新疆潛水蒸發(fā)試驗研究進(jìn)展

於嘉聞，賈瑞亮，周金龍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830052)

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新疆潛水蒸發(fā)試驗研究進(jìn)展

於嘉聞1,2，賈瑞亮1,2，周金龍1,2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830052)

[摘要]在新疆平原區(qū)，潛水蒸發(fā)量約占地下水排泄總量的50%，對新疆潛水蒸發(fā)的研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。結(jié)合相關(guān)的研究成果對北疆和南疆兩個區(qū)域潛水蒸發(fā)的研究方法和進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，最后指出了當(dāng)前大多研究總結(jié)還不夠充分，部分地區(qū)還需考慮降雨入滲對潛水蒸發(fā)的影響問題，未來研究還需從宏觀多角度方向去拓展新的研究方法，進(jìn)一步提升對新疆區(qū)域潛水蒸發(fā)模型的研究的發(fā)展趨勢。

[關(guān)鍵詞]新疆；潛水蒸發(fā)；綜述

在新疆的大部分平原地區(qū)由于氣候干旱、蒸發(fā)強(qiáng)烈，潛水蒸發(fā)對土壤水分的損失有著相當(dāng)大的影響，并且還關(guān)系到土壤鹽堿化等問題。新疆平原區(qū)地下水礦化度≤2 g/L的地區(qū)多年平均地下水排泄量為305.79×108m3，其中潛水蒸發(fā)量為151.49×108m3(占總排泄量的49.5%)[1]。由于潛水蒸發(fā)是水循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，所以研究新疆地區(qū)的潛水蒸發(fā)對于掌握農(nóng)田作物和區(qū)域水循環(huán)規(guī)律具有十分重要的作用。本文結(jié)合國內(nèi)外對于潛水蒸發(fā)研究的最新成果，對新疆潛水蒸發(fā)的影響因素、試驗研究方法等方面所取得的主要進(jìn)展、在研究過程中所存在的問題以及對未來研究的展望進(jìn)行了論述。

1新疆潛水蒸發(fā)的影響因素

周金龍等[2]、來劍斌等[3]、李艷等[4]、樊自立等[5]、胡順軍等[6]、Helge Bruelheide等[7]、Zhou Hongwei等[8]通過試驗研究得出了新疆潛水蒸發(fā)受土壤的供水能力及大氣蒸發(fā)能力的影響，地表的作物覆蓋率也是新疆潛水蒸發(fā)的一個主要影響因素。

劉廣明和楊勁松通過實驗圍繞地下水礦化度對潛水蒸發(fā)量的影響等方面進(jìn)行了深入的研究[9]。來劍斌等在新疆渭干河灌區(qū)地下水均衡試驗場利用實測資料根據(jù)不同埋深的潛水蒸發(fā)情況，提出了相關(guān)的潛水蒸發(fā)公式，并得出土壤質(zhì)地是影響新疆潛水蒸發(fā)的一個主要因素[10]。同時曹紅霞等、張振華等得出了灌溉制度和地下水埋深對潛水蒸發(fā)影響較大的結(jié)論[11-12]。郭占榮等在作物種植條件下利用地中滲透儀對潛水入滲補(bǔ)給量和潛水蒸發(fā)量進(jìn)行了觀測，結(jié)果表明：潛水蒸發(fā)主要受包氣帶土壤水能態(tài)分布特征及其物理特性這兩個因素的影響[13]。閆華和周順新通過數(shù)值模擬得出在作物生長的條件下，潛水蒸發(fā)與作物的種類以及根系發(fā)育程度有著密切的關(guān)聯(lián)，特別是在作物生長旺盛期，作物根系所吸收的水量也占據(jù)了潛水蒸發(fā)量很大一部分比例[14]。

