西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度

乔 冈，王文科

1.长安大学环境科学与工程学院，西安 7100542.中国地质调查局西安地质调查中心，西安 710054

西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度

乔 冈1，2，王文科1

1.长安大学环境科学与工程学院，西安 710054
2.中国地质调查局西安地质调查中心，西安 710054

鉴于包气带蒸发的水分是从地表散失，故查明裸土蒸发规律对研究包气带水分蒸发、潜水蒸发问题具有重要意义。为了查明西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度规律，通过开展裸土含水率观测、包气带负压观测等野外原位试验，结合气象资料，对包气带剖面流场特征进行分析，采用有限差分法对裸土蒸发强度进行计算。结果表明：依据包气带水分在垂向上迁移的不同状态，将裸土区包气带剖面划分为水分向上传输带和水分向下迁移带2个带；西北内陆干旱盆地裸土包气带极限蒸发深度为1.2m；受外界蒸发能力和包气带向上输水能力交替控制作用，盆地内裸土蒸发出现在4月下半月至9月下半月，其中4月下半月至5月裸土蒸发强度最大，平均蒸发强度达0.56mm/d；裸土蒸发强度平均仅占水面蒸发强度的3.5%，最大达6.7%。

裸土；蒸发强度；总水势；包气带；干旱内陆盆地

0 引言

西北干旱内陆盆地降水稀少、蒸发强烈，蒸发排泄已成为包气带水和潜水主要的天然排泄途径，而裸土层作为大气水分和土壤水分交换的界面，对包气带水分以及地下水的蒸发具有重要作用。盆地内以黏性土、黏土为主要岩性类型的包气带是否存在极限蒸发深度，其值是多少以及裸土蒸发强度有多大等问题，已备受关注［1－5］。近年来，胡光成［6］、孙艳等［7］对裸土蒸发强度进行了研究。但是，从裸土蒸发机理的角度研究裸土蒸发强度仍然是薄弱环节。地处准噶尔盆地南缘之天山北麓区是我国西北典型的干旱内陆盆地之一，地处亚欧大陆腹地，远离海洋，属典型的大陆干旱性气候，区内土壤盐渍化、荒漠化严重，生态环境极其脆弱。因此，研究包气带水分蒸发机理对在西北干旱内陆盆地正确理解裸土蒸发过程、掌握包气带水动态规律以及在地下水资源评价中合理确定潜水蒸发量具有重要的指导意义。

1 研究方法

初步研究［8］表明，准噶尔盆地地下水循环主要以垂向交换为主，受内陆盆地区干旱气候的影响，包气带水分蒸发、潜水蒸发的水分都是从地表散失。因此，本文主要采用监测裸土区含水率、监测包气带剖面负压的方法，结合气象要素的分析，来达到裸土蒸发强度研究的目的。为了便于查明监测数据的变化规律，本次研究将逐日监测数据按每半个月取平均值处理后再进行分析。

研究区每年10月初至翌年3月底为土壤冰冻期，在此期间，包气带水分冻结，裸土和地下水的蒸发作用很微弱。因此，原位试验从4月初开始至9月底结束，为期6个月，共计180d，获取裸土含水率监测数据170个，包气带负压监测数据1 920个。

1.1 气象要素观测

裸土含水率的变化规律主要受气象要素、土质的影响［9］，因此，试验区对日降水量、日蒸发量、平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、最小湿度、冻土深度以及包气带埋深0.00、0.10、0.15、0.20和0.40m位置的地温等14个气象要素指标进行观测，观测频率1次/d；采用筛析、密度计相结合的方法对试验区包气带岩性进行颗粒分析定名，以便于对计算结果进行综合分析。

1.2 裸土含水率测定

由于裸土含水率的变化规律综合体现了包气带水分运移受外界影响的程度，故在原位试验场的裸土区，负压计探头对应地表的中心位置取裸土样进行测定，取样的频率为1次/5d，如遇下雨天加密为1次/d，连续观测5d，与负压计读数的观测时间、观测周期保持一致。

1.3 剖面负压观测

在包气带剖面不同埋深设置负压观测系统，依据每1个层段至少设置1支负压计、若层较厚时适当加密的布设原则，在包气带剖面上总计安装负压计5支，根据试坑剖面岩性颗粒分析结果以及结构特征布设裸土区负压计位置（图1）。

