（ice-bearing permafrost）在接近0?°C的温度下会发生冰与水之间的相变过程。在山坡地貌中，冰的融化或增生以及水的入渗和穿流决定了含冰地貌（如岩石冰川（rock glacier））中的地下水含量和分布，进而影响其岩土工程性质及年内和年际时间尺度上的动力学特征。近几十年来，观测到岩石冰川变形速率升高和温度上升，岩石冰川速度已被世界气象组织列为基本气候变量（Essential Climate Variable, ECV），成为监测气候变化影响的重要指标。多项研究指出水流和相变对岩石冰川动力学具有显著影响，尤其是在接近0?°C的温度范围内。电阻率层析成像（electrical resistivity tomography, ERT）监测表明，过去几十年中山地多年冻土内的含水量不断增加。然而，岩石冰川中冻土内部孔隙水压力（porewater pressure, PWP）的直接测量十分罕见。Phillips等人（2023）首次在岩石冰川钻孔中安装测压计（piezometer）监测PWP演变，观测到冻土内部含水层的存在，但关于压力传感器在野外的行为以及相变相关的水文过程仍存在不确定性。岩石冰川的块状表层和异质沉积层结构使测压计安装极具挑战性，其异质性也使数据解释复杂化。因此，开展实验室实验以评估传感器在含冰环境中冻融条件下的行为，并将实验室数据与野外数据进行比较，对于改进含冰多年冻土中测压计时间序列的解释具有重要意义。

二、研究内容与主要结论

研究人员使用商用压力传感器（Keller PAA-36XW）和Pt1000温度传感器，在实验室中设计了四种不同处理（T1–T4）的实验装置，分别模拟纯水、20%重量含水量（gravimetric water content, GWC）的粉砂-砂-砾石混合物、15% GWC的混合物以及干燥混合物在冻融循环条件下的PWP演变。实验在冷室中进行，温度设置范围为0?°C至?2?°C，以反映含冰岩石冰川中预期的温度范围。同时，研究人员在瑞士格劳宾登州的Schafberg岩石冰川钻孔中安装了相同类型的传感器，自2020年起收集野外数据。通过对比实验室与野外数据，研究人员开发了一种半定量分析方法，利用测压计、气压计和温度数据的组合，区分完全饱和、部分饱和、承压和非承压条件。研究结果表明，测压计与气压信号之间的强相关性指示地层中非饱和水含量较高且与大气存在水力连通；而弱相关性或负相关性则指示承压条件或冰形成导致的传感器水力隔离。该研究为解释含冰多年冻土中测压计时间序列提供了新的分析框架，对理解岩石冰川在变暖气候下的内部应力分布和应变速率具有重要启示。

三、关键技术与方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：（1）实验室冻融模拟实验，使用Euro堆叠聚丙烯容器，设置四种不同处理（T1纯水、T2 20% GWC、T3 15% GWC、T4干燥混合物），在冷室中进行温度范围为0?°C至?2?°C的冻融循环实验；（2）野外钻孔监测，在Schafberg岩石冰川钻孔中安装Keller PAA-36XW压力传感器和Pt1000温度传感器，自2020年起以60分钟间隔采集数据；（3）气压-测压相关性分析，选取24–48小时短时间间隔，计算Pearson相关系数并进行线性回归分析，评估测压压力与大气压力之间的耦合关系；（4）使用Newey-West异方差和自相关一致性（HAC）标准误差校正回归系数不确定性；（5）利用自相关函数（ACF）评估回归残差的时间自相关性；（6）通过水柱高度计算公式进行传感器安装深度合理性检验。

四、研究结果

4.1 实验室实验结果

T1（纯水处理）： 在最初48小时内，测压压力与大气压力呈极强正相关（r = 0.994），表明非饱和水含量高且与大气存在水力连通。约70小时后，随着冻结锋面从表面向下推进，传感器记录到明显的压力变化。上部传感器记录到持续上升的压力并伴随波动，下部传感器则记录到阶梯式压力上升，在约0.9 bar水平稳定约200小时，期间与大气压力呈中等负相关（r = ?0.370）。在约?1.6?°C温度下，两个传感器均记录到超过1 bar的压力，归因于冰膨胀对传感器膜附近非饱和水的压缩。融化阶段，压力先上升后下降，当环境温度升至约0?°C时压力回落至初始水平。

