疏勒河流域地下水均衡試驗(yàn)場蒸發(fā)研究

閆自仁

(甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

疏勒河流域地下水均衡試驗(yàn)場蒸發(fā)研究

閆自仁

(甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

利用地下水均衡試驗(yàn)觀測資料對比分析建立了月平均飽和差與水面蒸發(fā)的關(guān)系，潛水蒸發(fā)的年內(nèi)分配規(guī)律及垂向分布規(guī)律;用相同時(shí)段內(nèi)的潛水蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量做相關(guān)分析，提出不用時(shí)間的相關(guān)性;用φ20 cm實(shí)測年蒸發(fā)量值和彭曼公式計(jì)算結(jié)果對比，確定計(jì)算誤差。

水面蒸發(fā);潛水蒸發(fā)

水資源量主要由地表水資源和地下水資源兩部分組成，在大氣降水、地表水、土壤水、地下水之間進(jìn)行著頻繁復(fù)雜的相互作用和互相轉(zhuǎn)化。而地下水蒸發(fā)則是研究地下水動態(tài)變化過程中十分重要的環(huán)節(jié)。地下水蒸發(fā)量和地下水埋深、巖性、氣象等因素有密切關(guān)系。地下水蒸發(fā)量一般采用地下水觀測井觀測資料及用地下水均衡試驗(yàn)場資料來分析研究。

1 地下水均衡試驗(yàn)場概況

地下水均衡試驗(yàn)場是灌區(qū)地下水動態(tài)預(yù)測研究工作的重要組成部分，在建立地下水動態(tài)預(yù)測模型進(jìn)行地下水動態(tài)分析時(shí)，各類水文地質(zhì)參數(shù)的選取將直接影響計(jì)算的可靠程度和預(yù)測精度，為能對灌區(qū)地下水動態(tài)預(yù)測提供可靠精確的水文地質(zhì)參數(shù)，需對各類水文地質(zhì)參數(shù)做專門的測試和研究。疏勒河流域地下水均衡試驗(yàn)場建于2002年，位于疏勒河流域玉門盆地(昌馬灌區(qū))沖洪積細(xì)土平原區(qū)，地下水埋深6.07～8.77 m。地下水均衡試驗(yàn)場占地面積1 560 m2，包括一個(gè)小型氣象場和地下水均衡試驗(yàn)場。地下水均衡試驗(yàn)場有實(shí)驗(yàn)池6個(gè)，東西各3個(gè);設(shè)有地中蒸滲儀45套，埋深從0.5～6.2 m，用“馬氏瓶”系統(tǒng)(包括給水瓶和水位控制器)控制，通過建在地下觀測室的廊道(寬2～3 m、高2 m、長40 m)和深6 m的豎井進(jìn)行潛水蒸發(fā)和降水入滲補(bǔ)給量的觀測。土筒內(nèi)的原狀土均取自昌馬灌區(qū)南緣。氣象場設(shè)有溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速、日照、0～15 cm 地溫，降水、蒸發(fā)(φ20cm)等觀測項(xiàng)目。主要研究疏勒河流域平原區(qū)大氣降水、蒸發(fā)、徑流、鹽分運(yùn)動、入滲補(bǔ)給規(guī)律及計(jì)算參數(shù)，大氣水、地表水、土壤水、地下水相互作用和相互轉(zhuǎn)化的機(jī)理與規(guī)律等。為疏勒河流域地下水動態(tài)預(yù)測以及預(yù)測模型的修正等提供精確可靠的計(jì)算參數(shù)。

2 水面蒸發(fā)

存在于流域內(nèi)下墊面物體表面的水分子，以氣態(tài)形式返回近地大氣層的現(xiàn)象為蒸發(fā)。水面蒸發(fā)是充分供水條件下的蒸發(fā)。它可以反映流域內(nèi)的蒸發(fā)能力，是水資源評價(jià)中的一個(gè)重要參數(shù)。

2.1 水面蒸發(fā)的影響因素

水汽壓差、風(fēng)速、氣溫和水質(zhì)等氣象因素都影響水面蒸發(fā)。水汽壓差指水面溫度的飽和水汽壓與水面上空一定高度的實(shí)際水汽壓之差。它反映著水汽濃度梯度，根據(jù)擴(kuò)散理論所提供的概念，蒸發(fā)率與水汽壓差成正比變化。風(fēng)速的大小，決定著紊動擴(kuò)散的強(qiáng)弱。一般認(rèn)為，風(fēng)速愈大，水面蒸發(fā)率也愈高。氣溫主要控制空氣濕度，間接影響水面蒸發(fā)。按照道爾頓定律，如風(fēng)速和相對濕度不變，溫度升高10℃，蒸發(fā)量增加 1倍。水中含有鹽分，鹽分子會增加分子的吸力，減少蒸發(fā)。以下簡述風(fēng)和飽和差對水面蒸發(fā)的影響。