2新疆潛水蒸發(fā)的試驗研究方法與進(jìn)展

自20世紀(jì)80年代以來，為了正確評價新疆的地下水資源狀況，新疆地區(qū)的地礦及水利部門建立了以研究潛水蒸發(fā)為主的地下水均衡試驗場[2]。對于潛水蒸發(fā)的研究也從試驗階段[15]逐漸轉(zhuǎn)向機(jī)理研究階段。常見的一種是從機(jī)理來對潛水蒸發(fā)進(jìn)行理論分析求解，其中主要的研究方法是數(shù)值模擬[16-18]，而在計算方面也主要以數(shù)值模擬為主[19-20]；另一種是通過對室內(nèi)、現(xiàn)場試驗資料的分析，整理出潛水蒸發(fā)的規(guī)律，并推算出相應(yīng)的經(jīng)驗公式[21-26]。

2.1北疆地區(qū)

2010年以前，郭占榮等于2002年對作物進(jìn)行了不同潛水埋深條件下的模擬種植試驗，得出了潛水蒸發(fā)和作物需水量之間的變化規(guī)律[13]。2005年孫寶林等對潛水在有效蒸發(fā)期內(nèi)潛水蒸發(fā)量的特征進(jìn)行了分析，得出了潛水埋深的調(diào)控范圍[27]。2007～2008年付秋萍等利用新疆昌吉站和渭干河站實測潛水蒸發(fā)數(shù)據(jù)資料就埋深為零時的潛水蒸發(fā)強(qiáng)度和水面蒸發(fā)強(qiáng)度(即E0)進(jìn)行計算與對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)誤差較大；結(jié)合經(jīng)驗公式對潛水蒸發(fā)量進(jìn)行擬合，認(rèn)為在新疆地區(qū)清華公式有廣泛的通用性，而阿氏公式、葉氏公式以及冪函數(shù)公式僅在潛水埋深較淺的地區(qū)擬合精度較好[23]。

2010年以后，史文娟等于2013年通過室內(nèi)的土柱蒸發(fā)模擬試驗測定出土壤全鹽量，得出覆膜對潛水蒸發(fā)有明顯抑制作用的結(jié)論[28]。2015年賈瑞亮等依據(jù)昌吉地下水均衡試驗站內(nèi)的蒸滲儀潛水蒸發(fā)試驗著重分析不同總?cè)芙夤腆w(TDS)的潛水在不同埋深和不同土質(zhì)條件下的潛水蒸發(fā)動態(tài)規(guī)律，以及非凍結(jié)期TDS對潛水蒸發(fā)影響的規(guī)律和機(jī)理[29-30]。在研究過程中提出了干旱區(qū)潛水蒸發(fā)溶解性總固體(TDS)折算系數(shù)(KM)，得出了潛水TDS與潛水蒸發(fā)系數(shù)之間以及凍結(jié)期和非凍結(jié)期高鹽度潛水蒸發(fā)量與淡潛水蒸發(fā)量之間的關(guān)系[31-32]。

2.2南疆地區(qū)

2010年以前，2000年宋郁東等利用潛水蒸發(fā)法估算出了塔里木河流域天然植被的蒸發(fā)蒸騰量[33]。胡順軍等人根據(jù)水面蒸發(fā)對比試驗和潛水蒸發(fā)試驗分析了不同土質(zhì)下埋深為零時潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)之間的關(guān)系，分析了二者與土壤機(jī)械組成的關(guān)系[6]。并結(jié)合潛水蒸發(fā)的變化規(guī)律建立了該地區(qū)潛水蒸發(fā)的經(jīng)驗公式[34]。2006年胡順軍等通過做裸地和檉柳生長條件下野外潛水蒸發(fā)對比試驗，提出了檉柳生長條件下潛水蒸發(fā)量的計算方法及相應(yīng)潛水蒸發(fā)的計算模型[25]。2008年胡順軍等采用最小二乘法對塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙土壤的水分特征曲線方程進(jìn)行了擬合；通過對該地區(qū)非飽和土壤導(dǎo)水率的測定得出了相應(yīng)的計算公式并推導(dǎo)出了計算潛水極限蒸發(fā)強(qiáng)度的準(zhǔn)解析解；研究結(jié)果表明：隨潛水埋深的增大，潛水極限蒸發(fā)強(qiáng)度呈冪函數(shù)關(guān)系減小[35]。2009年張永明在阿克蘇塔門鎮(zhèn)水平衡試驗站采用王積強(qiáng)先生設(shè)計的簡易蒸滲儀模擬試驗并得出了實測結(jié)論，通過建立潛水蒸發(fā)模型，較好地反映出了該地區(qū)潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)、埋深這兩個因素之間的關(guān)系，并對計算方法等有關(guān)問題進(jìn)行深入的探討[36]。

