干旱区潜水蒸发研究进展

赵玉杰，周金龙，2，李 巧

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐830052;2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉430074)

所谓潜水蒸发，就是潜水向包气带输送水分，并通过土壤蒸发或(和)植物蒸腾进入大气的过程［1］。在蒸发过程中，水分带着水中的盐分从下往上在土壤中运动，盐分会留在土壤上层，水分进入大气，所以潜水蒸发不仅会造成地下水水量的损失，而且会引起土壤盐渍化。

1 研究意义

潜水蒸发是大气降水、灌溉水、土壤水与地下水循环的一个重要环节，在新疆等蒸发强烈的干旱地区，潜水蒸发不仅关系到土壤水分损失，还直接涉及土壤的盐碱化问题［2］，研究潜水蒸发对于掌握农田及区域水循环规律具有重要作用。在地下水埋深浅的地区，潜水蒸发是地下水的主要消耗项之一，也是区域蒸散发主要的水分来源之一。潜水蒸发研究对土壤盐渍化防治、地下水资源评价、天然植被生态耗水量计算等都具有重要意义。自20世纪50年代以来，国内许多专家对潜水蒸发做了大量研究，在潜水蒸发机理、潜水蒸发量的计算等方面取得了显著的成果。

2 潜水蒸发的影响因素

周金龙等［3］、Yang等［4］、李艳等［5］、胡顺军等［6］、Zhou等［7］和 Unold等［8］通过试验研究表明，潜水蒸发量受制于大气蒸发能力和土壤的供水能力，而土壤的供水能力与土质、潜水埋深有关;影响潜水蒸发强度的因素主要有:潜水位的埋深、土质情况、大气蒸发能力和地表作物覆盖状况等。

周金龙等［3］通过试验得到潜水蒸发与潜水位埋深的关系:无论是何种土质，潜水蒸发量随埋深增大而减少，潜水位埋深达到一定深度，潜水蒸发量趋向于零。金晓媚等［9］、刘铁刚等［10］、李晓宇等［11］通过试验研究得出结论:水位埋深越浅，由大气降水和灌溉回归水补给土壤水的水量越少，潜水通过毛细管上升作用补给土壤水的能力越强，因而潜水蒸发在地表蒸发中所占的份额越大。随着埋深的增大，土壤水蒸发量也逐渐增大，当达到潜水蒸发的极限埋深时，潜水蒸发量趋近于零，此时地表蒸发量等于土壤水蒸发量。

潜水蒸发与土质的关系:土质对潜水蒸发的影响主要表现在包气带土层毛细管特性上。土壤的粗细颗粒组成及含量不同，构成了不同的毛细管分布，表现出不同的输水性，不同土质土壤潜水蒸发量大小随埋深变化幅度有明显的不同［15］。

潜水蒸发与大气蒸发能力的关系:夏季的蒸发量为年内高峰期，春季和秋季蒸发较弱，冬季蒸发最弱，这主要是大气蒸发能力存在差异造成的。不同埋深的潜水蒸发量变化趋势一致，只是数值上存在差异，随着地下水埋深的增加，潜水蒸发量呈现降低的趋势。地下水埋深较浅时，由于土壤水毛细管作用强，沿毛细管上升的水分就多;反之，上升的水分就少［12］。在不同潜水埋深条件下，潜水蒸发强度与水面蒸发强度的关系明显不同。对于某一潜水埋深，潜水蒸发强度随大气蒸发能力的增加而增加，但呈非线性增加。大气蒸发力一定的条件下，潜水蒸发强度随潜水埋深的增大而减少［13］。

潜水蒸发与地表作物覆盖状况的关系:当潜水位埋深较小时，在相同潜水位埋深条件下，地表有作物覆盖时的潜水蒸发量明显大于地表无作物覆盖时的潜水蒸发量，且潜水蒸发量与作物类型有较大关系;当潜水位埋深大时，同样条件下，地表有作物覆盖时的潜水蒸发量略大于地表无作物时的潜水蒸发，且潜水蒸发量与作物种类无明显关系［3］。

3 潜水蒸发的研究方法

潜水蒸发的研究方法主要有:蒸渗仪直接测定法、定位通量法、经验公式计算法和数值模拟法，各方法都有其优缺点并一直在发展。潜水蒸发试验研究的手段也有了很多进展，负压计［14］、土壤水分测定仪［15］、蒸渗仪［16－18］等得到广泛应用;吴运卿等研制了智能化称重式蒸渗仪系统［19］;Meissner等研制了室外使用的集装箱式的称重蒸渗仪［20］;Unold等研究了田间称重蒸渗仪的模块化设计［8］。

