西北干旱內(nèi)陸盆地區(qū)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度

喬 岡，王文科

1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 7100542.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054

西北干旱內(nèi)陸盆地區(qū)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度

喬 岡1，2，王文科1

1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054
2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054

鑒于包氣帶蒸發(fā)的水分是從地表散失，故查明裸土蒸發(fā)規(guī)律對(duì)研究包氣帶水分蒸發(fā)、潛水蒸發(fā)問題具有重要意義。為了查明西北干旱內(nèi)陸盆地區(qū)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度規(guī)律，通過開展裸土含水率觀測(cè)、包氣帶負(fù)壓觀測(cè)等野外原位試驗(yàn)，結(jié)合氣象資料，對(duì)包氣帶剖面流場(chǎng)特征進(jìn)行分析，采用有限差分法對(duì)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：依據(jù)包氣帶水分在垂向上遷移的不同狀態(tài)，將裸土區(qū)包氣帶剖面劃分為水分向上傳輸帶和水分向下遷移帶2個(gè)帶；西北內(nèi)陸干旱盆地裸土包氣帶極限蒸發(fā)深度為1.2m；受外界蒸發(fā)能力和包氣帶向上輸水能力交替控制作用，盆地內(nèi)裸土蒸發(fā)出現(xiàn)在4月下半月至9月下半月，其中4月下半月至5月裸土蒸發(fā)強(qiáng)度最大，平均蒸發(fā)強(qiáng)度達(dá)0.56mm/d；裸土蒸發(fā)強(qiáng)度平均僅占水面蒸發(fā)強(qiáng)度的3.5%，最大達(dá)6.7%。

裸土；蒸發(fā)強(qiáng)度；總水勢(shì)；包氣帶；干旱內(nèi)陸盆地

0 引言

西北干旱內(nèi)陸盆地降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，蒸發(fā)排泄已成為包氣帶水和潛水主要的天然排泄途徑，而裸土層作為大氣水分和土壤水分交換的界面，對(duì)包氣帶水分以及地下水的蒸發(fā)具有重要作用。盆地內(nèi)以黏性土、黏土為主要巖性類型的包氣帶是否存在極限蒸發(fā)深度，其值是多少以及裸土蒸發(fā)強(qiáng)度有多大等問題，已備受關(guān)注［1－5］。近年來，胡光成［6］、孫艷等［7］對(duì)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度進(jìn)行了研究。但是，從裸土蒸發(fā)機(jī)理的角度研究裸土蒸發(fā)強(qiáng)度仍然是薄弱環(huán)節(jié)。地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣之天山北麓區(qū)是我國(guó)西北典型的干旱內(nèi)陸盆地之一，地處亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，屬典型的大陸干旱性氣候，區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化、荒漠化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。因此，研究包氣帶水分蒸發(fā)機(jī)理對(duì)在西北干旱內(nèi)陸盆地正確理解裸土蒸發(fā)過程、掌握包氣帶水動(dòng)態(tài)規(guī)律以及在地下水資源評(píng)價(jià)中合理確定潛水蒸發(fā)量具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究方法

初步研究［8］表明，準(zhǔn)噶爾盆地地下水循環(huán)主要以垂向交換為主，受內(nèi)陸盆地區(qū)干旱氣候的影響，包氣帶水分蒸發(fā)、潛水蒸發(fā)的水分都是從地表散失。因此，本文主要采用監(jiān)測(cè)裸土區(qū)含水率、監(jiān)測(cè)包氣帶剖面負(fù)壓的方法，結(jié)合氣象要素的分析，來達(dá)到裸土蒸發(fā)強(qiáng)度研究的目的。為了便于查明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，本次研究將逐日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按每半個(gè)月取平均值處理后再進(jìn)行分析。

研究區(qū)每年10月初至翌年3月底為土壤冰凍期，在此期間，包氣帶水分凍結(jié)，裸土和地下水的蒸發(fā)作用很微弱。因此，原位試驗(yàn)從4月初開始至9月底結(jié)束，為期6個(gè)月，共計(jì)180d，獲取裸土含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)170個(gè)，包氣帶負(fù)壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)1 920個(gè)。

1.1 氣象要素觀測(cè)

裸土含水率的變化規(guī)律主要受氣象要素、土質(zhì)的影響［9］，因此，試驗(yàn)區(qū)對(duì)日降水量、日蒸發(fā)量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、最小濕度、凍土深度以及包氣帶埋深0.00、0.10、0.15、0.20和0.40m位置的地溫等14個(gè)氣象要素指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)頻率1次/d；采用篩析、密度計(jì)相結(jié)合的方法對(duì)試驗(yàn)區(qū)包氣帶巖性進(jìn)行顆粒分析定名，以便于對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

