趙玉杰，周金龍，2，李 巧

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074)

所謂潛水蒸發(fā)，就是潛水向包氣帶輸送水分，并通過土壤蒸發(fā)或(和)植物蒸騰進入大氣的過程［1］。在蒸發(fā)過程中，水分帶著水中的鹽分從下往上在土壤中運動，鹽分會留在土壤上層，水分進入大氣，所以潛水蒸發(fā)不僅會造成地下水水量的損失，而且會引起土壤鹽漬化。

1 研究意義

潛水蒸發(fā)是大氣降水、灌溉水、土壤水與地下水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，在新疆等蒸發(fā)強烈的干旱地區(qū)，潛水蒸發(fā)不僅關(guān)系到土壤水分損失，還直接涉及土壤的鹽堿化問題［2］，研究潛水蒸發(fā)對于掌握農(nóng)田及區(qū)域水循環(huán)規(guī)律具有重要作用。在地下水埋深淺的地區(qū)，潛水蒸發(fā)是地下水的主要消耗項之一，也是區(qū)域蒸散發(fā)主要的水分來源之一。潛水蒸發(fā)研究對土壤鹽漬化防治、地下水資源評價、天然植被生態(tài)耗水量計算等都具有重要意義。自20世紀50年代以來，國內(nèi)許多專家對潛水蒸發(fā)做了大量研究，在潛水蒸發(fā)機理、潛水蒸發(fā)量的計算等方面取得了顯著的成果。

2 潛水蒸發(fā)的影響因素

周金龍等［3］、Yang等［4］、李艷等［5］、胡順軍等［6］、Zhou等［7］和 Unold等［8］通過試驗研究表明，潛水蒸發(fā)量受制于大氣蒸發(fā)能力和土壤的供水能力，而土壤的供水能力與土質(zhì)、潛水埋深有關(guān);影響潛水蒸發(fā)強度的因素主要有:潛水位的埋深、土質(zhì)情況、大氣蒸發(fā)能力和地表作物覆蓋狀況等。

周金龍等［3］通過試驗得到潛水蒸發(fā)與潛水位埋深的關(guān)系:無論是何種土質(zhì)，潛水蒸發(fā)量隨埋深增大而減少，潛水位埋深達到一定深度，潛水蒸發(fā)量趨向于零。金曉媚等［9］、劉鐵剛等［10］、李曉宇等［11］通過試驗研究得出結(jié)論:水位埋深越淺，由大氣降水和灌溉回歸水補給土壤水的水量越少，潛水通過毛細管上升作用補給土壤水的能力越強，因而潛水蒸發(fā)在地表蒸發(fā)中所占的份額越大。隨著埋深的增大，土壤水蒸發(fā)量也逐漸增大，當達到潛水蒸發(fā)的極限埋深時，潛水蒸發(fā)量趨近于零，此時地表蒸發(fā)量等于土壤水蒸發(fā)量。

潛水蒸發(fā)與土質(zhì)的關(guān)系:土質(zhì)對潛水蒸發(fā)的影響主要表現(xiàn)在包氣帶土層毛細管特性上。土壤的粗細顆粒組成及含量不同，構(gòu)成了不同的毛細管分布，表現(xiàn)出不同的輸水性，不同土質(zhì)土壤潛水蒸發(fā)量大小隨埋深變化幅度有明顯的不同［15］。

潛水蒸發(fā)與大氣蒸發(fā)能力的關(guān)系:夏季的蒸發(fā)量為年內(nèi)高峰期，春季和秋季蒸發(fā)較弱，冬季蒸發(fā)最弱，這主要是大氣蒸發(fā)能力存在差異造成的。不同埋深的潛水蒸發(fā)量變化趨勢一致，只是數(shù)值上存在差異，隨著地下水埋深的增加，潛水蒸發(fā)量呈現(xiàn)降低的趨勢。地下水埋深較淺時，由于土壤水毛細管作用強，沿毛細管上升的水分就多;反之，上升的水分就少［12］。在不同潛水埋深條件下，潛水蒸發(fā)強度與水面蒸發(fā)強度的關(guān)系明顯不同。對于某一潛水埋深，潛水蒸發(fā)強度隨大氣蒸發(fā)能力的增加而增加，但呈非線性增加。大氣蒸發(fā)力一定的條件下，潛水蒸發(fā)強度隨潛水埋深的增大而減少［13］。

