疏勒河流域地下水均衡試驗場蒸發研究

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場蒸發研究

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觀測資料對比分析建立了月平均飽和差與水面蒸發的關系，潛水蒸發的年內分配規律及垂向分布規律;用相同時段內的潛水蒸發量和水面蒸發量做相關分析，提出不用時間的相關性;用φ20 cm實測年蒸發量值和彭曼公式計算結果對比，確定計算誤差。

水面蒸發;潛水蒸發

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、地下水之間進行著頻繁復雜的相互作用和互相轉化。而地下水蒸發則是研究地下水動態變化過程中十分重要的環節。地下水蒸發量和地下水埋深、巖性、氣象等因素有密切關系。地下水蒸發量一般采用地下水觀測井觀測資料及用地下水均衡試驗場資料來分析研究。

1 地下水均衡試驗場概況

地下水均衡試驗場是灌區地下水動態預測研究工作的重要組成部分，在建立地下水動態預測模型進行地下水動態分析時，各類水文地質參數的選取將直接影響計算的可靠程度和預測精度，為能對灌區地下水動態預測提供可靠精確的水文地質參數，需對各類水文地質參數做專門的測試和研究。疏勒河流域地下水均衡試驗場建于2002年，位于疏勒河流域玉門盆地(昌馬灌區)沖洪積細土平原區，地下水埋深6.07～8.77 m。地下水均衡試驗場占地面積1 560 m2，包括一個小型氣象場和地下水均衡試驗場。地下水均衡試驗場有實驗池6個，東西各3個;設有地中蒸滲儀45套，埋深從0.5～6.2 m，用“馬氏瓶”系統(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的豎井進行潛水蒸發和降水入滲補給量的觀測。土筒內的原狀土均取自昌馬灌區南緣。氣象場設有溫度、濕度、風向風速、日照、0～15 cm 地溫，降水、蒸發(φ20cm)等觀測項目。主要研究疏勒河流域平原區大氣降水、蒸發、徑流、鹽分運動、入滲補給規律及計算參數，大氣水、地表水、土壤水、地下水相互作用和相互轉化的機理與規律等。為疏勒河流域地下水動態預測以及預測模型的修正等提供精確可靠的計算參數。

2 水面蒸發

存在于流域內下墊面物體表面的水分子，以氣態形式返回近地大氣層的現象為蒸發。水面蒸發是充分供水條件下的蒸發。它可以反映流域內的蒸發能力，是水資源評價中的一個重要參數。

2.1 水面蒸發的影響因素

水汽壓差、風速、氣溫和水質等氣象因素都影響水面蒸發。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際水汽壓之差。它反映著水汽濃度梯度，根據擴散理論所提供的概念，蒸發率與水汽壓差成正比變化。風速的大小，決定著紊動擴散的強弱。一般認為，風速愈大，水面蒸發率也愈高。氣溫主要控制空氣濕度，間接影響水面蒸發。按照道爾頓定律，如風速和相對濕度不變，溫度升高10℃，蒸發量增加 1倍。水中含有鹽分，鹽分子會增加分子的吸力，減少蒸發。以下簡述風和飽和差對水面蒸發的影響。

2.1.1 水面蒸發與風的關系

風能促進水汽交換，加強亂流擴散，從而影響水面蒸發，風速越大，蒸發量越大，因此風速是影響水面蒸發的一個因素。

2.1.2 水面蒸發與飽和差的關系

水分子運動與溫度有密切關系。溫度越高，水分子越活躍，蒸發面以上空氣中的水汽含量越多，同時返回蒸發面的機會也越多，當達到一定程度時，二者相等，即水汽含量達到飽和，此時的水汽壓稱為飽和水汽壓。由此可知，蒸發與飽和水汽壓、實際水汽壓之差有關，即飽和差有關。對試驗場E601、Φ20 cm蒸發量與飽和差進行分析建立月平均飽和差與水面蒸發的關系:

2.2 水面蒸發公式的建立

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

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

3 潛水蒸發

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

3.1 潛水蒸發的影響因素

影響潛水蒸發的因素有氣象因素、包氣帶土壤的結構、潛水埋深、植被等。埋深較淺時氣象因素對潛水蒸發的影響十分明顯，氣溫，水汽壓、風速、日照、地溫等對潛水蒸發的影響可體現在水面蒸發上。

3.2 潛水蒸發的年內分配規律及垂向分布規律

潛水蒸發年內變化趨勢是:以7月及其前后為最大，這一時期，水面蒸發最大。從2月至6、7月，潛水蒸發量逐漸增大，其后至11月逐漸減小。埋深較淺時，潛水蒸發受氣象因素影響明顯，其月蒸發量峰值出現時間基本與水面蒸發一致。隨埋深的增加，其峰值逐漸后移，當埋深較大時，其受氣象條件影響微弱，變化平緩。垂向變化的一般特點:潛水埋深越淺，潛水蒸發量越大，埋深較淺時，隨埋深的增加，潛水蒸發量急劇減小，其減小幅度逐步減小。當埋深較大時，潛水蒸發量減小緩慢。埋深大于2.1 m時，潛水蒸發變化不大。當埋深小于2.1 m時，潛水蒸發受氣象因素影響明顯。

3.3 潛水蒸發系數的變化規律

潛水蒸發系數C是時段內潛水蒸發量E與水面蒸發量E0的比值。它是地下水資源評價中常用的參數之一。根據上述分析影響潛水蒸發的主要因素是潛水埋深△，目前常用的潛水蒸發經驗公式有以下幾個。

3.3.1 阿維揚諾夫公式

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，E是潛水蒸發，E0是水面蒸發。

3.3.2 葉水庭公式

E=E0e－a△，或者 C=e－a△，式中，a為待定系數，e為自然對數的底，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，μ 為給水度。

潛水蒸發由于要經過包氣帶土壤，相對于水面蒸發滯后一段時間，用相同時段內的潛水蒸發量和水面蒸發做相關分(埋深1.1 m)，發現逐月的相關性最好，10日的相關性較好，逐日沒有相關性。

用埋深從0.5～3.6 m的土筒年均潛水蒸發系數與埋深(月年統計值，無植被)資料分析擬和結果如下:

相關系數 r=0.93

相關系數 r=0.96

相關系數 r=0.91

此外，潛水蒸發還受土質和植被的影響，一般說來埋深相同，土質越密實，蒸發量越小，砂土 ＞壤土 ＞粘土。表層種植不同的作物，蒸發也有所不同，它和作物的需水特征、根系發育等密切相關，有待于進一步分析研究。

3.4 水蒸發的季節性變化規律

凍結期(11月底～次年2月初):該時期的潛水蒸發稱為假蒸發，土壤水因上部凍結，土壤水從下部向上部運移，潛水補給土壤水。水分積聚在凍結帶中，并沒有散發到大氣中去。

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

蒸發期(4月～11月):這一時期潛水通過包氣帶不斷蒸散發進入大氣中。假蒸發量占全年蒸發量的比重約0.1～0.4。

4 結語

潛水蒸發是自然界水循環組成部分 ，是地下水向土壤水和大氣水轉化的主要形式。研究潛水蒸發對于探討流域內三水轉化機理、農田灌溉排水、鹽堿地治理以及進行水資源評價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:學術書刊出版社.1989:10～348.

［2］來劍斌，王永平，蔣慶華，王金棟，王全九.土壤質地對潛水蒸發的影響.西北農林科技大學學報.2003(6/36):153～156.

P332.2

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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及水資源調度管理。