稱重式蒸滲儀潛水蒸發(fā)量的計(jì)算

陳建峰

(山西省水文水資源勘測(cè)總站，山西 太谷 030800)

1 土壤蒸發(fā)機(jī)制分析

1.1 土壤蒸發(fā)過程

土壤蒸發(fā)過程實(shí)質(zhì)上是土壤失去水分或干化的過程，土壤是一種有孔介質(zhì)，具有吸收水分、保持水分、輸送水分的能力，土壤蒸發(fā)必然受到土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響。土壤蒸發(fā)過程分為三個(gè)階段，圖1土壤蒸發(fā)過程示意圖，當(dāng)土壤含水量大于田間持水量時(shí)，土壤中存在自由重力水，毛細(xì)管上下溝通，土壤中水分可充分供給土壤蒸發(fā)，這一階段由于充分供水，土壤蒸發(fā)只受氣象條件影響，蒸發(fā)量大而穩(wěn)定；由于土壤蒸發(fā)耗水作用，當(dāng)土壤含水量小于田間持水量時(shí)，土壤中毛細(xì)管的連續(xù)狀態(tài)受到破壞，由毛細(xì)管作用上升到土壤表面的水分減少，隨土壤含水量的減少，供水條件變差，土壤蒸發(fā)不僅與氣象因素有關(guān)，還與土壤含水量有關(guān)，即隨土壤含水量減少而減少；當(dāng)土壤含水量減至毛管斷裂含水量后，土壤蒸發(fā)進(jìn)入第三階段，這時(shí)毛管水不再是連續(xù)狀態(tài)，毛管向土壤表面輸送水分機(jī)制完全破壞，水分以膜狀水或汽態(tài)形式向土壤表面移動(dòng)，土壤蒸發(fā)量小而穩(wěn)定，氣象因素和土壤含水量對(duì)土壤蒸發(fā)沒有明顯作用。

圖1 土壤蒸發(fā)過程示意圖

1.2 土壤蒸發(fā)的影響因素

蒸發(fā)(散發(fā))能力是指蒸發(fā)面在特定的氣象條件下充分供水時(shí)的蒸發(fā)量或蒸發(fā)率，又可稱為可能最大蒸發(fā)量或潛在蒸發(fā)量。土壤蒸發(fā)取決于兩個(gè)條件，一個(gè)是土壤蒸發(fā)能力，另一是土壤的供水條件。影響土壤蒸發(fā)能力的是一系列氣象因子，如溫度、濕度、風(fēng)速等，其中溫度更為主要。影響供水條件則有土壤含水量和影響有效水分運(yùn)動(dòng)的土壤孔隙性、地下水位高低和溫度梯度等。

1.2.1 土壤含水量的影響

當(dāng)土壤含水量大于田間持水量時(shí)，土壤蒸發(fā)屬飽和蒸發(fā)面，土壤蒸發(fā)與水面蒸發(fā)相似，，主要與氣象因子有關(guān)，又由于土壤與水的熱容量不同，土壤的蒸發(fā)能力比同氣象條件下的水面蒸發(fā)大些，此時(shí)土壤蒸發(fā)與土壤蒸發(fā)能力一致。當(dāng)土壤含水量在田間持水量與毛管斷裂含水量之間時(shí)，土壤蒸發(fā)減小；當(dāng)土壤含水量小于毛細(xì)管斷裂含水量時(shí)，土壤蒸發(fā)很小。

1.2.2 地下水位的影響

地下水位對(duì)土壤蒸發(fā)的影響，主要是地下水位高低對(duì)地下水面以上土層的土壤含水量的分布起作用的，土壤含水量區(qū)域可分為毛管水活動(dòng)區(qū)和含水量不穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)土層處于毛管水活動(dòng)區(qū)內(nèi)時(shí)，水分的彎月面相互聯(lián)系，以液態(tài)水迅速向土壤表面運(yùn)行，土壤蒸發(fā)大；當(dāng)土層上部處于毛管水活動(dòng)區(qū)以上時(shí)，根據(jù)土壤性質(zhì)，水分不能以液態(tài)水移動(dòng)，土壤蒸發(fā)較小。但是，一定的地下水位會(huì)使地下水位以上土層中土壤含水量有一定的分布，維持一定的供水能力，蒸發(fā)可穩(wěn)定在一定的速度。