蒸渗仪直接测定法是基本方法，试验观测结果可以用于估算不同土质潜水蒸发的各种经验公式，但试验结果直接应用于实际生产还存在一定的困难。机理分析方法以土壤水动力学理论为基础，主要是针对稳定蒸发进行分析的，与实际情况存在一定差别。数值模拟方法将潜水蒸发作为水分运动的一个环节来考虑，能够模拟不同蒸发条件下的潜水蒸发和土壤水分运动，但是要建立在大量观测数据的基础上，需要较多的观测数据和参数，观测数据越详细，模拟结果越准确。用蒸渗仪直接观测法测定观测数据，用数值模拟法对观测数据进行拟合，模拟潜水蒸发过程是当前的研究趋势。

3.1 蒸渗仪直接测定法

国内在不同地区先后建成了10余个地下水均衡试验场，利用蒸渗仪测定不同土壤、不同地下水埋深、不同作物在不同时期的潜水蒸发强度，根据试验观测结果，分析潜水蒸发的主要影响因素及规律，进一步建立潜水蒸发与其主要影响因素间的经验关系［1］。目前普遍采用的观测方法为采用若干个不同土质不同潜水埋深的试桶，用马氏瓶控制水位，定时观测水面蒸发量和潜水蒸发量，并对结果进行对比分析，总结潜水蒸发规律及计算潜水蒸发量。

3.2 定位通量法

定位通量法(机理分析方法)，是根据土壤水动力学原理，在地下水位稳定和稳定蒸发条件下，分析地下水向土壤水的补给、土壤水运动、根系吸水和土壤蒸发等运动过程，对潜水蒸发进行理论分析的方法。定位通量法有很强的理论基础，但并不适用于实际应用，因为在自然条件下潜水蒸发条件比理想状况要复杂得多［1］，潜水蒸发结果与理论分析的结果不一定完全相符。

3.3 经验公式计算法

经验公式计算法是在试验观测及机理分析的基础上提出的，在实际生产中应用广泛。经验公式反映了潜水蒸发与其主要影响因素(如大气蒸发能力、地下水埋深等)的关系，大体上可以分为经验公式、半经验－半机理公式、机理公式3类［1］。国内很多学者和少数国外学者从不同角度对潜水蒸发量计算经验公式的构建和适用性研究做了大量工作，J.P.Lhomme［21］由 CBL(convective boundary layer) 的演 变 过程重新解释了实际和潜在蒸发量的关系。常用的经验公式有阿维里扬诺夫公式、幂函数公式、指数公式、对数公式和反Logistic公式。

阿维里扬诺夫公式:Egb/E0=(1－H/H0)b

幂函数公式:Egb/E0=aH－b

指数公式:Egb/E0=a exp(－bH)

对数公式:Egb/E0=－alnH+b

反 Logistic公式:Egb/E0=a/(1+b exp(γH))

上述各式中，Egb为潜水蒸发强度;E0为水面蒸发强度;H为地下水埋深;H0为潜水蒸发极限深度;a、b、γ为经验常数，与土质等因素有关。幂函数公式和对数公式不适用于地下水埋深很浅的地区，正比假定在地下水埋深浅或大气蒸发能力弱的地区适用。

在干旱区最适用的潜水蒸发半经验－半机理公式是清华大学雷氏公式:，式中η为经验常数，Emax为潜水极限蒸发强度，E0为水面蒸发强度。此公式计算精度高，结构完整，但是结构复杂，参数多且不容易准确得到，在使用中受到限制。在试验观测的基础上，后人对此公式进行了改进。唐海行等［22］建立的公式为，胡顺军等［13，23］建立的简化公式为，。

用达西定律计算潜水蒸发的机理公式为:Egb=－K(θ)(δh/δz+1)，K(θ)为是地下水位附近含水率为 θ 时土壤的非饱和导水率;h是土水势;Z是纵坐标［24］。在实际应用中因为土水势和含水率不易得到，多采用达西定律对公式进行简化。孔凡哲等［14］提出的计算潜水蒸发的公式为 Egb=K(Sa)(Sa/H－1)，K(Sa)=a/(+b)，式中Sa代表地表土壤水吸力，用来代替土壤水吸力，不准确;K(sa)为Sa对应的非饱和导水率，不是整个非饱和区的导水率，所以此公式存在一定的问题。