2010年以后，栗現(xiàn)文等在巴州灌溉試驗站利用蒸滲儀進(jìn)行了不同礦化度的潛水蒸發(fā)試驗，試驗得出了潛水蒸發(fā)和蒸發(fā)時長、礦化度等均呈線性正相關(guān)的關(guān)系[37]。并結(jié)合當(dāng)前的試驗研究現(xiàn)狀對高鹽度潛水蒸發(fā)的發(fā)展做了分析和展望，為日后進(jìn)一步研究干旱區(qū)高鹽度潛水蒸發(fā)提供了理論參考[38]。2013年邢旭光等進(jìn)行了裸土、覆膜無作物和不覆膜有作物這三種條件下的潛水蒸發(fā)試驗，通過分析得出潛水蒸發(fā)均表現(xiàn)為夜間蒸發(fā)量大于白天蒸發(fā)量[39]。利用潛水蒸發(fā)強(qiáng)度等相關(guān)實測資料，得出阿氏公式、葉氏公式和雷氏公式對于新疆地區(qū)的粘壤土所選用的E0值均可適用的結(jié)論[40]。他們利用潛水蒸發(fā)試驗研究了在不同覆膜開孔率的條件下，潛水蒸發(fā)與土層地溫之間的關(guān)系，最終得出覆膜能十分有效的抑制潛水蒸發(fā)并且減小土壤的溫度變幅[41]。

2.3全新疆

2002年周金龍等通過對潛水蒸發(fā)試驗當(dāng)中影響潛水蒸發(fā)的因素、極限深度的確定、潛水蒸發(fā)系數(shù)變化規(guī)律、經(jīng)驗公式的推算進(jìn)行了探究和分析[42]。2003年周金龍等通過新疆平原區(qū)7個地下水均衡試驗場潛水蒸發(fā)的觀測資料分析了潛水蒸發(fā)的影響因素，給出了相應(yīng)的經(jīng)驗公式；并基本掌握了新疆北部、南部和東部平原區(qū)的潛水蒸發(fā)規(guī)律[2]。2004年周金龍等通過對新疆平原區(qū)地下水補(bǔ)給量、排泄量等誤差來源的研究提出了減少評價誤差的幾點措施和意見，并得出新疆地下水排泄主要通過淺埋帶蒸發(fā)、人工開采以及泉水自溢三種方式進(jìn)行排泄，其中最主要的排泄方式是淺埋帶的蒸發(fā)排泄[43]。2006年周金龍等通過TM衛(wèi)星影像處理、水文地質(zhì)調(diào)查、GIS技術(shù)查明并劃定了計算單元，確定了新疆平原非灌區(qū)的潛水蒸發(fā)系數(shù)，進(jìn)而推算出自然植被的生態(tài)耗水量[44]。史文娟等通過土柱模擬實驗，研究了新疆鹽漬土中的鹽分對潛水蒸發(fā)強(qiáng)度的影響[19]。隨后又進(jìn)一步研究了夾砂層土壤蒸發(fā)強(qiáng)度的計算方法，得出了砂層在不同條件下對水分的蒸發(fā)既可促進(jìn)也可抑制的結(jié)論[45-46]。