1.2.3 溫度梯度的影響

溫度高低對(duì)土壤蒸發(fā)影響，溫度高蒸發(fā)快，溫度低蒸發(fā)慢，溫度梯度影響水分運(yùn)行方向。溫度不同，水的表面張力和水汽壓力不同，溫度高的地方，水汽壓力大，表面張力小，反之，水汽壓力小，表面張力大。汽態(tài)水總是從水汽壓力大向小的地方運(yùn)行，液態(tài)水總是從表面張力小向大的地方運(yùn)行。所以溫度梯度對(duì)水流的影響是從溫度高的地方向溫度低的地方運(yùn)行。影響水分運(yùn)動(dòng)的數(shù)量則與土壤的最初含水量有關(guān)，土壤含水量大或小時(shí)，水分移動(dòng)量較少；土壤含水量相當(dāng)于毛管斷裂含水量時(shí)，水分移動(dòng)量較多。

1.2.4 土壤孔隙的影響

土壤孔隙形態(tài)、大小和數(shù)量，影響到土壤水分的形態(tài)和土壤水分的連續(xù)性?？讖綖?.1～0.001 mm時(shí)，毛細(xì)現(xiàn)象顯著，孔徑小于0.001 mm時(shí)，水分大部分為結(jié)合水。質(zhì)地輕的土壤(砂粒)和團(tuán)聚作 用強(qiáng)的土壤(團(tuán)聚化粘土)，因毛管多數(shù)被割裂，水分蒸發(fā)慢；而砂土、重壤土、團(tuán)聚體少的粘土，則蒸發(fā)快。水分運(yùn)動(dòng)總是從大孔隙體系向小孔隙體系輸送。

2 稱重式蒸滲儀系統(tǒng)

2.1 稱重式蒸滲儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

稱重式蒸滲儀系統(tǒng)，主體為高度8 m，直徑1.5 m的不銹鋼圓筒，筒內(nèi)裝滿實(shí)驗(yàn)土壤，土體經(jīng)過密實(shí)與自然條件下壓實(shí)的土體物理特性一致，不銹鋼圓筒側(cè)面S型布置兩排側(cè)孔，一排安裝土水勢(shì)傳感器，另一排安裝土壤溫度、土壤水分傳感器。傳感器安裝位置深度為10、20、30、40、50、60、70、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260、280、300、320、340、360、380、400、420、440、460、480、500、540、580、620、660、700 cm。不銹鋼圓筒側(cè)面底部為供水管，通過連接補(bǔ)水系統(tǒng)，由壓力泵向不銹鋼圓筒內(nèi)土壤供水，實(shí)驗(yàn)設(shè)置地下水位埋深1.5 m。不銹鋼圓筒側(cè)面豎向是透明的有機(jī)玻璃管，顯示筒內(nèi)地下水位埋深。不銹鋼圓筒頂面是裸露的土壤，不銹鋼圓筒底部是一圓形支座，在支座的上面，用高精度、大感量的天平對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)稱重。所有的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集器，網(wǎng)絡(luò)傳輸至水文科研數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，供資料分析使用(圖2)。

圖2 自動(dòng)稱重式蒸滲儀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

稱重式蒸滲儀模擬生態(tài)水文實(shí)驗(yàn)，在一定氣象條件下的土壤入滲、蒸發(fā)過程，對(duì)土壤蒸發(fā)影響因素，土壤水分運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過變更設(shè)置地下水位埋深 ，可以適應(yīng)自然界地下水水位的各種情況，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)的建設(shè)，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，監(jiān)測(cè)頻次更高，可分析土壤水—地下水相互轉(zhuǎn)化規(guī)律，應(yīng)用于作物蒸發(fā)蒸騰量、作物水分耗水規(guī)律；包氣帶土壤水量平衡機(jī)制、降雨灌溉水的深層滲漏和地下水對(duì)作物的補(bǔ)水規(guī)律。本次實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)裸面條件下潛水蒸發(fā)量計(jì)算。

2.2 稱重式蒸滲儀系統(tǒng)原理

稱重式蒸滲儀進(jìn)行水均衡分析時(shí)，以整個(gè)土柱為分析研究對(duì)象，土柱的實(shí)驗(yàn)面、包氣帶、飽和層(設(shè)置的地下水埋深以下)反映了某一時(shí)期土壤水分運(yùn)動(dòng)過程，在這一時(shí)期△t內(nèi)，水量平衡方程如下：

Ι+Ρ+U入+S初+H初*u = ET+U出+S末+H末*u

(1)

式中：I為△t時(shí)段內(nèi)的灌溉水；P為△t時(shí)段內(nèi)的降水量，U入為△t時(shí)段內(nèi)地下水流入量，U出為△t時(shí)段內(nèi)地下水流出量，S初為△t時(shí)段初包氣帶土壤水的蓄存量，S末為△t時(shí)段末包氣帶土壤水的蓄存量，H初、H末分別為△t時(shí)段始末土柱內(nèi)飽和層厚度，u為土壤給水度， ET為△t時(shí)段內(nèi)作物蒸發(fā)蒸騰量。