潛水蒸發(fā)與地表作物覆蓋狀況的關(guān)系:當潛水位埋深較小時，在相同潛水位埋深條件下，地表有作物覆蓋時的潛水蒸發(fā)量明顯大于地表無作物覆蓋時的潛水蒸發(fā)量，且潛水蒸發(fā)量與作物類型有較大關(guān)系;當潛水位埋深大時，同樣條件下，地表有作物覆蓋時的潛水蒸發(fā)量略大于地表無作物時的潛水蒸發(fā)，且潛水蒸發(fā)量與作物種類無明顯關(guān)系［3］。

3 潛水蒸發(fā)的研究方法

潛水蒸發(fā)的研究方法主要有:蒸滲儀直接測定法、定位通量法、經(jīng)驗公式計算法和數(shù)值模擬法，各方法都有其優(yōu)缺點并一直在發(fā)展。潛水蒸發(fā)試驗研究的手段也有了很多進展，負壓計［14］、土壤水分測定儀［15］、蒸滲儀［16－18］等得到廣泛應(yīng)用;吳運卿等研制了智能化稱重式蒸滲儀系統(tǒng)［19］;Meissner等研制了室外使用的集裝箱式的稱重蒸滲儀［20］;Unold等研究了田間稱重蒸滲儀的模塊化設(shè)計［8］。

蒸滲儀直接測定法是基本方法，試驗觀測結(jié)果可以用于估算不同土質(zhì)潛水蒸發(fā)的各種經(jīng)驗公式，但試驗結(jié)果直接應(yīng)用于實際生產(chǎn)還存在一定的困難。機理分析方法以土壤水動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，主要是針對穩(wěn)定蒸發(fā)進行分析的，與實際情況存在一定差別。數(shù)值模擬方法將潛水蒸發(fā)作為水分運動的一個環(huán)節(jié)來考慮，能夠模擬不同蒸發(fā)條件下的潛水蒸發(fā)和土壤水分運動，但是要建立在大量觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，需要較多的觀測數(shù)據(jù)和參數(shù)，觀測數(shù)據(jù)越詳細，模擬結(jié)果越準確。用蒸滲儀直接觀測法測定觀測數(shù)據(jù)，用數(shù)值模擬法對觀測數(shù)據(jù)進行擬合，模擬潛水蒸發(fā)過程是當前的研究趨勢。

3.1 蒸滲儀直接測定法

國內(nèi)在不同地區(qū)先后建成了10余個地下水均衡試驗場，利用蒸滲儀測定不同土壤、不同地下水埋深、不同作物在不同時期的潛水蒸發(fā)強度，根據(jù)試驗觀測結(jié)果，分析潛水蒸發(fā)的主要影響因素及規(guī)律，進一步建立潛水蒸發(fā)與其主要影響因素間的經(jīng)驗關(guān)系［1］。目前普遍采用的觀測方法為采用若干個不同土質(zhì)不同潛水埋深的試桶，用馬氏瓶控制水位，定時觀測水面蒸發(fā)量和潛水蒸發(fā)量，并對結(jié)果進行對比分析，總結(jié)潛水蒸發(fā)規(guī)律及計算潛水蒸發(fā)量。

3.2 定位通量法

定位通量法(機理分析方法)，是根據(jù)土壤水動力學(xué)原理，在地下水位穩(wěn)定和穩(wěn)定蒸發(fā)條件下，分析地下水向土壤水的補給、土壤水運動、根系吸水和土壤蒸發(fā)等運動過程，對潛水蒸發(fā)進行理論分析的方法。定位通量法有很強的理論基礎(chǔ)，但并不適用于實際應(yīng)用，因為在自然條件下潛水蒸發(fā)條件比理想狀況要復(fù)雜得多［1］，潛水蒸發(fā)結(jié)果與理論分析的結(jié)果不一定完全相符。

