鄂爾多斯盆地水面蒸發(fā)與土面蒸發(fā)試驗(yàn)研究

□范 磊 □張靜靜 □譚周洋（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司 河南眾英環(huán)保工程有限責(zé)任公司）

0 引言

鄂爾多斯盆地幅員遼闊，資源豐富，是21世紀(jì)我國實(shí)施西部大開發(fā)的能源化工基地。近年來，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對水資源的需求急速增加，但這里降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，荒漠化與水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。初步研究表明，鄂爾多斯盆地地下水循環(huán)以垂向交換為主。湖泊和潛水蒸發(fā)是研究區(qū)淺層地下水的主要排泄方式，因此，作為地下水資源均衡中的一個(gè)核心要素，研究該地區(qū)潛水面蒸發(fā)強(qiáng)度的時(shí)空分布，探討水面蒸發(fā)規(guī)律及其影響因素，對于評價(jià)研究區(qū)水資源量、合理保護(hù)利用地下水資源具有十分重要的意義。

1 研究現(xiàn)狀

在水面蒸發(fā)方面，國內(nèi)外研究的比較多，迄今為止，國際上對蒸發(fā)（散）量的測定和計(jì)算方法的研究已取得了一系列成果。潛水蒸發(fā)方面則研究的比較少，目前，對潛水蒸發(fā)的研究主要是通過建立包氣帶垂直一維數(shù)學(xué)模型，利用模型算得潛水面蒸發(fā)量，而目前最常用的軟件是Hydrus-1D，但在包氣帶垂直一維數(shù)學(xué)模型的建立過程中，上邊界的給定問題，尚需商榷。在地表處于蒸發(fā)狀態(tài)，當(dāng)利用一維包氣帶數(shù)學(xué)模型計(jì)算潛水面的消耗時(shí)，上邊界條件就很難給定了。這是因?yàn)榘从?jì)算要求，最好是給定地表面的含水率或者負(fù)壓，這就很容易計(jì)算出上下邊界的通量，從而也就知道了潛水面的消耗，自地表面實(shí)實(shí)在在的蒸發(fā)與從潛水面的消耗，還可知道又有多少量被保存在包氣帶中，水量平衡一目了然。但從目前的測試技術(shù)手段來看，要測定地表的含水率或者負(fù)壓尚有一定的難度。但若能給出表土蒸發(fā)量，將此作為上邊界條件，就很容易利用模型算得下邊界（潛水面）的通量（消耗量）及包氣帶水分的分布。而表土蒸發(fā)量與大氣溫度、地表溫度以及包氣帶的巖性之間存在著密切的聯(lián)系，因此對不同巖性的表土蒸發(fā)研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

2 試驗(yàn)場簡介及實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 試驗(yàn)場簡介

試驗(yàn)場位于內(nèi)蒙古烏審旗河南（鄉(xiāng)）氣象站院內(nèi)，東經(jīng)108°43′7″，北緯 37°51′6″，距達(dá)（達(dá)布查克）掌（掌高兔）公路500m，交通方便。地貌為位于無定河上游的風(fēng)沙灘地，地下水位埋深約7m。多年平均氣溫8℃，最高氣溫36.70℃，最低溫度-34.30℃。多年平均年降水量約為320mm，蒸發(fā)量約為2266mm。多年平均凍土深度97cm。上半年多西北風(fēng)，下半年多東南風(fēng)，2-4月份風(fēng)較大。

本實(shí)驗(yàn)選定當(dāng)?shù)氐?種主要巖性：風(fēng)積砂、薩拉烏蘇、砂質(zhì)壤土和紅砂巖。

2.2 水面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置

蒸發(fā)池長4 m、寬1 m、深1 m，四周用磚漿砌，內(nèi)涂防水水泥，使蒸發(fā)池不滲漏。蒸發(fā)池中放E601蒸發(fā)皿（皿器材料為玻璃鋼，直徑618 mm，面積為0.30 m2、深1 m），測量用渦桿標(biāo)尺，測量精度仍可達(dá)0.10mm。

2.3 表土蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置

表土蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置包括土面蒸發(fā)的室內(nèi)測量系統(tǒng)和試驗(yàn)室外觀測系統(tǒng)，水位控制在試樣面下5 cm處，由馬斯瓶補(bǔ)償儀測得的補(bǔ)水量就是供試樣的土面蒸發(fā)量。由于使用材料的差異，馬斯瓶主管的有效內(nèi)部面積為37.98cm2，與蒸發(fā)桶口的面積之比為1：78.98。測量精度較高。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 地表溫度

地面的熱狀況是影響地—?dú)庵g水汽運(yùn)移的主要因素，受太陽輻射能的強(qiáng)烈影響。地面熱狀況的改變體現(xiàn)在地表溫度的變化上，故本次實(shí)驗(yàn)對地表溫度進(jìn)行了觀測。選取無降水日2007年8月17日與18日兩天風(fēng)積砂的地表溫度變化規(guī)律。

太陽輻射到達(dá)地面以后很快被吸收，地面吸收的熱量通過固體顆粒和顆?？紫堕g的空氣向下傳導(dǎo)，引起土壤溫度在垂直剖面上發(fā)生不同的變化。因此在試驗(yàn)場地選擇了一個(gè)剖面（風(fēng)積砂），在場地中間設(shè)置了一個(gè)大氣—包氣帶溫度傳感器，測量點(diǎn)埋深：-0.50 m（離地面向上 0.50 m）、0.00 m（地表）、0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.30 m、0.40 m、0.50 m、0.90 m、1.50 m，共 10個(gè)點(diǎn)。同樣選取無降水日2007年8月17日與18日兩天的溫度變化規(guī)律。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)得出，地下溫度的變化具有兩大特點(diǎn)：

