鄂爾多斯盆地水面蒸發與土面蒸發試驗研究

□范 磊 □張靜靜 □譚周洋（河南省水利勘測設計研究有限公司 河南眾英環保工程有限責任公司）

0 引言

鄂爾多斯盆地幅員遼闊，資源豐富，是21世紀我國實施西部大開發的能源化工基地。近年來，隨著地區經濟的發展，對水資源的需求急速增加，但這里降水稀少，蒸發強烈，荒漠化與水土流失嚴重，生態環境極其脆弱。初步研究表明，鄂爾多斯盆地地下水循環以垂向交換為主。湖泊和潛水蒸發是研究區淺層地下水的主要排泄方式，因此，作為地下水資源均衡中的一個核心要素，研究該地區潛水面蒸發強度的時空分布，探討水面蒸發規律及其影響因素，對于評價研究區水資源量、合理保護利用地下水資源具有十分重要的意義。

1 研究現狀

在水面蒸發方面，國內外研究的比較多，迄今為止，國際上對蒸發（散）量的測定和計算方法的研究已取得了一系列成果。潛水蒸發方面則研究的比較少，目前，對潛水蒸發的研究主要是通過建立包氣帶垂直一維數學模型，利用模型算得潛水面蒸發量，而目前最常用的軟件是Hydrus-1D，但在包氣帶垂直一維數學模型的建立過程中，上邊界的給定問題，尚需商榷。在地表處于蒸發狀態，當利用一維包氣帶數學模型計算潛水面的消耗時，上邊界條件就很難給定了。這是因為按計算要求，最好是給定地表面的含水率或者負壓，這就很容易計算出上下邊界的通量，從而也就知道了潛水面的消耗，自地表面實實在在的蒸發與從潛水面的消耗，還可知道又有多少量被保存在包氣帶中，水量平衡一目了然。但從目前的測試技術手段來看，要測定地表的含水率或者負壓尚有一定的難度。但若能給出表土蒸發量，將此作為上邊界條件，就很容易利用模型算得下邊界（潛水面）的通量（消耗量）及包氣帶水分的分布。而表土蒸發量與大氣溫度、地表溫度以及包氣帶的巖性之間存在著密切的聯系，因此對不同巖性的表土蒸發研究具有重要的理論和實際意義。

2 試驗場簡介及實驗裝置

2.1 試驗場簡介

試驗場位于內蒙古烏審旗河南（鄉）氣象站院內，東經108°43′7″，北緯 37°51′6″，距達（達布查克）掌（掌高兔）公路500m，交通方便。地貌為位于無定河上游的風沙灘地，地下水位埋深約7m。多年平均氣溫8℃，最高氣溫36.70℃，最低溫度-34.30℃。多年平均年降水量約為320mm，蒸發量約為2266mm。多年平均凍土深度97cm。上半年多西北風，下半年多東南風，2-4月份風較大。

本實驗選定當地的4種主要巖性：風積砂、薩拉烏蘇、砂質壤土和紅砂巖。

2.2 水面蒸發實驗裝置

蒸發池長4 m、寬1 m、深1 m，四周用磚漿砌，內涂防水水泥，使蒸發池不滲漏。蒸發池中放E601蒸發皿（皿器材料為玻璃鋼，直徑618 mm，面積為0.30 m2、深1 m），測量用渦桿標尺，測量精度仍可達0.10mm。

2.3 表土蒸發實驗裝置

表土蒸發實驗裝置包括土面蒸發的室內測量系統和試驗室外觀測系統，水位控制在試樣面下5 cm處，由馬斯瓶補償儀測得的補水量就是供試樣的土面蒸發量。由于使用材料的差異，馬斯瓶主管的有效內部面積為37.98cm2，與蒸發桶口的面積之比為1：78.98。測量精度較高。

3 實驗結果與分析

3.1 地表溫度

地面的熱狀況是影響地—氣之間水汽運移的主要因素，受太陽輻射能的強烈影響。地面熱狀況的改變體現在地表溫度的變化上，故本次實驗對地表溫度進行了觀測。選取無降水日2007年8月17日與18日兩天風積砂的地表溫度變化規律。

太陽輻射到達地面以后很快被吸收，地面吸收的熱量通過固體顆粒和顆粒孔隙間的空氣向下傳導，引起土壤溫度在垂直剖面上發生不同的變化。因此在試驗場地選擇了一個剖面（風積砂），在場地中間設置了一個大氣—包氣帶溫度傳感器，測量點埋深：-0.50 m（離地面向上 0.50 m）、0.00 m（地表）、0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.30 m、0.40 m、0.50 m、0.90 m、1.50 m，共 10個點。同樣選取無降水日2007年8月17日與18日兩天的溫度變化規律。