3新疆潛水蒸發(fā)研究存在的問題及未來研究展望

3.1存在的問題

雖然近些年許多專家對新疆潛水蒸發(fā)的研究工作取得了長足的進(jìn)展。但是由于影響潛水蒸發(fā)的因素十分復(fù)雜，在新疆關(guān)于潛水蒸發(fā)量的計算問題尚未得到較好的解決。雖然研究了多種潛水蒸發(fā)量的計算模型，但到目前為止，直接考慮作物生長階段以及不同作物種植條件下對潛水蒸發(fā)量影響的研究報道相對較少。在有些文獻(xiàn)當(dāng)中，只是簡單的將潛水蒸發(fā)分為了地下水有效和無效利用量，卻忽略了植株棵間蒸發(fā)量這一重要的田間耗水因素。由于高鹽度潛水蒸發(fā)機(jī)理的復(fù)雜性，潛水礦化度在蒸發(fā)過程中對潛水蒸發(fā)量的影響以及在極端干旱區(qū)的潛水蒸發(fā)試驗和機(jī)理還需要更加深入的研究和探討[37-38]。由于全疆各地區(qū)氣候、潛水蒸發(fā)極限埋深的差異較大，大多試驗研究的總結(jié)還不夠充分，特別是新疆的部分地區(qū)還需要考慮降雨入滲對于潛水蒸發(fā)的影響[47]。

3.2未來研究展望

隨著科技和理論的不斷進(jìn)步和完善，在新疆的潛水蒸發(fā)研究中更多的還是需要從宏觀多角度的方向去拓展新的研究方法，進(jìn)一步提升對新疆區(qū)域潛水蒸發(fā)模型的探究，結(jié)合新疆地區(qū)氣候條件影響等因素將有關(guān)潛水蒸發(fā)的經(jīng)驗公式充分應(yīng)用到實際的潛水蒸發(fā)量的估算當(dāng)中來，利用RS、GIS等工具來對新疆特定區(qū)域的氣象、土壤、植被、地下水等相關(guān)資料進(jìn)行綜合的分析與整理。

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Summary of Evaporation from Phreatic Water in Xinjiang

YU Jia-wen1,2，JIA Rui-liang1,2，ZHOU Jin-long1,2

(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China；2. Xinjiang Hydrology and Water Resources Engineering Research Center, Urumqi 830052, China)

Abstract:In the Xinjiang Plain area, the phreatic water evaporation account for 50% of the total groundwater discharge, which is theoretic and practical significant for studying Xinjiang phreatic water evaporation. Based on the related research, the research methods and progress about the phreatic water evaporation of the Northern Xinjiang and the Southern Xinjiang are summarized. At last, this paper points out the current existing problems and the result insufficient, in some area, we should consider the influence of rainfall infiltration on the phreatic water evaporation. In the future study, we also improve the new studied method to develop our future research direction in a macro perspective direction and furthermore improve our developed trend of the phreatic water evaporation model in Xinjiang area.

Key words:Xingjiang；Evaporation from the phreatic water and to review

[收稿日期]2015-08-25

[基金項目]國家自然科學(xué)基金委員會-新疆維吾爾自治區(qū)人民政府聯(lián)合基金重點支持項目“干旱內(nèi)陸盆地地下水流系

[作者簡介]於嘉聞(1992-)，男，江蘇南通人，在讀碩士研究生，主攻方向：干旱區(qū)潛水蒸發(fā)試驗與數(shù)值模擬。[通訊作者]周金龍(1964-)，男，浙江龍游人，博導(dǎo)，研究方向：干旱區(qū)地下水資源評價、灌區(qū)土壤水-鹽運(yùn)移監(jiān)測與模擬、區(qū)域地下水水質(zhì)演化等。

[中圖分類號]P641.132

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0016-03

統(tǒng)模式與地下水補(bǔ)給排泄研究”(U1403282)