一是地溫的變幅隨著深度衰減。地表溫度變化最為劇烈，隨著埋深的增加，地溫的變化趨于平緩，到了地表下0.50 m時(shí)地溫變化已經(jīng)趨于恒定，變幅僅為0.60℃。

二是地下溫度的變化具有滯后現(xiàn)象，且隨著深度的增加滯后的時(shí)間越長。

這是由于空氣與地面以下包氣帶介質(zhì)在熱容上的差異，因此當(dāng)氣溫升高時(shí)地面溫度要比氣溫升高幅度大；當(dāng)氣溫降低時(shí)，地面溫度又要滯后于溫度變化而降得慢。由于地溫是在地面溫度的“帶動(dòng)”下變化的，自地面向下傳熱或者是自地下向地面散熱都需要一個(gè)過程，這就是地面以下包氣帶中的地溫變化要滯后于地面溫度變化的主要原因。

3.2 水面蒸發(fā)與表土蒸發(fā)的對比以及與溫度的滯后性分析

表1為水面蒸發(fā)觀測系統(tǒng)（E601）與表土蒸發(fā)觀測系統(tǒng)（5cm）一個(gè)無降水日時(shí)段（2007年8月15日晚8點(diǎn)—2007年8月17日晚8點(diǎn)）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在測量蒸發(fā)量的同時(shí)，每兩個(gè)小時(shí)觀測一次溫度。

表1 不同巖性及淡水的蒸發(fā)強(qiáng)度表 單位：（mm）

由表1可以看出，不同巖性的表土蒸發(fā)強(qiáng)度有所不同，風(fēng)化砂巖和風(fēng)積砂的比較大，而薩拉烏蘇與砂質(zhì)壤土的則比較小，其中砂質(zhì)壤土的蒸發(fā)量僅為風(fēng)積砂蒸發(fā)量的24%。與淡水（水面蒸發(fā)）比較，不同巖性的表土蒸發(fā)普遍比水面蒸發(fā)要小得多，最大的風(fēng)積砂僅為水面蒸發(fā)的40%，而砂質(zhì)壤土的蒸發(fā)量更少僅為10%。

土面蒸發(fā)是土壤表面所含水分以水汽形式躍入大氣的現(xiàn)象，也即土面處土壤水分汽化、擴(kuò)散進(jìn)入大氣的過程。土壤水進(jìn)入大氣通過兩個(gè)途徑：一是土面處土壤液態(tài)水汽化進(jìn)入大氣，二是土壤內(nèi)部非飽和時(shí)孔隙中的水汽通過擴(kuò)散進(jìn)入大氣。由此可以看到水面蒸發(fā)是整個(gè)水面均勻地經(jīng)過相變過程后再通過擴(kuò)散過程進(jìn)入大氣，而土面蒸發(fā)是兩個(gè)過程同步進(jìn)行，一個(gè)過程是與水面蒸發(fā)類似，即土面處毛管孔隙中的液態(tài)水汽化相變后通過擴(kuò)散進(jìn)入大氣，另一個(gè)過程就是水汽從土壤內(nèi)部通過土壤面通氣孔隙直接擴(kuò)散進(jìn)入大氣中。兩種蒸發(fā)的強(qiáng)度主要決定于當(dāng)時(shí)氣象條件所決定的升溫或降溫的幅度和速率。由于水面蒸發(fā)是整個(gè)水面均勻地經(jīng)過相變擴(kuò)散進(jìn)入大氣，而實(shí)驗(yàn)所做的表土蒸發(fā)，潛水位離地表5cm，由于土粒和孔隙的存在，實(shí)際蒸發(fā)面積遠(yuǎn)小于水面蒸發(fā)的面積，因此此時(shí)表土蒸發(fā)的強(qiáng)度要比水面蒸發(fā)強(qiáng)度的面積小得多。

表2給出了不同巖性的標(biāo)準(zhǔn)化溫度與蒸發(fā)量之間的滯后相關(guān)關(guān)系。

表2 不同巖性標(biāo)準(zhǔn)化溫度值與標(biāo)準(zhǔn)化蒸發(fā)量之間的滯后相關(guān)分析表

由上述試驗(yàn)資料可見，蒸發(fā)的啟動(dòng)滯后于溫度的變化，對4種巖性來講紅砂巖滯后約4h，薩拉烏蘇組滯后約6h，砂質(zhì)壤土滯后約6h，風(fēng)積沙滯后約8h。

4 結(jié)論與建議

文章對鄂爾多斯沙漠高原區(qū)水面蒸發(fā)以及土面蒸發(fā)進(jìn)行了研究，通過野外試驗(yàn)以及包氣帶原位試驗(yàn)研究，采用統(tǒng)計(jì)的方法對水面蒸發(fā)量與土面蒸發(fā)量進(jìn)行了分析，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議：沙漠包氣帶溫度場的晝夜變化極為顯著，溫度梯度的大小方向決定了包氣帶水分的運(yùn)移方向和運(yùn)移量；溫度梯度為蒸發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力之一，與蒸發(fā)之間有明顯的滯后關(guān)系。

建議結(jié)合地表植被以及水－氣－熱耦合模型來模擬降水蒸發(fā)過程，以便深入探討潛水蒸發(fā)機(jī)理，準(zhǔn)確計(jì)算不同地區(qū)不同條件下的可再生水資源量。

[1]李俊亭，王文科，等.鄂爾多斯盆地白堊系（白于山以北地區(qū)）潛水面降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度與蒸發(fā)強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào),2004：60-61.

[2]雷志棟,楊詩秀,謝森傳.土壤水動(dòng)力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1988:40-41.