经验公式一般形式简单便于应用，但缺乏对潜水蒸发机理的考虑;半经验－半机理公式有一定的物理基础，但形式复杂;机理公式物理概念明确，但在实际中不便于应用。各公式都有其应用范围和适用条件，在使用时要根据实际观测数据进行分析拟合。经验公式主要是针对均质土建立的，不适用于层状土壤条件下潜水蒸发量的估算，也不能分析降水、灌溉和土壤盐分等因素对潜水蒸发的影响，不能反映水分运动的过程。

3.4 数值模拟法

数值模拟法，在试验观测数据的基础上，基于土壤水动力学原理用软件模拟水分运动的过程，能够直观的反映和预测潜水蒸发。数值模拟法不局限于稳定蒸发状况，可以对不同蒸发条件潜水蒸发过程和规律进行深入分析。数值模拟是研究不同条件下土壤水分运动规律的主要手段［25］，在模拟模型中，潜水蒸发过程被看作是土壤水分运动的一个组成部分，潜水蒸发量为地下水位处的水分通量。利用土壤水动力学模型可以模拟分析不同土质结构、降水、灌溉等因素影响下的潜水蒸发过程，可以作为分析潜水蒸发规律的一个有效工具，在研究潜水蒸发方面具有较大的优势。很多国外学者和国内学者在模型研制和应用方面做了大量的工作，特别是Grunberger等［26］对盐土土壤剖面氘和氯离子含量进行分析分析，确定土壤水蒸发量。毛晓敏等［27］用数值模拟法模拟新疆叶尔羌河绿洲潜水蒸发过程，取得了很好的效果。

4 潜水蒸发研究成果的实际应用

研究干旱区潜水蒸发，主要的成果就是总结潜水蒸发规律、模拟潜水蒸发过程、估算或推测一定条件下的潜水蒸发量。这些成果可以用于地下水资源评价、干旱区生态水位确定、灌区盐碱地排水设计和荒漠植被生态需水量估算等。

潜水蒸发强度与潜水埋深密切相关，通过潜水蒸发量与潜水埋深的关系，可以确定干旱区生态水位和潜水蒸发极限深度。地下水埋深浅，蒸发强烈，造成地下水水量损失，而且盐分随水流到达土壤上层并在土壤上层聚集，造成土壤盐渍化，影响植物生长;地下水埋深深，水分不能到达土壤上层植物根系处，发生干旱，也不利于植物生长，易造成荒漠化。宋郁东等［28］把既能减少地下水强烈蒸发返盐，又不造成土壤干旱而影响植物生长的地下水埋深称为适宜生态地下水埋深。通过潜水蒸发研究可以测定蒸发极限深度和潜水强烈蒸发深度，从而确定干旱区生态水位。将水位控制在潜水适宜埋深，就可以既节约地下水，减少土壤盐渍化，又可以避免荒漠化，实现生态环境的可持续发展。

在干旱区灌区常因地下水水位高造成严重的土壤盐渍化，通过潜水蒸发极限深度确定灌区排水的适宜深度，可以减少盐渍化的发生［29，30］。排水措施是降低地下水位，减少地下水对土壤盐分供给的根本措施。研究成果表明，在农田排水地区，蒸发可以加速地下水的回落，在西北干旱内陆区，这种作用更显著［31，32］。因此在农田排水计算中，必须考虑潜水蒸发的影响。

生态用水，指维护生态环境的用水，包括维护城市生态、河谷生态、河湖生态、绿洲生态和防护林生态的用水，由于区域生态类型、生长状况、覆盖度差异较大［33］，不易计算。生态需水量是指为改善生态环境质量或维护生态环境质量不至于进一步下降时生态系统所需要的最少水量和在这一水量下生态系统能够忍耐的最差水质［34］。通过潜水蒸发研究得出的潜水蒸发量，可以估算荒漠植被生态需水量，为水资源的优化配置提供依据［35］。

李红寿等［36］的研究表明若在潜水自然蒸发的基础上，应用覆膜、覆沙、洒水、使用高吸水性树脂(SAP)等人工技术，增大地表的密闭性能、增加土壤的水分含量、改善土壤空隙度等，完全有可能使潜水水分的运转量增大，在适当层位凝聚形成高于萎蔫系数土壤层，满足耐旱植物的基本需要，生态修复极干旱区的荒漠化土地。

5 研究展望

潜水蒸发已经取得了一些阶段性的成果，但还有很多问题需要进一步研究和探讨，如:矿化度对潜水蒸发强度的影响、高盐度条件下潜水蒸发的数值模拟方法、灌区潜水蒸发与土壤积盐过程的数值模拟、盐荒地潜水蒸发与土壤积盐过程的数值模拟等。

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