T2（20% GWC处理）： 最初24小时内测压压力与大气压力呈极强相关（r = 0.996），随后下部传感器压力上升而上部传感器压力下降。约150小时后，两个传感器的PWP均开始上升，上部传感器达到最大值1.26 bar，底部传感器达到1.1 bar。温度仅在压力接近最大值时才开始降至0?°C以下，表明压力发展主要由冻结过程中的冰形成驱动。融化阶段出现凸起状信号，指示有效应力从冰向土壤基质转移并伴随吸力效应。

T3（15% GWC处理）： 最初20小时内与T2无显著差异，与大气压力相关性极强（r = 0.998）。随着冻结锋面推进，上部传感器记录到低于大气压力的测压值，产生负水柱高度值，指示冻结锋面处的吸力效应。底部传感器先出现压力下降后升至0.85 bar，可能与冻结过程中的水分迁移有关。融化阶段压力先升后降，随后突然恢复至初始状态。

T4（干燥混合物处理）： 作为参考测量，确认在非饱和条件下嵌入沉积物中的传感器记录的是大气压力，无法捕获包气带中的入渗过程。

4.2 野外数据结果

4.0 m深度： 传感器呈现明显的周期性模式。仲冬时节测压压力急剧下降至大气压力以下，与大气压力呈弱负相关（r = ?0.214），可能与多年冻土顶板处的非饱和水再分布和冷冻吸力效应有关。PWP最大值出现在每年八月下旬至九月初，此时活动层厚度达到最大，传感器重新建立水力连通。秋季可观察到PWP状态从冻结承压条件向非冻结非承压条件的转变。

4.5 m深度： 周期性模式不如4.0 m处明显，整体呈每年约?0.024 bar的持续下降趋势。2022年和2023年三月观察到压力突然上升0.01 bar，随后出现凸起状增加后逐渐下降。2024年八月末出现0.047 bar的突然下降，可能由排水事件引起。整个时间序列中与大气压力呈弱负相关（r = ?0.252），指示非饱和水的承压条件。

6.0 m深度： PWP范围为1.14至2 bar，对应约4–12 m水柱。呈现季节性变化，每年压力增加0.1至0.4 bar，与融雪引发的温度上升同步。与大气压力呈强相关（r = 0.936），指示存在与大气连通的半承压或非承压层，即使在远低于0?°C的温度下仍保持连通。

8.5 m深度： 信号变化最小，范围为2至1.7 bar，每年下降0.013 bar。与大气压力呈中等负相关（r = ?0.675）。在高冰含量和低渗透性层中，传感器周围区域冻结后PWP可稳定在恒定水平。

五、讨论与结论

研究人员通过对比实验室与野外数据，识别出冻结和融化条件下测压压力的特定模式，可利用测压计、气压计和温度数据的组合区分完全饱和、部分饱和、承压和非承压条件。研究提出了一种半定量分析方法：首先检查测压计、气压计和温度数据的时间演变以了解潜在水文条件，然后分析24–48小时短时间间隔内测压压力与大气压力之间的相关性。强相关性指示地层中非饱和水含量高且与大气存在水力连通；而冰形成导致的传感器水力隔离会使测量压力不再反映孔隙水条件。

研究结论指出，实验室实验中收集的测压和热数据与先前更详细的实验室研究具有相似特征，这些结果有助于更好地解释复杂自然条件下收集的野外测压数据。研究人员使用Keller PAA-36XW测压计和PT1000温度传感器，通过简单实验装置部分复现了岩石冰川的复杂野外条件，并识别出指示不同条件和过程的独特相似性和模式。数据能够区分：（i）由渗透性层中含水量变化驱动的PWP变化；（ii）相变和压力再分布过程的影响；（iii）承压与非承压条件。识别具有高非饱和水含量的层位和承压含水层的存在，指示可能影响内部应力分布和应变速率的水文状况，这些条件可能根据水的可用性和压力积累改变蠕变速率，尤其是在季节转换期间。这些水文见解有助于更好地理解变暖气候下岩石冰川运动学的次表层控制因素。该研究发表于《Cold Regions Science and Technology》。