1.2 裸土含水率測(cè)定

由于裸土含水率的變化規(guī)律綜合體現(xiàn)了包氣帶水分運(yùn)移受外界影響的程度，故在原位試驗(yàn)場(chǎng)的裸土區(qū)，負(fù)壓計(jì)探頭對(duì)應(yīng)地表的中心位置取裸土樣進(jìn)行測(cè)定，取樣的頻率為1次/5d，如遇下雨天加密為1次/d，連續(xù)觀測(cè)5d，與負(fù)壓計(jì)讀數(shù)的觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)周期保持一致。

1.3 剖面負(fù)壓觀測(cè)

在包氣帶剖面不同埋深設(shè)置負(fù)壓觀測(cè)系統(tǒng)，依據(jù)每1個(gè)層段至少設(shè)置1支負(fù)壓計(jì)、若層較厚時(shí)適當(dāng)加密的布設(shè)原則，在包氣帶剖面上總計(jì)安裝負(fù)壓計(jì)5支，根據(jù)試坑剖面巖性顆粒分析結(jié)果以及結(jié)構(gòu)特征布設(shè)裸土區(qū)負(fù)壓計(jì)位置（圖1）。

圖1 負(fù)壓監(jiān)測(cè)位置Fig.1 Pressure monitoring location

負(fù)壓觀測(cè)頻率1次/5d，若遇雨天每天加密觀測(cè)1次，延續(xù)至5d。運(yùn)用包氣帶剖面負(fù)壓變化可以定性判斷包氣帶水分的運(yùn)動(dòng)方向，并且可以作為裸土蒸發(fā)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證的依據(jù)。

1.4 數(shù)值計(jì)算

在地表裸露的條件下，太陽(yáng)總輻射、氣溫、空氣飽和差等綜合作用使得包氣帶水分散失到大氣中，從而影響剖面負(fù)壓水頭的分布。因此，可借助裸土區(qū)實(shí)測(cè)裸土含水率（計(jì)算區(qū)域的上邊界條件）和實(shí)測(cè)剖面負(fù)壓水頭資料（計(jì)算區(qū)域的初始條件和下邊界條件），采用有限差分法計(jì)算原理［10］確定一維包氣帶水分運(yùn)動(dòng)條件下裸土蒸發(fā)強(qiáng)度。

依據(jù)達(dá)西定律及有限差分法，流經(jīng)第n個(gè)單元的水分通量qzi由下式計(jì)算得到：

式中：Kn、Kn－1分別為第n個(gè)、第n－1個(gè)單元格中心節(jié)點(diǎn)位置處的非飽和滲透系數(shù)，由Van Geunchten［11］于1980年提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算；hn、hn－1分別為第n個(gè)、第n－1個(gè)單元格中心節(jié)點(diǎn)負(fù)壓水頭；zn、zn－1分別為第n個(gè)、第n－1個(gè)單元格中心節(jié)點(diǎn)埋深。

一維包氣帶水分通量計(jì)算差分格式見圖2。

圖2 一維包氣帶水分通量計(jì)算差分格式示意圖Fig.2 Differential scheme schematic diagram of the vadose zone 1Dwater flux computer

2 結(jié)果及討論

2.1 裸土含水率

通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析可知，年內(nèi)裸土含水率變化較大，具體表現(xiàn)為：1）9月上半月至翌年4月上半月裸土含水率總體呈增加趨勢(shì)，4月上半月裸土含水率達(dá)到最大值，達(dá)到25.0%。其原因是：受外界氣象要素變化的影響，隨著降水量的增加和地表氣溫的降低，近地表的氣態(tài)水轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，故裸土含水率呈增加趨勢(shì)。2）4月下半月至8月下半月裸土含水率總體呈下降趨勢(shì)，含水率為4.8%～23.0%，9月份上半月裸土含水率最小，僅為4.8%。其原因是：隨著地表氣溫升高，近地表的液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水，進(jìn)而使裸土含水率呈減小趨勢(shì)（圖3）。

圖3 裸土含水率、裸土地溫隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.3 Changes curve of the bare soil moisture content and ground temperature with time

以上分析反映出包氣帶裸土含水率與氣象要素具有一定相關(guān)性。經(jīng)對(duì)實(shí)測(cè)資料與氣象要素統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)裸土含水率與0m處大于0℃的裸土地溫呈負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系（圖4）。

圖4 裸土含水率與地溫相關(guān)性曲線Fig.4 Relationship between the bare soil moisture content and ground temperature