3.3 經(jīng)驗公式計算法

經(jīng)驗公式計算法是在試驗觀測及機理分析的基礎(chǔ)上提出的，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。經(jīng)驗公式反映了潛水蒸發(fā)與其主要影響因素(如大氣蒸發(fā)能力、地下水埋深等)的關(guān)系，大體上可以分為經(jīng)驗公式、半經(jīng)驗－半機理公式、機理公式3類［1］。國內(nèi)很多學(xué)者和少數(shù)國外學(xué)者從不同角度對潛水蒸發(fā)量計算經(jīng)驗公式的構(gòu)建和適用性研究做了大量工作，J.P.Lhomme［21］由 CBL(convective boundary layer) 的演 變 過程重新解釋了實際和潛在蒸發(fā)量的關(guān)系。常用的經(jīng)驗公式有阿維里揚諾夫公式、冪函數(shù)公式、指數(shù)公式、對數(shù)公式和反Logistic公式。

阿維里揚諾夫公式:Egb/E0=(1－H/H0)b

冪函數(shù)公式:Egb/E0=aH－b

指數(shù)公式:Egb/E0=a exp(－bH)

對數(shù)公式:Egb/E0=－alnH+b

反 Logistic公式:Egb/E0=a/(1+b exp(γH))

上述各式中，Egb為潛水蒸發(fā)強度;E0為水面蒸發(fā)強度;H為地下水埋深;H0為潛水蒸發(fā)極限深度;a、b、γ為經(jīng)驗常數(shù)，與土質(zhì)等因素有關(guān)。冪函數(shù)公式和對數(shù)公式不適用于地下水埋深很淺的地區(qū)，正比假定在地下水埋深淺或大氣蒸發(fā)能力弱的地區(qū)適用。

在干旱區(qū)最適用的潛水蒸發(fā)半經(jīng)驗－半機理公式是清華大學(xué)雷氏公式:，式中η為經(jīng)驗常數(shù)，Emax為潛水極限蒸發(fā)強度，E0為水面蒸發(fā)強度。此公式計算精度高，結(jié)構(gòu)完整，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)多且不容易準確得到，在使用中受到限制。在試驗觀測的基礎(chǔ)上，后人對此公式進行了改進。唐海行等［22］建立的公式為，胡順軍等［13，23］建立的簡化公式為，。

用達西定律計算潛水蒸發(fā)的機理公式為:Egb=－K(θ)(δh/δz+1)，K(θ)為是地下水位附近含水率為 θ 時土壤的非飽和導(dǎo)水率;h是土水勢;Z是縱坐標［24］。在實際應(yīng)用中因為土水勢和含水率不易得到，多采用達西定律對公式進行簡化?？追舱艿龋?4］提出的計算潛水蒸發(fā)的公式為 Egb=K(Sa)(Sa/H－1)，K(Sa)=a/(+b)，式中Sa代表地表土壤水吸力，用來代替土壤水吸力，不準確;K(sa)為Sa對應(yīng)的非飽和導(dǎo)水率，不是整個非飽和區(qū)的導(dǎo)水率，所以此公式存在一定的問題。

經(jīng)驗公式一般形式簡單便于應(yīng)用，但缺乏對潛水蒸發(fā)機理的考慮;半經(jīng)驗－半機理公式有一定的物理基礎(chǔ)，但形式復(fù)雜;機理公式物理概念明確，但在實際中不便于應(yīng)用。各公式都有其應(yīng)用范圍和適用條件，在使用時要根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)進行分析擬合。經(jīng)驗公式主要是針對均質(zhì)土建立的，不適用于層狀土壤條件下潛水蒸發(fā)量的估算，也不能分析降水、灌溉和土壤鹽分等因素對潛水蒸發(fā)的影響，不能反映水分運動的過程。

3.4 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法，在試驗觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于土壤水動力學(xué)原理用軟件模擬水分運動的過程，能夠直觀的反映和預(yù)測潛水蒸發(fā)。數(shù)值模擬法不局限于穩(wěn)定蒸發(fā)狀況，可以對不同蒸發(fā)條件潛水蒸發(fā)過程和規(guī)律進行深入分析。數(shù)值模擬是研究不同條件下土壤水分運動規(guī)律的主要手段［25］，在模擬模型中，潛水蒸發(fā)過程被看作是土壤水分運動的一個組成部分，潛水蒸發(fā)量為地下水位處的水分通量。利用土壤水動力學(xué)模型可以模擬分析不同土質(zhì)結(jié)構(gòu)、降水、灌溉等因素影響下的潛水蒸發(fā)過程，可以作為分析潛水蒸發(fā)規(guī)律的一個有效工具，在研究潛水蒸發(fā)方面具有較大的優(yōu)勢。很多國外學(xué)者和國內(nèi)學(xué)者在模型研制和應(yīng)用方面做了大量的工作，特別是Grunberger等［26］對鹽土土壤剖面氘和氯離子含量進行分析分析，確定土壤水蒸發(fā)量。毛曉敏等［27］用數(shù)值模擬法模擬新疆葉爾羌河綠洲潛水蒸發(fā)過程，取得了很好的效果。

