疏勒河流域地下水均衡试验场蒸发研究

闫自仁

(甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃 玉门 735211)

疏勒河流域地下水均衡试验场蒸发研究

闫自仁

(甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃 玉门 735211)

利用地下水均衡试验观测资料对比分析建立了月平均饱和差与水面蒸发的关系，潜水蒸发的年内分配规律及垂向分布规律;用相同时段内的潜水蒸发量和水面蒸发量做相关分析，提出不用时间的相关性;用φ20 cm实测年蒸发量值和彭曼公式计算结果对比，确定计算误差。

水面蒸发;潜水蒸发

水资源量主要由地表水资源和地下水资源两部分组成，在大气降水、地表水、土壤水、地下水之间进行着频繁复杂的相互作用和互相转化。而地下水蒸发则是研究地下水动态变化过程中十分重要的环节。地下水蒸发量和地下水埋深、岩性、气象等因素有密切关系。地下水蒸发量一般采用地下水观测井观测资料及用地下水均衡试验场资料来分析研究。

1 地下水均衡试验场概况

地下水均衡试验场是灌区地下水动态预测研究工作的重要组成部分，在建立地下水动态预测模型进行地下水动态分析时，各类水文地质参数的选取将直接影响计算的可靠程度和预测精度，为能对灌区地下水动态预测提供可靠精确的水文地质参数，需对各类水文地质参数做专门的测试和研究。疏勒河流域地下水均衡试验场建于2002年，位于疏勒河流域玉门盆地(昌马灌区)冲洪积细土平原区，地下水埋深6.07～8.77 m。地下水均衡试验场占地面积1 560 m2，包括一个小型气象场和地下水均衡试验场。地下水均衡试验场有实验池6个，东西各3个;设有地中蒸渗仪45套，埋深从0.5～6.2 m，用“马氏瓶”系统(包括给水瓶和水位控制器)控制，通过建在地下观测室的廊道(宽2～3 m、高2 m、长40 m)和深6 m的竖井进行潜水蒸发和降水入渗补给量的观测。土筒内的原状土均取自昌马灌区南缘。气象场设有温度、湿度、风向风速、日照、0～15 cm 地温，降水、蒸发(φ20cm)等观测项目。主要研究疏勒河流域平原区大气降水、蒸发、径流、盐分运动、入渗补给规律及计算参数，大气水、地表水、土壤水、地下水相互作用和相互转化的机理与规律等。为疏勒河流域地下水动态预测以及预测模型的修正等提供精确可靠的计算参数。

2 水面蒸发

存在于流域内下垫面物体表面的水分子，以气态形式返回近地大气层的现象为蒸发。水面蒸发是充分供水条件下的蒸发。它可以反映流域内的蒸发能力，是水资源评价中的一个重要参数。

2.1 水面蒸发的影响因素

水汽压差、风速、气温和水质等气象因素都影响水面蒸发。水汽压差指水面温度的饱和水汽压与水面上空一定高度的实际水汽压之差。它反映着水汽浓度梯度，根据扩散理论所提供的概念，蒸发率与水汽压差成正比变化。风速的大小，决定着紊动扩散的强弱。一般认为，风速愈大，水面蒸发率也愈高。气温主要控制空气湿度，间接影响水面蒸发。按照道尔顿定律，如风速和相对湿度不变，温度升高10℃，蒸发量增加 1倍。水中含有盐分，盐分子会增加分子的吸力，减少蒸发。以下简述风和饱和差对水面蒸发的影响。

2.1.1 水面蒸发与风的关系

风能促进水汽交换，加强乱流扩散，从而影响水面蒸发，风速越大，蒸发量越大，因此风速是影响水面蒸发的一个因素。

2.1.2 水面蒸发与饱和差的关系

水分子运动与温度有密切关系。温度越高，水分子越活跃，蒸发面以上空气中的水汽含量越多，同时返回蒸发面的机会也越多，当达到一定程度时，二者相等，即水汽含量达到饱和，此时的水汽压称为饱和水汽压。由此可知，蒸发与饱和水汽压、实际水汽压之差有关，即饱和差有关。对试验场E601、Φ20 cm蒸发量与饱和差进行分析建立月平均饱和差与水面蒸发的关系:

2.2 水面蒸发公式的建立

水面蒸发需克服一定的阻力，阻力越大消耗的能量越多，于是根据能量平衡方法来确定水面蒸发量。彭曼首先提出了用能量平衡和水汽扩散理论计算水面蒸发量的公式:

式中E0为水面蒸发量，mm/d;Rn为到达地面的净辐射总量，以蒸发的水层深度计，mm/d;W为与温度有关的权系数;f(u)为风函数;ea，ed为在平均温度下的饱和水汽压和实际水汽压，mb;c为考虑白天和夜晚风速变化的修正系数。利用彭曼公式计算结果和Φ20 cm实测值年蒸发量做对比，两者误差一般不超过8%。

