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冬季覆盖海冰条件下海冰消融过程水盐
变化分析
武林红，陶 军，张 化，许映军，常志云
（1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875;
2. 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875）
摘要：众多国家和地区对非常规水源利用一直给予研究和重视，冬季海冰覆盖条件下，融水
质量变化特征不同于常规灌溉，研究和掌握其规律对咸水冰资源综合利用十分重要。利用冬
季室外冰柱、土柱实验，以实时监测海冰消融全过程为手段，深入分析冬季覆冰条件下海冰
融水水量及总盐动态变化。实验结果表明：融水量最大值出现在下午 15时左右；覆盖海冰
条件下，海冰消融入渗过程分为集中排盐、深度脱盐、淡水入渗三个阶段。实验结果可为冬
季覆冰或咸水结冰灌溉提供技术参考。
关键词: 覆海冰；消融过程；水盐变化；滨海地区
Water and salt changes during the melting of sea ice covered
on soil in winter
Wu Linhong, Tao Jun, Zhang Hua, XU Yingjun, Chang Zhiyun
(1. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal
University, Beijing 100875, China;2. Key Laboratory of Environmental Change and Natural
Disaster, MOE, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)
Abstract: Many countries have been taking research on and paying attention to the use of
unconventional water resources. In winter, sea ice covers on soil, and thus the variation of quality of
melted water differs from conventional irrigation water. A thorough understanding of this is of great
importance to comprehensively utilize salty ice resources. In this paper, winter outdoor ice column and
soil column experiments were carried out by real-time monitoring of sea ice melting in the whole
process, and amount and Ec dynamics of melted water were analyzed under sea ice covering conditions.
The experimental results showed that, the maximum amount of melted water occurred at about 15:00
pm; under ice covering conditions, ice melting process can be divided into three stages, .,
concentrated salt drainage, purity desalination, and fresh water infiltration. Our results could provide
technical reference to the winter sea ice or salty water irrigation.
Key words：sea ice cover; melting; change of water and salt; coastal regions
我国环渤海地区是缺水最严重的区域之一，其中天津市、北京市、河北省人均水资源量
均在 220 m3 以下，远低于 m3/人的全国人均水平，严重制约了当地的工农业生产[1]。
渤海海冰资源作为淡水利用的技术研究将对缓解我国滨海乃至北方地区农业水资源短缺，促
进区域社会经济的可持续发展起到积极的作用[2]。冬季海冰覆盖是一种盐碱地改良的新方法