图1 负压监测位置Fig.1 Pressure monitoring location

负压观测频率1次/5d，若遇雨天每天加密观测1次，延续至5d。运用包气带剖面负压变化可以定性判断包气带水分的运动方向，并且可以作为裸土蒸发强度计算结果验证的依据。

1.4 数值计算

在地表裸露的条件下，太阳总辐射、气温、空气饱和差等综合作用使得包气带水分散失到大气中，从而影响剖面负压水头的分布。因此，可借助裸土区实测裸土含水率（计算区域的上边界条件）和实测剖面负压水头资料（计算区域的初始条件和下边界条件），采用有限差分法计算原理［10］确定一维包气带水分运动条件下裸土蒸发强度。

依据达西定律及有限差分法，流经第n个单元的水分通量qzi由下式计算得到：

式中：Kn、Kn－1分别为第n个、第n－1个单元格中心节点位置处的非饱和渗透系数，由Van Geunchten［11］于1980年提出的经验公式计算；hn、hn－1分别为第n个、第n－1个单元格中心节点负压水头；zn、zn－1分别为第n个、第n－1个单元格中心节点埋深。

一维包气带水分通量计算差分格式见图2。

图2 一维包气带水分通量计算差分格式示意图Fig.2 Differential scheme schematic diagram of the vadose zone 1Dwater flux computer

2 结果及讨论

2.1 裸土含水率

通过对观测数据的分析可知，年内裸土含水率变化较大，具体表现为：1）9月上半月至翌年4月上半月裸土含水率总体呈增加趋势，4月上半月裸土含水率达到最大值，达到25.0%。其原因是：受外界气象要素变化的影响，随着降水量的增加和地表气温的降低，近地表的气态水转化为液态水，故裸土含水率呈增加趋势。2）4月下半月至8月下半月裸土含水率总体呈下降趋势，含水率为4.8%～23.0%，9月份上半月裸土含水率最小，仅为4.8%。其原因是：随着地表气温升高，近地表的液态水转化为气态水，进而使裸土含水率呈减小趋势（图3）。

图3 裸土含水率、裸土地温随时间变化规律Fig.3 Changes curve of the bare soil moisture content and ground temperature with time

以上分析反映出包气带裸土含水率与气象要素具有一定相关性。经对实测资料与气象要素统计分析，发现裸土含水率与0m处大于0℃的裸土地温呈负指数相关关系（图4）。

图4 裸土含水率与地温相关性曲线Fig.4 Relationship between the bare soil moisture content and ground temperature

2.2 剖面负压

包气带水分在水势的作用下，从高水势状态向低水势状态迁移。据此，根据包气带剖面负压监测数据，计算绘制了不同时段包气带剖面总水势等值线图（图5）。依据包气带水分迁移的不同状态，可将裸土区包气带剖面划分为上下2个带，分别是水分向上传输带和水分向下迁移带。由于2个带之间的分界面上没有水分交换，其水分通量为0，因此，该分界面则是零通量面。它可以综合反映包气带水分在垂向上的流动特征，其在裸土区垂向上的位置称为包气带水分蒸发深度，该深度的最大值即是极限蒸发深度。从图5可以看出，原位试验场裸土包气带极限蒸发深度为1.2m。

图5 裸土含水率、裸土地温及包气带总水势等值线分布图Fig.5 Distribution map among the bare soil moisture content，ground temperature and the water head isoline

2.2.1 水分向上传输带

水分向上传输带主要分布在零通量面以上的区域，该区包气带水分受外界蒸发能力及包气带向上输水能力的综合作用，水分呈向上传输状态，到地表蒸发散失到大气中，转化为大气水。

2.2.2 水分向下迁移带

水分向下迁移带主要分布在零通量面以下的区域，该区包气带水分不受外界蒸发能力及包气带向上输水能力的作用，在自重的驱动下，水分呈向下迁移的状态，最终到达潜水面，补给地下水。