2.1.1 水面蒸發(fā)與風(fēng)的關(guān)系

風(fēng)能促進(jìn)水汽交換，加強(qiáng)亂流擴(kuò)散，從而影響水面蒸發(fā)，風(fēng)速越大，蒸發(fā)量越大，因此風(fēng)速是影響水面蒸發(fā)的一個(gè)因素。

2.1.2 水面蒸發(fā)與飽和差的關(guān)系

水分子運(yùn)動與溫度有密切關(guān)系。溫度越高，水分子越活躍，蒸發(fā)面以上空氣中的水汽含量越多，同時(shí)返回蒸發(fā)面的機(jī)會也越多，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，二者相等，即水汽含量達(dá)到飽和，此時(shí)的水汽壓稱為飽和水汽壓。由此可知，蒸發(fā)與飽和水汽壓、實(shí)際水汽壓之差有關(guān)，即飽和差有關(guān)。對試驗(yàn)場E601、Φ20 cm蒸發(fā)量與飽和差進(jìn)行分析建立月平均飽和差與水面蒸發(fā)的關(guān)系:

2.2 水面蒸發(fā)公式的建立

水面蒸發(fā)需克服一定的阻力，阻力越大消耗的能量越多，于是根據(jù)能量平衡方法來確定水面蒸發(fā)量。彭曼首先提出了用能量平衡和水汽擴(kuò)散理論計(jì)算水面蒸發(fā)量的公式:

式中E0為水面蒸發(fā)量，mm/d;Rn為到達(dá)地面的凈輻射總量，以蒸發(fā)的水層深度計(jì)，mm/d;W為與溫度有關(guān)的權(quán)系數(shù);f(u)為風(fēng)函數(shù);ea，ed為在平均溫度下的飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓，mb;c為考慮白天和夜晚風(fēng)速變化的修正系數(shù)。利用彭曼公式計(jì)算結(jié)果和Φ20 cm實(shí)測值年蒸發(fā)量做對比，兩者誤差一般不超過8%。

3 潛水蒸發(fā)

潛水蒸發(fā)量系指蒸散發(fā)所消耗的土壤水中，來自地下水的那部分量。它是地下水的一個(gè)消耗途徑，也是作物需水的一項(xiàng)來源。潛水蒸發(fā)受土壤輸水能力和大氣蒸發(fā)能力的制約。在地中蒸滲儀系統(tǒng)中潛水通過毛細(xì)管上升離開潛水面，由馬氏瓶直接觀測到的補(bǔ)水量作為潛水蒸發(fā)量，進(jìn)行分析研究。

3.1 潛水蒸發(fā)的影響因素

影響潛水蒸發(fā)的因素有氣象因素、包氣帶土壤的結(jié)構(gòu)、潛水埋深、植被等。埋深較淺時(shí)氣象因素對潛水蒸發(fā)的影響十分明顯，氣溫，水汽壓、風(fēng)速、日照、地溫等對潛水蒸發(fā)的影響可體現(xiàn)在水面蒸發(fā)上。

3.2 潛水蒸發(fā)的年內(nèi)分配規(guī)律及垂向分布規(guī)律

潛水蒸發(fā)年內(nèi)變化趨勢是:以7月及其前后為最大，這一時(shí)期，水面蒸發(fā)最大。從2月至6、7月，潛水蒸發(fā)量逐漸增大，其后至11月逐漸減小。埋深較淺時(shí)，潛水蒸發(fā)受氣象因素影響明顯，其月蒸發(fā)量峰值出現(xiàn)時(shí)間基本與水面蒸發(fā)一致。隨埋深的增加，其峰值逐漸后移，當(dāng)埋深較大時(shí)，其受氣象條件影響微弱，變化平緩。垂向變化的一般特點(diǎn):潛水埋深越淺，潛水蒸發(fā)量越大，埋深較淺時(shí)，隨埋深的增加，潛水蒸發(fā)量急劇減小，其減小幅度逐步減小。當(dāng)埋深較大時(shí)，潛水蒸發(fā)量減小緩慢。埋深大于2.1 m時(shí)，潛水蒸發(fā)變化不大。當(dāng)埋深小于2.1 m時(shí)，潛水蒸發(fā)受氣象因素影響明顯。