[3]，它是利用渤海海域丰富的海冰资源，在冬季直接采冰、覆冰的方式，利用自然升温海冰
融化咸淡分离原理[4]，促使土壤进行盐分淋洗和淡水灌溉，最终达到盐碱土改良、增墒与节
约淡水等目的。经过自然低温过程形成的海冰，其盐度约 4～11g/L，最低可达 2g/L 以下，
远低于海水的盐度 29～31g/L[5]，通常也低于近海地区浅层地下水的盐度（10～25g/L）。从
融水水质分析来看，海冰在缓慢融化、渗析过程中融水含盐量可降至
mg/L、硫酸盐 mg/L，符合农田灌溉水水质标准[6]，因此在合理利用下可以满足土壤
改良、增墒的用水需要。
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20130003120020）；国家重点实验室人才培养项
目（2012-RC-01）；国家 863 计划子课题（2011AA100505-3）
作者简介：武林红（1986—），女，硕士研究生，主要研究方向为自然资源综合利用
通讯联系人：张化（1979—），工程师，主要研究方向为滨海水土资源综合利用，
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世界上众多国家和地区对非常规水源利用一直给予研究和重视，但主要关注作物生育期
（春、夏）海水、微咸水灌溉利用[7-8]，而很少研究海冰或咸水冰的综合利用，近年来才有
极少数科研组织涉猎部分内容[9]。冬季覆冰条件下，咸水冰的消融过程对覆冰技术及水土资
源安全有重要影响，但针对性的研究不够深入。1891 年，科学家 在关于极地冰层融
化的研究中首次讨论了结冰融冰课题，人们就此开展了相关研究。虽然未见针对海冰覆盖条
件下的海冰融化过程研究，但对极地和海洋海冰的生消过程研究较多[11-12]，具有一定借鉴意
义。海洋海冰热力过程是一个垂直方向上的多层热交换和热传导过程，包括三部分内容：冰
盖上表面的辐射、对流传热和蒸发冷凝热；冰盖下表面的海水传热以及冰盖内的热传导[13]。
冬季覆盖海冰条件下，破碎的片状海冰在农田土壤上堆砌，理论上分析覆盖海冰融化的上表
面热力学过程主要受太阳辐射、冰体本身固液相对流传热、蒸发冷凝热及水盐相互作用影响；
与海洋海冰不同，覆盖海冰条件的下垫面介质是土壤，因此还涉及土壤潜热等因素的影响。
总体来说，覆盖海冰条件下的海冰消融过程的研究鲜有报道，由于热力学过程影响因素
众多且较复杂，同时考虑到冬季覆盖海冰利用技术发展的实际需要，本文按照简单实用的原
则，开展了海冰消融过程中水盐变化的室外冰柱/土柱实验，以期对海冰、咸水冰资源春季
降盐、增墒利用提供参考。
1. 材料与方法
实验区选择
实验选择在河北省黄骅市渤海新区（原中捷友谊农场十三队）进行，实验区位于北纬
38°19′-38°29′，东经 117°23′-117°39′之间。暖温带半湿润季风气候，季风特征显著，四季分
明，夏季潮湿多雨，冬季干燥寒冷。年平均日照时数 2755 h，光照充足，无霜期平均为 194
天，年均气温 ℃,年降水量平均 627 mm，夏季约占 75%，易出现“春旱夏涝秋吊”现象。
实验方法
具体采用室外冰柱融水质量变化模拟田间覆盖海冰条件的海冰消融过程；实验覆冰量设
置 2 个处理，2 个重复；融渗过程采用水量自计仪及盐分传感器实时监测，并获取数据；由
于融水量受环境影响不能稳定供给，盐度指标无法直接测量，因此实验中采用入渗土壤 5 cm
处的电导率指标表征海冰融水盐度的变化情况。具体如下：
1)监测设备。土壤盐度监测系统（EnviroPro传感器，土壤5 cm处）、空气温湿度Watchdog、
翻斗式水量自计仪；监测时间间隔为30 min。
2）实验材料。有机玻璃土柱（内径20cm、高120cm）、5cm保温层、胶带等，土柱回填
土盐度
3）实验处理。覆冰量10 kg（相当于灌溉300mm）、覆冰量15 kg（相当于灌溉450 mm）；
覆冰量对土壤降盐、增墒的效果影响一直没有系统性的研究，没有具体参考标准。另外，
融冰后期的淡水入渗是深层压盐和根层土壤淡化的关键，因此将淡水入渗量作为覆冰量的
代表。具体是依据海冰快速自脱盐过程中剩余总冰量50%的淡水计算，而升华损失（该部
分为淡水）20%～30%，因此实际进入土壤中的淡水量只有覆冰量的20%～30%，反过来
推算覆冰量标准，即覆冰量10 kg相当于灌溉淡水60 吨/亩，而覆冰量15 kg时，相当于灌
溉淡水90 吨/亩，符合农田深度灌溉要求，具有一定代表性。实验中海冰裸露在空气中，
无遮挡和覆盖，海冰放在翻斗式水量自计仪上，然后固定，自计仪下接土柱，使融水完全
渗入土壤。具体参见图1。
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图 1 实验装置示意图