4 潛水蒸發(fā)研究成果的實際應(yīng)用

研究干旱區(qū)潛水蒸發(fā)，主要的成果就是總結(jié)潛水蒸發(fā)規(guī)律、模擬潛水蒸發(fā)過程、估算或推測一定條件下的潛水蒸發(fā)量。這些成果可以用于地下水資源評價、干旱區(qū)生態(tài)水位確定、灌區(qū)鹽堿地排水設(shè)計和荒漠植被生態(tài)需水量估算等。

潛水蒸發(fā)強度與潛水埋深密切相關(guān)，通過潛水蒸發(fā)量與潛水埋深的關(guān)系，可以確定干旱區(qū)生態(tài)水位和潛水蒸發(fā)極限深度。地下水埋深淺，蒸發(fā)強烈，造成地下水水量損失，而且鹽分隨水流到達土壤上層并在土壤上層聚集，造成土壤鹽漬化，影響植物生長;地下水埋深深，水分不能到達土壤上層植物根系處，發(fā)生干旱，也不利于植物生長，易造成荒漠化。宋郁東等［28］把既能減少地下水強烈蒸發(fā)返鹽，又不造成土壤干旱而影響植物生長的地下水埋深稱為適宜生態(tài)地下水埋深。通過潛水蒸發(fā)研究可以測定蒸發(fā)極限深度和潛水強烈蒸發(fā)深度，從而確定干旱區(qū)生態(tài)水位。將水位控制在潛水適宜埋深，就可以既節(jié)約地下水，減少土壤鹽漬化，又可以避免荒漠化，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

在干旱區(qū)灌區(qū)常因地下水水位高造成嚴重的土壤鹽漬化，通過潛水蒸發(fā)極限深度確定灌區(qū)排水的適宜深度，可以減少鹽漬化的發(fā)生［29，30］。排水措施是降低地下水位，減少地下水對土壤鹽分供給的根本措施。研究成果表明，在農(nóng)田排水地區(qū)，蒸發(fā)可以加速地下水的回落，在西北干旱內(nèi)陸區(qū)，這種作用更顯著［31，32］。因此在農(nóng)田排水計算中，必須考慮潛水蒸發(fā)的影響。

生態(tài)用水，指維護生態(tài)環(huán)境的用水，包括維護城市生態(tài)、河谷生態(tài)、河湖生態(tài)、綠洲生態(tài)和防護林生態(tài)的用水，由于區(qū)域生態(tài)類型、生長狀況、覆蓋度差異較大［33］，不易計算。生態(tài)需水量是指為改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量或維護生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不至于進一步下降時生態(tài)系統(tǒng)所需要的最少水量和在這一水量下生態(tài)系統(tǒng)能夠忍耐的最差水質(zhì)［34］。通過潛水蒸發(fā)研究得出的潛水蒸發(fā)量，可以估算荒漠植被生態(tài)需水量，為水資源的優(yōu)化配置提供依據(jù)［35］。

李紅壽等［36］的研究表明若在潛水自然蒸發(fā)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用覆膜、覆沙、灑水、使用高吸水性樹脂(SAP)等人工技術(shù)，增大地表的密閉性能、增加土壤的水分含量、改善土壤空隙度等，完全有可能使?jié)撍值倪\轉(zhuǎn)量增大，在適當層位凝聚形成高于萎蔫系數(shù)土壤層，滿足耐旱植物的基本需要，生態(tài)修復(fù)極干旱區(qū)的荒漠化土地。

5 研究展望

潛水蒸發(fā)已經(jīng)取得了一些階段性的成果，但還有很多問題需要進一步研究和探討，如:礦化度對潛水蒸發(fā)強度的影響、高鹽度條件下潛水蒸發(fā)的數(shù)值模擬方法、灌區(qū)潛水蒸發(fā)與土壤積鹽過程的數(shù)值模擬、鹽荒地潛水蒸發(fā)與土壤積鹽過程的數(shù)值模擬等。

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