基于蒸滲儀測量的水文要素影響因素分析

溫魯哲，陳 喜，王川子，賈秋艷

（1.青島市水利局，山東 青島266071；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京210098）

降水入滲、地表徑流、潛水蒸發是動態地下水文過程的重要環節，其變化規律是評價地下水資源的重要部分，也是研究流域水文及生態環境的重要因素。淮北地區屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，雨量年內分配不均，年際變化大，地下水埋藏較淺，以入滲補給為主[1]。蒸滲儀法是測定土壤水、地表徑流、潛水蒸發等最直接、準確的方法，且其測量結果常用來衡量其它方法效果的好壞[2]。本文采用五道溝試驗站蒸滲儀測量資料分析前期土壤含水量、降水強度、地下水埋深及作物對降水入滲補給、地表徑流及潛水蒸發的影響，對淮北地區地下水資源評價和農業生態具有重要的理論和實際意義。

1 研究區概況

安徽五道溝水文試驗站為大型水文水資源綜合試驗站，占地1.4hm2。潛水動態觀測場由62套地中蒸滲儀和內徑11.0m、深6.5m的地下觀測室組成，可同時開展十余項實驗。其中，地中蒸滲儀觀測室配有砂礓黑土、黃泛區砂壤土兩種土壤的原狀土，有5種不同器口面積（即0.3，0.5，1.0，2.0，4.0m2），15種地下水位控制埋深（即0，10，20，30，40，50，60，80，100，150，200，250，300，400，500cm）。徑流試驗場由大中小3個相互嵌套的閉合實驗區組成，水均衡實驗場控制面積3.5km2，內設機井16眼，地下水位自記井2眼及定位觀測設施。區域地勢由西北向東南傾斜，坡度較緩。多年平均降水量為750～950mm，多年平均氣溫為14～15℃。冬季主要以小麥種植為主，夏季以大豆為主。土壤類型主要為砂礓黑土[3]，該實驗站水文過程在淮北地區具有代表意義。

2 入滲補給分析

2.1 前期土壤含水量及降水強度的影響

由公式α＝Prg／P可知，入滲補給系數α與降水量P和入滲補給量Prg密切相關。一般而言，P較大時，Prg較大，α較大，但兩者之間并非線性關系，這與雨前非飽和帶的土壤含水量、降水歷時等因素有關[4]。

統計2005年蒸滲儀入滲資料，對比P1＝31.4 mm與P2＝32.7mm這兩次降水量和降水歷時均相近的降水過程，發現P1＜P2，Prg1＞Prg2，α1＞α2，這是由于P3與它之前的一次降水間隔時間較長，非飽和帶土壤比較干燥，滯留水分較多，從而使得入滲補給量減少。

對比P3＝49.6mm與P4＝51.8mm，P3＜P4，Prg3＞Prg，α4＞α3。P3這次降水的前期無雨天數較長，即前期土壤含水量較小，但是P4的降水歷時比P3短，強度相對較大，降水易形成地表徑流，所以α4較小（表1）。

表1 2005年不同降水過程的入滲補給與地表徑流的比較（地下水埋深0.2m）

2.2 地下水埋深及作物的影響

為減小降水量的影響，將2005年的降水資料依據降水量的大小分為四個雨量段（P＜30mm，30mm≤P＜50mm，50mm≤P＜100mm，P≥100mm）進行分析。

結果表明，無論是有作物還是無作物，降水入滲補給系數都隨著地下水埋深的增加而減小，而且這種趨勢非常明顯。這是因為地下水埋深越大時，滿足非飽和帶土壤水分虧缺所需要的水量就越多，從而降水入滲補給地下水的水量就較小[5]。入滲補給系數因此隨著地下水水位增加而減小，最后趨于穩定。

P＜30mm，30mm≤P＜50mm，50mm≤P＜100mm時，對于同一場降水無作物時的入滲補給系數比有作物時大。這是因為有作物時，作物截留作用減少了直接落在地面上的降水量，同時作物的蒸散發又增加了土壤水的耗損，從而使地下水的補給量變少。但P≥100mm時，對于同一場降水有作物時的入滲補給系數比無作物時大（圖1）。這是因為降水量較大時，形成的自由水較多，作物根系等形成的大孔隙作用明顯，增加了地下水補給。

圖1 入滲補給系數與地下水埋深關系圖

3 地表徑流分析

3.1 前期土壤含水量及降水強度的影響

地表徑流量的大小除了與降水量有關，還與前期土壤含水量、降雨歷時等因素有關。對比P1＝31.4 mm 和P2＝32.7mm，P1＜P2，RS1＞RS2，RS1／R1＞RS2／P2，這是因為P2這場降水的前期土壤含水量較小，所以產生的RS和RS／P都較小。對比P5＝18.3 mm 和P6＝22.2mm，P5＜P6，RS5＜RS6，RS5／P5＜PS6／P6，P5前期土壤較濕，應該產生的地表徑流系數較大，但因為P6降水歷時較短，強度較大，降水量易形成地表徑流，所以PS6／P6較大（表1）。