3.3 潛水蒸發(fā)系數(shù)的變化規(guī)律

潛水蒸發(fā)系數(shù)C是時(shí)段內(nèi)潛水蒸發(fā)量E與水面蒸發(fā)量E0的比值。它是地下水資源評價(jià)中常用的參數(shù)之一。根據(jù)上述分析影響潛水蒸發(fā)的主要因素是潛水埋深△，目前常用的潛水蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式有以下幾個(gè)。

3.3.1 阿維揚(yáng)諾夫公式

E=E0(1 － △/△0)n，或者 C=(1 － △/△0)n，式中，△是潛水埋深，△0是極限埋深，n是指數(shù)，E是潛水蒸發(fā)，E0是水面蒸發(fā)。

3.3.2 葉水庭公式

E=E0e－a△，或者 C=e－a△，式中，a為待定系數(shù)，e為自然對數(shù)的底，其余同上。

3.3.3 沈立昌公式

E=K’μE0a/(1+ △)n，或簡化為 C=K/(1+△)n，式中，K ，K’，n，a均為待定系數(shù)，μ 為給水度。

潛水蒸發(fā)由于要經(jīng)過包氣帶土壤，相對于水面蒸發(fā)滯后一段時(shí)間，用相同時(shí)段內(nèi)的潛水蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)做相關(guān)分(埋深1.1 m)，發(fā)現(xiàn)逐月的相關(guān)性最好，10日的相關(guān)性較好，逐日沒有相關(guān)性。

用埋深從0.5～3.6 m的土筒年均潛水蒸發(fā)系數(shù)與埋深(月年統(tǒng)計(jì)值，無植被)資料分析擬和結(jié)果如下:

相關(guān)系數(shù) r=0.93

相關(guān)系數(shù) r=0.96

相關(guān)系數(shù) r=0.91

此外，潛水蒸發(fā)還受土質(zhì)和植被的影響，一般說來埋深相同，土質(zhì)越密實(shí)，蒸發(fā)量越小，砂土 ＞壤土 ＞粘土。表層種植不同的作物，蒸發(fā)也有所不同，它和作物的需水特征、根系發(fā)育等密切相關(guān)，有待于進(jìn)一步分析研究。

3.4 水蒸發(fā)的季節(jié)性變化規(guī)律

凍結(jié)期(11月底～次年2月初):該時(shí)期的潛水蒸發(fā)稱為假蒸發(fā)，土壤水因上部凍結(jié)，土壤水從下部向上部運(yùn)移，潛水補(bǔ)給土壤水。水分積聚在凍結(jié)帶中，并沒有散發(fā)到大氣中去。

融凍期(2月中旬 ～4月初):凍結(jié)層水分從上下兩邊向中間逐步融化，上部融化水進(jìn)入大氣，下部融化水下滲補(bǔ)給潛水，待凍層完全融化后，潛水經(jīng)包氣帶蒸散發(fā)至大氣中。

蒸發(fā)期(4月～11月):這一時(shí)期潛水通過包氣帶不斷蒸散發(fā)進(jìn)入大氣中。假蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的比重約0.1～0.4。

4 結(jié)語

潛水蒸發(fā)是自然界水循環(huán)組成部分 ，是地下水向土壤水和大氣水轉(zhuǎn)化的主要形式。研究潛水蒸發(fā)對于探討流域內(nèi)三水轉(zhuǎn)化機(jī)理、農(nóng)田灌溉排水、鹽堿地治理以及進(jìn)行水資源評價(jià)等諸多方面都具有十分重要的意義。

［1］［美］R.H.布朗等編.地下水研究.趙耿忠，葉壽征等譯.北京:學(xué)術(shù)書刊出版社.1989:10～348.

［2］來劍斌，王永平，蔣慶華，王金棟，王全九.土壤質(zhì)地對潛水蒸發(fā)的影響.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào).2003(6/36):153～156.

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1004－1184(2012)05－0040－02

2012－05－28

閆自仁(1964－)，男，甘肅金塔人，高級工程師，主要從事水利工程建設(shè)及水資源調(diào)度管理。