根據觀測數據得出，地下溫度的變化具有兩大特點：

一是地溫的變幅隨著深度衰減。地表溫度變化最為劇烈，隨著埋深的增加，地溫的變化趨于平緩，到了地表下0.50 m時地溫變化已經趨于恒定，變幅僅為0.60℃。

二是地下溫度的變化具有滯后現象，且隨著深度的增加滯后的時間越長。

這是由于空氣與地面以下包氣帶介質在熱容上的差異，因此當氣溫升高時地面溫度要比氣溫升高幅度大；當氣溫降低時，地面溫度又要滯后于溫度變化而降得慢。由于地溫是在地面溫度的“帶動”下變化的，自地面向下傳熱或者是自地下向地面散熱都需要一個過程，這就是地面以下包氣帶中的地溫變化要滯后于地面溫度變化的主要原因。

3.2 水面蒸發與表土蒸發的對比以及與溫度的滯后性分析

表1為水面蒸發觀測系統（E601）與表土蒸發觀測系統（5cm）一個無降水日時段（2007年8月15日晚8點—2007年8月17日晚8點）的實驗結果。在測量蒸發量的同時，每兩個小時觀測一次溫度。

表1 不同巖性及淡水的蒸發強度表 單位：（mm）

由表1可以看出，不同巖性的表土蒸發強度有所不同，風化砂巖和風積砂的比較大，而薩拉烏蘇與砂質壤土的則比較小，其中砂質壤土的蒸發量僅為風積砂蒸發量的24%。與淡水（水面蒸發）比較，不同巖性的表土蒸發普遍比水面蒸發要小得多，最大的風積砂僅為水面蒸發的40%，而砂質壤土的蒸發量更少僅為10%。

土面蒸發是土壤表面所含水分以水汽形式躍入大氣的現象，也即土面處土壤水分汽化、擴散進入大氣的過程。土壤水進入大氣通過兩個途徑：一是土面處土壤液態水汽化進入大氣，二是土壤內部非飽和時孔隙中的水汽通過擴散進入大氣。由此可以看到水面蒸發是整個水面均勻地經過相變過程后再通過擴散過程進入大氣，而土面蒸發是兩個過程同步進行，一個過程是與水面蒸發類似，即土面處毛管孔隙中的液態水汽化相變后通過擴散進入大氣，另一個過程就是水汽從土壤內部通過土壤面通氣孔隙直接擴散進入大氣中。兩種蒸發的強度主要決定于當時氣象條件所決定的升溫或降溫的幅度和速率。由于水面蒸發是整個水面均勻地經過相變擴散進入大氣，而實驗所做的表土蒸發，潛水位離地表5cm，由于土粒和孔隙的存在，實際蒸發面積遠小于水面蒸發的面積，因此此時表土蒸發的強度要比水面蒸發強度的面積小得多。

表2給出了不同巖性的標準化溫度與蒸發量之間的滯后相關關系。

表2 不同巖性標準化溫度值與標準化蒸發量之間的滯后相關分析表

由上述試驗資料可見，蒸發的啟動滯后于溫度的變化，對4種巖性來講紅砂巖滯后約4h，薩拉烏蘇組滯后約6h，砂質壤土滯后約6h，風積沙滯后約8h。

4 結論與建議

文章對鄂爾多斯沙漠高原區水面蒸發以及土面蒸發進行了研究，通過野外試驗以及包氣帶原位試驗研究，采用統計的方法對水面蒸發量與土面蒸發量進行了分析，主要得出以下幾點結論和建議：沙漠包氣帶溫度場的晝夜變化極為顯著，溫度梯度的大小方向決定了包氣帶水分的運移方向和運移量；溫度梯度為蒸發的主要驅動力之一，與蒸發之間有明顯的滯后關系。

建議結合地表植被以及水－氣－熱耦合模型來模擬降水蒸發過程，以便深入探討潛水蒸發機理，準確計算不同地區不同條件下的可再生水資源量。

[1]李俊亭，王文科，等.鄂爾多斯盆地白堊系（白于山以北地區）潛水面降水入滲補給強度與蒸發強度試驗研究[J].長安大學學報,2004：60-61.

[2]雷志棟,楊詩秀,謝森傳.土壤水動力學[M].北京:清華大學出版社,1988:40-41.