3 潜水蒸发

潜水蒸发量系指蒸散发所消耗的土壤水中，来自地下水的那部分量。它是地下水的一个消耗途径，也是作物需水的一项来源。潜水蒸发受土壤输水能力和大气蒸发能力的制约。在地中蒸渗仪系统中潜水通过毛细管上升离开潜水面，由马氏瓶直接观测到的补水量作为潜水蒸发量，进行分析研究。

3.1 潜水蒸发的影响因素

影响潜水蒸发的因素有气象因素、包气带土壤的结构、潜水埋深、植被等。埋深较浅时气象因素对潜水蒸发的影响十分明显，气温，水汽压、风速、日照、地温等对潜水蒸发的影响可体现在水面蒸发上。

3.2 潜水蒸发的年内分配规律及垂向分布规律

潜水蒸发年内变化趋势是:以7月及其前后为最大，这一时期，水面蒸发最大。从2月至6、7月，潜水蒸发量逐渐增大，其后至11月逐渐减小。埋深较浅时，潜水蒸发受气象因素影响明显，其月蒸发量峰值出现时间基本与水面蒸发一致。随埋深的增加，其峰值逐渐后移，当埋深较大时，其受气象条件影响微弱，变化平缓。垂向变化的一般特点:潜水埋深越浅，潜水蒸发量越大，埋深较浅时，随埋深的增加，潜水蒸发量急剧减小，其减小幅度逐步减小。当埋深较大时，潜水蒸发量减小缓慢。埋深大于2.1 m时，潜水蒸发变化不大。当埋深小于2.1 m时，潜水蒸发受气象因素影响明显。

3.3 潜水蒸发系数的变化规律

潜水蒸发系数C是时段内潜水蒸发量E与水面蒸发量E0的比值。它是地下水资源评价中常用的参数之一。根据上述分析影响潜水蒸发的主要因素是潜水埋深△，目前常用的潜水蒸发经验公式有以下几个。

3.3.1 阿维扬诺夫公式

E=E0(1 － △/△0)n，或者 C=(1 － △/△0)n，式中，△是潜水埋深，△0是极限埋深，n是指数，E是潜水蒸发，E0是水面蒸发。

3.3.2 叶水庭公式

E=E0e－a△，或者 C=e－a△，式中，a为待定系数，e为自然对数的底，其余同上。

3.3.3 沈立昌公式

E=K’μE0a/(1+ △)n，或简化为 C=K/(1+△)n，式中，K ，K’，n，a均为待定系数，μ 为给水度。

潜水蒸发由于要经过包气带土壤，相对于水面蒸发滞后一段时间，用相同时段内的潜水蒸发量和水面蒸发做相关分(埋深1.1 m)，发现逐月的相关性最好，10日的相关性较好，逐日没有相关性。

用埋深从0.5～3.6 m的土筒年均潜水蒸发系数与埋深(月年统计值，无植被)资料分析拟和结果如下:

相关系数 r=0.93

相关系数 r=0.96

相关系数 r=0.91

此外，潜水蒸发还受土质和植被的影响，一般说来埋深相同，土质越密实，蒸发量越小，砂土 ＞壤土 ＞粘土。表层种植不同的作物，蒸发也有所不同，它和作物的需水特征、根系发育等密切相关，有待于进一步分析研究。

3.4 水蒸发的季节性变化规律

冻结期(11月底～次年2月初):该时期的潜水蒸发称为假蒸发，土壤水因上部冻结，土壤水从下部向上部运移，潜水补给土壤水。水分积聚在冻结带中，并没有散发到大气中去。

融冻期(2月中旬 ～4月初):冻结层水分从上下两边向中间逐步融化，上部融化水进入大气，下部融化水下渗补给潜水，待冻层完全融化后，潜水经包气带蒸散发至大气中。

蒸发期(4月～11月):这一时期潜水通过包气带不断蒸散发进入大气中。假蒸发量占全年蒸发量的比重约0.1～0.4。

4 结语

潜水蒸发是自然界水循环组成部分 ，是地下水向土壤水和大气水转化的主要形式。研究潜水蒸发对于探讨流域内三水转化机理、农田灌溉排水、盐碱地治理以及进行水资源评价等诸多方面都具有十分重要的意义。

［1］［美］R.H.布朗等编.地下水研究.赵耿忠，叶寿征等译.北京:学术书刊出版社.1989:10～348.

［2］来剑斌，王永平，蒋庆华，王金栋，王全九.土壤质地对潜水蒸发的影响.西北农林科技大学学报.2003(6/36):153～156.

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1004－1184(2012)05－0040－02

2012－05－28

闫自仁(1964－)，男，甘肃金塔人，高级工程师，主要从事水利工程建设及水资源调度管理。