2.2 剖面負(fù)壓

包氣帶水分在水勢(shì)的作用下，從高水勢(shì)狀態(tài)向低水勢(shì)狀態(tài)遷移。據(jù)此，根據(jù)包氣帶剖面負(fù)壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算繪制了不同時(shí)段包氣帶剖面總水勢(shì)等值線圖（圖5）。依據(jù)包氣帶水分遷移的不同狀態(tài)，可將裸土區(qū)包氣帶剖面劃分為上下2個(gè)帶，分別是水分向上傳輸帶和水分向下遷移帶。由于2個(gè)帶之間的分界面上沒有水分交換，其水分通量為0，因此，該分界面則是零通量面。它可以綜合反映包氣帶水分在垂向上的流動(dòng)特征，其在裸土區(qū)垂向上的位置稱為包氣帶水分蒸發(fā)深度，該深度的最大值即是極限蒸發(fā)深度。從圖5可以看出，原位試驗(yàn)場(chǎng)裸土包氣帶極限蒸發(fā)深度為1.2m。

圖5 裸土含水率、裸土地溫及包氣帶總水勢(shì)等值線分布圖Fig.5 Distribution map among the bare soil moisture content，ground temperature and the water head isoline

2.2.1 水分向上傳輸帶

水分向上傳輸帶主要分布在零通量面以上的區(qū)域，該區(qū)包氣帶水分受外界蒸發(fā)能力及包氣帶向上輸水能力的綜合作用，水分呈向上傳輸狀態(tài)，到地表蒸發(fā)散失到大氣中，轉(zhuǎn)化為大氣水。

2.2.2 水分向下遷移帶

水分向下遷移帶主要分布在零通量面以下的區(qū)域，該區(qū)包氣帶水分不受外界蒸發(fā)能力及包氣帶向上輸水能力的作用，在自重的驅(qū)動(dòng)下，水分呈向下遷移的狀態(tài)，最終到達(dá)潛水面，補(bǔ)給地下水。

2.3 裸土蒸發(fā)強(qiáng)度

水由裸露的土面直接汽化散失到空氣中稱為土面蒸發(fā)。單位時(shí)間從單位面積土表面蒸發(fā)損失的水量稱為土面蒸發(fā)強(qiáng)度（mm/d）。由于包氣帶蒸發(fā)的水分是從地表散失，因此為了研究包氣帶水分蒸發(fā)和潛水蒸發(fā)問題，首先必須了解裸土蒸發(fā)規(guī)律。應(yīng)用前述的包氣帶水分運(yùn)移數(shù)值模型，將原位試驗(yàn)點(diǎn)包氣帶剖面第一個(gè)節(jié)點(diǎn)（即地表面）通量作為實(shí)際裸土蒸發(fā)強(qiáng)度，所計(jì)算不同時(shí)間的裸土蒸發(fā)強(qiáng)度同降水量、平均氣溫的相關(guān)性曲線見圖6。

圖6 裸土蒸發(fā)強(qiáng)度與日降水量、平均氣溫關(guān)系圖Fig.6 Relation curve of bare soil evaporation intensity and rainfall，air temperature

由圖6可見，裸土蒸發(fā)強(qiáng)度與降水量、平均氣溫之間存在著密切的關(guān)系：1）4月上半月裸土蒸發(fā)微弱，降水量較大，以入滲為主；4月下半月至5月上半月受氣溫逐日升高和降水頻率增大等因素控制，裸土蒸發(fā)強(qiáng)度亦開始逐漸增大，且與氣溫之間存在2～3d的滯后。其原因是：這段時(shí)間內(nèi)降水量增加及前期凍土和地表積雪消融，使裸土及包氣帶含水量增加，包氣帶向上輸水能力大；而同時(shí)氣溫呈波動(dòng)狀急劇升高，溫度急劇升高使裸土中更多的水分汽化散失到空氣中，裸土蒸發(fā)強(qiáng)度增大，此時(shí)，裸土蒸發(fā)強(qiáng)度主要受外界蒸發(fā)能力的控制。2）5月下半月至9月下半月，氣溫持續(xù)升高，但降水量少，地表土層和包氣帶受降水量小、含水率低、向上輸水能力弱的限制，裸土蒸發(fā)強(qiáng)度相對(duì)減小，變化比較平穩(wěn)。只有在較大降水強(qiáng)度發(fā)生2～3d后，裸土蒸發(fā)強(qiáng)度才出現(xiàn)明顯的增大；隨后受氣溫高等因素影響，裸土蒸發(fā)強(qiáng)度經(jīng)歷快速減小到逐漸緩慢減小的過程，直到下一次較大降水強(qiáng)度的出現(xiàn)，又重復(fù)上述過程。這種過程在這段時(shí)間內(nèi)呈交替發(fā)生，此時(shí)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度主要受包氣帶向上輸水能力控制。3）9月下半月以后，氣溫持續(xù)下降，降水增加，裸土蒸發(fā)強(qiáng)度很小，地表土層呈入滲狀態(tài)，此時(shí)，裸土蒸發(fā)強(qiáng)度又開始轉(zhuǎn)變?yōu)槭芡饨缯舭l(fā)能力控制。