2. 结果与分析
海冰消融 24 h 变化
图 2 为实验期间气温及净辐射小时变化分析图，可知上午 8 时左右气温最低，温度约为
-1℃；8 时至 15 时气温呈现明显的上升趋势，约 15 时升至全天最高值 ℃；随后呈现下
降趋势，次日 1 时左右降至 0℃以下。净辐射与太阳高度角有直接关系，如无云体遮挡等因
素影响，逐日净辐射变化不大，实验期间 7 时-19 时净辐射变化呈现抛物线形态，13 时达到
峰值 W/m2。
0
50
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300
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净
辐
射
/(
W
∙m
ˉ2 )
温
度
/℃
时间/h
时均气温 时均净辐射
0
500
1000
1500
2000
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
È
ÚË
®Á
¿/m
l
时间/h
覆冰10kg
覆冰15kg
平均
图 2 实验期间气温及净辐射时变化图 图 3 覆盖海冰融水量时变化分析图
图 3 为覆盖海冰条件下，海冰融水时累积量变化分析图。由图 3 可知，海冰消融过程中，
14 时-17 时为融水量较大的时段；其中，覆冰 10 kg 处理 16 时达到最大值 1358 mL，约占总
覆冰量的 13%，14 时-17 时段总累计融水量约占覆冰量的 47%；覆冰 15 kg 处理 14 时达到
最大值 1876 mL，约占总覆冰量的 12%，14 时-17 时段总累计融水量约占覆冰量的 38%；总
体来看，15 时为覆冰条件下融水量最大的时段，累计融水量约占总覆冰量的 %。
上述分析可知，覆冰条件下，海冰融水量变化与时均温有较好的关系，相关系数达 ，
而与净辐射变化相比，海冰融化过程滞后大约 2 时-3 小时，相关系数 。覆冰 15 kg 处理，
融水量峰值时间早于覆冰 10 kg 处理，其原因可能是大冰量的总热容量较大，受温度变化影
响相对不敏感，较大的冰体表面积受太阳辐射的影响更大；另外水盐相互作用也是重要影响
因素。
海冰消融日变化
图 4 为气温及净辐射日变化分析图。由图 4 可知，实验期间温度总体呈逐渐增加趋势，
但昼夜温度波动较大，2 月 2 日-8 日有明显的系统性降温过程。由于日照时数逐渐增加，实
验期间净辐射日变化呈现缓慢升高趋势，但日间波动亦剧烈。
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50
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3
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6
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9
净
辐
射
/(
W
∙m
‐2 )
温
度
/℃
时间
日平均气温 日净辐射
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400
800
1200
1600
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7
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1
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4
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0
2‐2
3
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3‐1 3‐4 3‐7 3‐1
0
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3
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6
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9
融
水
量
/m
l
时间
覆冰10kg 覆冰15kg
图 4 气温及净辐射日变化图 图 5 覆盖海冰融水量日变化分析图
图 5 为覆盖海冰融水量日变化分析图。由图 5 可知，海冰融化过程主要经历了三个阶段：
分别为 1 月 24 日-2 月 8 日快速融化阶段、2 月 9 日-3 月 1 日缓慢融化阶段和 3 月 1 日-3 月
