冻（融）层厚度是综合反映季节性冻融期土壤水热状况的一个物理指标，对非饱和冻融土壤的入渗特性有很大影响。为了了解不同冻融层发育条件下土壤入渗状况，于1995～1996年冬春季节在山西省中心灌溉试验站绿豆茬地、冬小麦田和深耕绿豆地三种试验田中进行了系列入渗试验。下面仅就试验结果进行讨论。
对于未灌溉的田块，当冻层厚度小于20 cm时，冻层厚度df是影响冻土入渗特性的重要因素之一（见图4-24）。当冻层厚度介于2～20 cm时（小于耕作层深度），冰层的形成、发育大大减小了入渗水流的孔隙空间及运移通道。冻层厚度大于20 cm后，冻层厚度对冻土入渗能力的影响相对减弱。
图4-24 累积入渗量随冻层厚度变化曲线
由图4-24 可知，随着冻层厚度的增加，土壤入渗能力按照幂函数规律减小。三种处理条件下冻土累积入渗量的一般表达式为：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，df为冻层厚度；Af为冻层厚度大于25 cm后的90 min累积入渗量；Af+Bf为非冻结条件下的累积入渗量；Cf为经验系数。每种田间处理条件下方程的系数见表4-7。
图4-25为不同冻层厚度下，三种处理的累积入渗量随20 cm土壤层平均含水率（包括未冻水和冰）的变化的关系曲线。结果表明不管冻层厚度多大，累积入渗量均随土壤含水率的增大而减小。但其减小的范围是有限的。当土壤含水率小于20%时，曲线斜率较大；含水率为20%～35%时，曲线斜率减小；含水率大于35%后，累积入渗量趋向于相同的值。正如上节所表述的，土壤含水率与累积入渗量有如下关系：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，H90为90 min累积入渗量（mm）；θ为总含水率（%）；A和B为经验系数。
为了预报当地土壤条件下的累积入渗量，进行了不同冻层厚度下土壤入渗随含水率变化的回归分析，结果见表4-8。
表4-7 未灌田块累积入渗量估算系数
表4-8 不同冻层厚度下方程H90=Aθ-B的回归系数
表中所有计算结果的相关系数均大于0.9，表明在当地土壤条件下，累积入渗量随土壤含水率的增加呈幂函数规律减小具有普遍意义。因此，回归方程可用于预报土壤入渗能力。
理论上土壤入渗率是由土水势梯度和非饱和水力传导度决定的。如果土壤含水率较小，土壤即使冻结，其中含冰率较低。在此条件下，冻土的水力传导度近似于非饱和未冻土，同时地表处的土水势梯度由于含水率低而较大，所以在灌溉水流施加于土壤表层的短时间内会出现较高的入渗率；随着含水率的增加，冻土中的冰含量增大，由此导致水力传导度减小，所以土壤入渗能力降低；当土壤含水率增大到一定程度以后（取决于冻层厚度），冰的增加所引起的水力传导度的变化非常小，所以土壤入渗能力的降低非常有限。
相同质地的冻土入渗能力随冻层厚度和含水率的增加而减小。在土壤冻结的初期，较高的土壤含水率仅仅意味着液态水含量的升高，对入渗的影响较小；随着冻层厚度的增加，冻土中冰所占比例随含水率的升高而增加，因此，土壤入渗能力必然随着二者减小。
图4-25 不同冻结深度下累积入渗量随土壤初始含水率的变化曲线
考虑到农田节水灌溉中入渗参数每次试验测定的困难和不经济，同时考虑到自然界土壤质地和结构相同、初始含水率和冻层厚度不同的情况的普遍存在，提出一种综合土壤初始含水率和冻层厚度影响的累积入渗量预测模型对冬春灌溉是非常有意义的。前面已叙及，相同冻层厚度下，冻土累积入渗量与表层土壤初始含水率为幂函数关系，对于任何一种给定土壤，此模式都是普遍适用的，其他因素的影响仅改变（4.10）式中的系数 A 和B。图4-26给出了（4.10）式中的系数 A 和B 与冻层厚度的关系曲线。由图可见，系数 A和B 可表示为冻层厚度的幂函数：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，a、b、c和d为回归系数；df为冻层厚度。冻层厚度和土壤初始含水率在野外比较容易测定，利用实测资料即可对累计入渗量进行预报。首先将冻层厚度实测值分别带入式（4.11），求出系数A和B；再将初始含水率实测值及系数A和B计算结果带入式（4.10）求出累计入渗量。研究区三种结构冻土累积入渗量的预报模型见表4-9。
图4-26 冻层厚度对系数A、B的影响（h90=aθ-b）
表4-9 累积入渗量预报模型
由以上模型计算得出的三种处理冻土累积入渗量与实测值的相关性非常好，达到0.905，其平均误差为-1 mm。因此，以上模型可用于预报冻土的累积入渗量，进而为农业冬春节水灌溉、土壤水资源的高效利用提供参数和依据。
冻层厚度大于30 cm后，随着冻层的不断向下扩展和渗透，地表的蒸发作用也在强烈地进行着。由于整个冬季几乎没有降雨，地表的“干土层”逐渐向下发展，到3月初，表层土壤的天然含水率降到7%以下，“干土层”厚度达5～7 cm。这段时期，影响冻土入渗的主要因素不在是冻层厚度，而是由地表向下扩展的融化深度和“干土层”厚度。天然含水率条件下三种结构冻土的累积入渗量随融化深度的变化见图4-27，它们之间也服从幂函数规律：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，df为土壤融化深度（cm）；H90为90 min冻土的累积入渗量（mm）；Af和Bf为经验系数。三种处理（4.12）式的系数在表4-10中给出。
图4-27 累积入渗量和融化深度的关系曲线
早春季节，冻土首先从地表开始向下融化。在此期间，地表最高温度达29.5℃，最低温度为-11℃，地表之下20 cm处的地温变化可达4.1℃，耕作层内日温差变化较大。因此，冻土层白天消融，夜晚气温降低时又从地表向下冻结。由于气候转暖、气温逐渐升高，冻结深度总是小于融化深度，于是便在耕作层内形成双冻层。通常双冻层只存在于上午11点之前，下午15点之后上部冻层消失。双冻层的出现降低了表层土壤的渗透性能，使冻土累积入渗量减小。比较1996年3月7日在三种处理未灌溉土壤中进行的入渗试验结果，绿豆茬地、冬小麦田和深耕地早晨的累积入渗量比下午的分别少8%、15%和18%。对于灌溉田块，上部冻结的形成对入渗水流的阻渗作用更强。1996年3月9日晚零点在预埋环的绿豆茬地试验田块分别灌溉12.5 cm和9.37 cm的水，次日上午9点做了入渗对比试验。结果表明：两种灌溉田块的90 min累积入渗量比未灌溉田块分别减少了63.72%和43.98%。
表4-10 融化期估算累积入渗量系数