裸土蒸發(fā)強(qiáng)度受外界蒸發(fā)能力和包氣帶向上輸水能力雙重作用控制，不同時(shí)間、不同強(qiáng)度的降水對(duì)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度影響不同：4月上半月至5月下半月小于5mm的降水量就可對(duì)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度產(chǎn)生較明顯的影響；而5月下半月至9月下半月只有大于10 mm的降水量才對(duì)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度產(chǎn)生較明顯的影響，小于5mm的降水量對(duì)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度影響不大。

經(jīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表明，區(qū)內(nèi)裸土蒸發(fā)出現(xiàn)在4月下半月至9月下半月，其中：4月下半月至5月裸土蒸發(fā)強(qiáng)度最大，平均蒸發(fā)強(qiáng)度0.46～0.56 mm/d；6月至7月裸土平均蒸發(fā)強(qiáng)度0.19～0.32 mm/d；8月上半月裸土平均蒸發(fā)強(qiáng)度為0.29mm/d；8月下半月至9月底裸土蒸發(fā)強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，至9月底平均蒸發(fā)強(qiáng)度只有0.13mm/d（圖7）。裸土蒸發(fā)強(qiáng)度平均占水面蒸發(fā)強(qiáng)度的3.5%，最大可達(dá)到6.7%，出現(xiàn)在5月份（圖8）。

3 結(jié)論

1）依據(jù)包氣帶水分在垂向上遷移的不同狀態(tài)，可將裸土區(qū)包氣帶剖面劃分為水分向上傳輸帶和水分向下遷移帶2個(gè)帶；受干旱氣候的影響，對(duì)于黏性土質(zhì)而言，裸土蒸發(fā)的極限深度為1.2m，且出現(xiàn)在裸土含水率最小的8月下半月。

圖7 裸土蒸發(fā)強(qiáng)度圖Fig.7 Topsoil average evaporation intensity

圖8 裸土蒸發(fā)強(qiáng)度占水面蒸發(fā)強(qiáng)度的比例Fig.8 Percentage of topsoil to water surface average evaporation intensity

2）在西北干旱內(nèi)陸盆地，裸土蒸發(fā)主要發(fā)生在4月下半月至9月下半月，其中4月下半月至5月裸土蒸發(fā)強(qiáng)度最大，且裸土蒸發(fā)強(qiáng)度主要受外界蒸發(fā)能力的限制；6月至9月下半月裸土蒸發(fā)強(qiáng)度逐漸減小，且裸土蒸發(fā)強(qiáng)度主要受包氣帶向上輸水能力制約。

3）裸土蒸發(fā)強(qiáng)度平均占水面蒸發(fā)強(qiáng)度的3.5%，最大達(dá)6.7%。

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Evaporation Intensity of Bare Soil in Northwest Arid Inland Basin

Qiao Gang1，2，Wang Wenke1

1.SchoolofEnvironmentScienceandEngineering，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China
2.Xi’anCenterofGeologicalSurvey，CGS，Xi’an710054，China

Owing to the vadose zone evaporation water from the ground surface，finding out the bare soil evaporation rule has important meaning to study some vadose zone water and underwater evaporation problems.To find out the rule of bare soil evaporation intensity in northwest arid inland basin，we analyze the vadose zone cross section water flow features with weather data and calculate the bare soil evaporation intensity adopting the finite-difference method through developing some bare soil water content and vadose zone pressure monitoring site experiments.Express as a result：According to vertical transportation different status of some vadose zone water，the cross section in the bare soil area vadose zone is divided into the vadose zone water upward to transfer zone and the vadose zone water downward to move zone.The extreme limit evaporation depth is 1.2min the bare soil zone of Northwest arid inland basin.Subjecting to the external space weather evaporation ability and the vadose zone water upward to transfer ability，the bare soil evaporation inside the basin appears in the second half month of April to the second half month of September，among which the bare soil evaporation quantity in the second half month of April to May is the biggest，and the evaporation intensity reaches to 0.56mm/d on the average.The percentage of the bare soil evaporation intensity only equivalent to surface evaporation intensity on the average of 3.5%，as biggest as 6.7%.

bare soil；evaporation intensity；total water potential；vadose zone；arid inland basin

10.13278/j.cnki.jjuese.201404211

P641.131

A

喬岡，王文科.西北干旱內(nèi)陸盆地區(qū)裸土蒸發(fā)強(qiáng)度.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2014，44（4）：1327-1332.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404211.

Qiao Gang，Wang Wenke.Evaporation Intensity of Bare Soil in Northwest Arid Inland Basin.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1327-1332.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404211.

2013-10-22

教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目（308021）；教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（02078）

喬岡（1980—，男，博士研究生，助理研究員，主要從事干旱區(qū)水資源合理開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面的研究，E-mail：qgcyboy＠163.com。