2.3 裸土蒸发强度

水由裸露的土面直接汽化散失到空气中称为土面蒸发。单位时间从单位面积土表面蒸发损失的水量称为土面蒸发强度（mm/d）。由于包气带蒸发的水分是从地表散失，因此为了研究包气带水分蒸发和潜水蒸发问题，首先必须了解裸土蒸发规律。应用前述的包气带水分运移数值模型，将原位试验点包气带剖面第一个节点（即地表面）通量作为实际裸土蒸发强度，所计算不同时间的裸土蒸发强度同降水量、平均气温的相关性曲线见图6。

图6 裸土蒸发强度与日降水量、平均气温关系图Fig.6 Relation curve of bare soil evaporation intensity and rainfall，air temperature

由图6可见，裸土蒸发强度与降水量、平均气温之间存在着密切的关系：1）4月上半月裸土蒸发微弱，降水量较大，以入渗为主；4月下半月至5月上半月受气温逐日升高和降水频率增大等因素控制，裸土蒸发强度亦开始逐渐增大，且与气温之间存在2～3d的滞后。其原因是：这段时间内降水量增加及前期冻土和地表积雪消融，使裸土及包气带含水量增加，包气带向上输水能力大；而同时气温呈波动状急剧升高，温度急剧升高使裸土中更多的水分汽化散失到空气中，裸土蒸发强度增大，此时，裸土蒸发强度主要受外界蒸发能力的控制。2）5月下半月至9月下半月，气温持续升高，但降水量少，地表土层和包气带受降水量小、含水率低、向上输水能力弱的限制，裸土蒸发强度相对减小，变化比较平稳。只有在较大降水强度发生2～3d后，裸土蒸发强度才出现明显的增大；随后受气温高等因素影响，裸土蒸发强度经历快速减小到逐渐缓慢减小的过程，直到下一次较大降水强度的出现，又重复上述过程。这种过程在这段时间内呈交替发生，此时裸土蒸发强度主要受包气带向上输水能力控制。3）9月下半月以后，气温持续下降，降水增加，裸土蒸发强度很小，地表土层呈入渗状态，此时，裸土蒸发强度又开始转变为受外界蒸发能力控制。

裸土蒸发强度受外界蒸发能力和包气带向上输水能力双重作用控制，不同时间、不同强度的降水对裸土蒸发强度影响不同：4月上半月至5月下半月小于5mm的降水量就可对裸土蒸发强度产生较明显的影响；而5月下半月至9月下半月只有大于10 mm的降水量才对裸土蒸发强度产生较明显的影响，小于5mm的降水量对裸土蒸发强度影响不大。

经对计算结果的统计表明，区内裸土蒸发出现在4月下半月至9月下半月，其中：4月下半月至5月裸土蒸发强度最大，平均蒸发强度0.46～0.56 mm/d；6月至7月裸土平均蒸发强度0.19～0.32 mm/d；8月上半月裸土平均蒸发强度为0.29mm/d；8月下半月至9月底裸土蒸发强度呈减小趋势，至9月底平均蒸发强度只有0.13mm/d（图7）。裸土蒸发强度平均占水面蒸发强度的3.5%，最大可达到6.7%，出现在5月份（图8）。

3 结论

1）依据包气带水分在垂向上迁移的不同状态，可将裸土区包气带剖面划分为水分向上传输带和水分向下迁移带2个带；受干旱气候的影响，对于黏性土质而言，裸土蒸发的极限深度为1.2m，且出现在裸土含水率最小的8月下半月。

图7 裸土蒸发强度图Fig.7 Topsoil average evaporation intensity

图8 裸土蒸发强度占水面蒸发强度的比例Fig.8 Percentage of topsoil to water surface average evaporation intensity

2）在西北干旱内陆盆地，裸土蒸发主要发生在4月下半月至9月下半月，其中4月下半月至5月裸土蒸发强度最大，且裸土蒸发强度主要受外界蒸发能力的限制；6月至9月下半月裸土蒸发强度逐渐减小，且裸土蒸发强度主要受包气带向上输水能力制约。

3）裸土蒸发强度平均占水面蒸发强度的3.5%，最大达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

乔冈，王文科.西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度.吉林大学学报：地球科学版，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

教育部科学技术研究重大项目（308021）；教育部科学技术研究重点项目（02078）

乔冈（1980—，男，博士研究生，助理研究员，主要从事干旱区水资源合理开发利用与生态环境保护方面的研究，E-mail：qgcyboy＠163.com。