3 稱重式蒸滲儀資料分析

3.1 土水勢(shì)隨深度變化曲線

圖3 土水勢(shì)隨深度變化曲線

通過對(duì)稱重式蒸滲儀2月初到4月中旬土水勢(shì)實(shí)時(shí)資料觀測(cè)，土水勢(shì)隨土壤深度的變化曲線見圖3，分析表明土壤淺層0～80 cm，土水勢(shì)值變化較大，是因?yàn)橥寥罍\層受蒸發(fā)及降雨影響強(qiáng)烈，降雨使土壤中水分增加，土水勢(shì)值增大；蒸發(fā)使土壤中水分減少，土水勢(shì)值減小。土壤深度80～120 cm，土水勢(shì)值變化幅度小，曲線趨平緩。土壤深度120～140 cm，土水勢(shì)梯度值呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)，是因?yàn)樵O(shè)置地下水位埋深150 cm，毛細(xì)管使毛細(xì)水上升形成懸掛的毛細(xì)水，基本上140～150 cm深度左右，土水勢(shì)值近于0，深度150 cm向下，土水勢(shì)值為正值。

3.2 土壤水分隨深度變化曲線

圖4 土壤水分隨深度變化曲線

土壤水分傳感器就是測(cè)量單位土壤總?cè)莘e中水分所占比例的儀器。圖4土壤水分隨深度變化曲線，土壤深度0～140 cm，土壤含水量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)，含水量值28%～38%，土壤深度140～150 cm，土壤含水量值38%；土壤深度150～700 cm，土壤水處于飽和狀態(tài)，由于土壤粒級(jí)配不同，土壤含水量最大值達(dá)到42.95%。

3.3 土壤溫度隨深度變化曲線

土壤溫度隨深度變化曲線見圖5，土壤埋深150 cm以內(nèi)，土壤溫度變化明顯，而在地下水位以下土壤溫度變化相對(duì)穩(wěn)定，土壤深度660～700 cm，土壤溫度增幅明顯,與底部不銹鋼筒有關(guān)。

圖5 土壤溫度隨深度變化曲線

3.4 土壤水量平衡方程的應(yīng)用

本次水量平衡計(jì)算的條件是在實(shí)驗(yàn)面沒有作物條件下進(jìn)行的，不考慮灌溉水，且沒有地下水側(cè)向流入、流出。因而土壤水量平衡方程可化簡(jiǎn)為：

Ρ+S初+H初*u = ET+S末+H末*u

(2)

式中：ET為△t時(shí)段內(nèi)土壤的蒸發(fā)量

實(shí)驗(yàn)時(shí)段2月5日至4月15日，降雨量p=55.4 mm，D20觀測(cè)蒸發(fā)量293 mm，對(duì)土壤深度1 500 mm包氣帶土壤水分含量加權(quán)平均，期初與期末的包氣帶土壤水分蓄存量增加12.14 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)段設(shè)計(jì)地下水位埋深1 500 mm，期初筒內(nèi)地下水位埋深1 500.98 mm，期末筒內(nèi)地下水位埋深1 501.60 mm，期末較期初地下水位埋深下降0.62 mm，降雨入滲補(bǔ)給的水量，除滿足土壤水蒸發(fā)之外，使土壤水分含量增加，基本上沒有補(bǔ)給地下水，飽和層厚度增加0.62 mm。實(shí)驗(yàn)土壤為亞砂土，給水度值 0.05。

ET=P+(S初-S末)+(H初-H末) * u=55.4 +(498.13-510.27)+(1500.98-1501.6)×0.05=43.229 mm

裸面條件下，實(shí)驗(yàn)時(shí)段土壤蒸發(fā)量43.229 mm，潛水蒸發(fā)系數(shù)0.147。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 土壤水是保持于地表附近土壤層中的水，其動(dòng)態(tài)變化受大氣降水、蒸發(fā)控制，由毛細(xì)力控制，只有垂直方向的運(yùn)動(dòng)。土水勢(shì)決定了土壤水分運(yùn)動(dòng)方向和速度，它是入滲、蒸發(fā)機(jī)理研究及其最大深度確定的關(guān)鍵因子。

(2)揭示了土壤不同深度土水勢(shì)、土壤水分、土壤溫度隨時(shí)間變化關(guān)系。

(3)利用土壤水量平衡方程， 求得潛水蒸發(fā)量、潛水蒸發(fā)系數(shù)。