19 日融化末期。与其他两阶段相比，快速融化阶段日均温较低，而净辐射较高，说明该阶
段净辐射的影响更重要；缓慢融化阶段，同时具备日均温大于 0℃与净辐射大于 100 W/m2
两个条件时，融水量变化受气温和净辐射等综合因素影响明显。随着气温逐渐回升，特别是
3 月 1 日-3 月 11 日期间，日平均温度 ℃，覆冰 10 kg 处理融水量为 0 mL，覆冰 15 kg
处理融水量为 mL，两个处理融水量差异的原因可能是脱盐后淡水冰总吸热量差异导致
融水量可能小于蒸发、升华损失量，所以即使在温度和净辐射持续增加的情况下，融水量变
化依然没有明显规律性。
结合图 4、图 5 可知，海冰消融过程受 2 月 2 日-8 日明显的系统降温过程影响，说明海
冰消融过程的阶段性划分与天气系统过程有较大关系。实际上，该地区冬季天气的系统降温
过程十分频繁，所以实验结果符合覆冰利用实际情况，也具有一定代表性。实验期间，15 kg
覆冰量处理的水量总体损失率为 32%，大于覆冰 10 kg 处理的水量总体损失率 19%。
海冰融渗水电导率变化
图 6 为 5 cm 处土壤电导率变化分析图。由图 6 可知，海冰融水土壤入渗过程中，5 cm
土壤层电导率为指示融水盐度的指标呈阶梯状降低形态。全过程可分为集中排盐、深度脱盐、
淡水入渗 3 个阶段，其中集中排盐阶段的土壤盐度呈现快速升高、维持短暂高盐水平、快速
下降的现象。结合气温和净辐射指标变化分析，该阶段受净辐射影响较大，其原因可能是海
冰内部大量盐胞吸收了较多的短波辐射热能的原因。结合图 5 分析可知，覆盖海冰条件下，
土壤 5 cm 处盐度与融水量变化在时间上较一致，其中深度脱盐阶段后期（2 月 26 日），土
壤电导率基本稳定在 左右，之后仍有占总覆冰量 11%～21%的淡水入渗。
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4
1‐2
7
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0
2‐2 2‐5 2‐8 2‐1
1
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0
2‐2
3
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3‐1 3‐4 3‐7 3‐1
0
3‐1
3
3‐1
6
3‐1
9
电
导
率
/(
m
S∙c
m
‐1 )
时间
覆冰10kg 覆冰15kg
图 6 5cm 处土壤电导率实时变化分析图
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3. 结论与讨论
1）海冰消融 24 h 变化。覆冰条件下，融水量与时均温有较好的相关关系，而与净辐射变
化相比，有 2～3 h 的滞后。下午 15 时左右为融水量最大的时段，融水累计量约占总覆冰量
的 %。仅就 2 个覆冰量处理进行分析，覆冰量越大，融水量受温度变化的影响越不显著；
而受净辐射变化的影响更明显。
2）海冰消融逐日变化特征。覆冰条件下，实验期间融水量变化主要经历了快速融化，缓
慢融化和融化末期三个阶段。与其他两阶段相比，快速融化阶段日均温较低，而净辐射较高，
说明该阶段净辐射的影响更重要；缓慢融化阶段，同时满足日均温大于 0℃与净辐射大于 100
W/m2 两个条件时，融水量变化较明显，说明该阶段主要受气温和净辐射等综合因素影响；
融化末期，可能由于淡水冰总吸热量差异导致融水量小于蒸发、升华损失量，使得在温度和
净辐射持续增加的情况下，融水量依然没有明显的规律性。
3）海冰融渗水电导率变化。覆冰条件下，5 cm 处土壤电导率呈阶梯状降低趋势，过程可
分为集中排盐、深度脱盐、淡水入渗三个阶段，其中集中排盐阶段受净辐射影响较大，其原
因可能与海冰内部大量的卤水盐胞可以吸收大量短波辐射的影响相关。从整体看，5 cm 处
土壤脱盐后仍有 11%～21%的淡水参与更深层土壤的洗压盐。与有关文献提到的设置遮盖层
的覆冰实验结果相比，剩余淡水比重偏少，说明设置遮盖层等措施可有效防止水分损失，保
留淡水。
冬季室外实验，由于受天气系统降温过程的影响较大，实验结果出现明显的阶段性、非
连续的融化和排盐过程，因此与室内控温实验结果有较大区别。实际上，冬季天气系统的降
温过程十分频繁，说明该实验结果更符合覆冰利用的实际情况，并且海冰消融过程经历的时
间越长，越不利于淡化水资源的保留。因此，针对不同融冰和脱盐阶段，可以采取推迟覆冰
时间或设置遮盖层、防蒸发等措施，以提高快速降盐、保留更多淡水的目的。
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