3.2 地下水埋深及作物的影響

選用7月3日—10日（P＝376.7mm）這次降水過程形成的地表徑流系數進行分析發現，無論有無作物，對于同一次降水過程來說，地表徑流系數隨著地下水埋深的增加都呈明顯減小的趨勢。在其它條件不變的情況下，當地下水埋深較小時，土壤含水量大，缺水量較小，土壤含水量更容易達到田間持水量而產生地表徑流。經實驗研究，當地下水埋深達到一定厚度（約5m）時，埋深的加大將不影響地表徑流系數，地表徑流系數趨于穩定[6]。作物對地表徑流的影響主要表現在阻滯地表徑流、延長入滲時間以及影響水量的再分配等[7]。在其他條件一致的前提下，有作物時的地表徑流系數比無作物時小（圖2）。這一方面是由于作物截留作用的影響，另一方面是因為作物的蒸騰作用增加了土壤水的消耗，還可能是因為有作物的土壤要比無作物的干燥，土壤含水量低，因而造成地表徑流量較小。

圖2 地表徑流系數與地下水埋深關系圖（P＝376.7mm）

4 潛水蒸發分析

4.1 潛水蒸發的年內分配

因該實驗站的蒸散發折算系數未知，直接運用潛水蒸發系數E／E0[8]（E為潛水蒸發量，E0為水面蒸發量）來反映潛水蒸發系數的年內分配規律（圖3）。一般情況下，無作物土壤的潛水蒸發系數主要受溫度和降水的影響[6]。11月至次年1月的潛水蒸發系數較高（圖3）。這主要是因為此時地表溫度較低，是全年中水面蒸發量最小的時間段，而且降水量較小。因此，表層土壤含水量相對較小，毛細管力較大。與水面蒸發量相比，潛水蒸發量的比例較大，所以，在這個時間段潛水蒸發系數較大。而夏季降水較多，土壤含水量相對較高，毛細管力較小，而且夏季的水面蒸發相較于冬季大幅增加，所以潛水蒸發系數較小。除氣象因素影響外，潛水蒸發還受作物影響。作物在生長季節內，光合作用強烈，蒸散發量大，使得根系大量吸收地下水，潛水蒸發量也相應增加。研究區域的潛水蒸發系數在4月和8月各出現了一次峰值，分別對應著小麥和大豆的生長旺盛期。潛水蒸發系數較小值則出現在作物收獲后和生長相對較慢時。

圖3 潛水蒸發系數年內分配規律（地下水埋深0.6m）

4.2 地下水埋深及作物的影響

選用8月1日—9月30日這一時段的潛水蒸發為研究對象（圖4），無論有無作物，潛水蒸發系數均隨地下水埋深的增加而呈明顯減小的趨勢，同時這種趨勢隨著地下水埋深的增加而減小。地下水埋深對潛水蒸發的影響，主要通過潛水水位深淺對潛水水面以上土壤含水量的分布起作用來實現[9]。當地下水埋深較淺時，整個非飽和帶的土壤層均處于毛管上升區內，毛管作用強烈，毛管水能夠相互聯系，以液態水的形式向土壤表面運移，此時潛水蒸發較大。當地下水埋深較大時，非飽和帶的土壤層下部處于毛管上升區內，上部處于毛管懸著區，毛管作用較弱，因此毛管水不能連通，水分不能以液態形式向上運移或運移的數量很少，從而潛水蒸發量很小。此外，地下水埋深越深，水分運移的路程越遠，因此潛水蒸發系數隨著地下水埋深的增加而減小。

圖4 潛水蒸發系數與地下水埋深關系

同一時段內有作物比無作物時的潛水蒸發系數大。這是由于作物根系強烈的吸水作用，使得潛水蒸發大幅度提高，因此這種差異在作物生長旺季更為明顯。

5 結論

（1）不考慮地下水埋深較小，降水量較大，而形成超滲產流的情況，在其它條件一致時，前期土壤含水量越大、降水強度越小，入滲補給系數越大，地表徑流系數越大。

（2）無論地表有無作物覆蓋，入滲補給、地表徑流及潛水蒸發系數均隨著地下水埋深的增加而減少。

（3）P＜100mm時，無作物比有作物時的入滲補給系數大，P≥100mm時，無作物時的入滲補給系數小；無作物比有作物時地表徑流系數大、潛水蒸發系數小，且潛水蒸發系數的差異在作物生長旺季更為明顯。

[1]于玲，淮北平原區降雨入滲補給量的研究[J].地下水，2001（1）：38－40.

[2]Young M H，Wierenga D J，Maneino C F.Large weighing lysimeters for water use and deep percolation studies[J].Soil Sci.，1996，161（8）：491－501.

[3]Allen R G.Lysimeters for evapotranspiration and environmental measurements，proceedings of the international symposium on Lysimetry[C]∥Proceedings of the International Symposium on Lysimetry.Honolulu，Hawaii，1991.

[4]王永義，王專翠，胡以高.降雨入滲補給規律分析[J].地下水，1998（6）：15－17.

[5]周渂，靳孟貴，魏秀琴，等.利用地中滲透儀觀測資料進行降雨入滲補給規律分析[J].地質科技情報，2002（3）：21－22.

[6]陳喜.淮河流域平原區“四水”轉化模型研究[M].南京：河海大學，2004：45－46.

[7]劉士余，左長青.植被對徑流影響的研究綜述[J].國土與自然資源研究，2005（1）：42－43.

[8]薛明霞，王立琴.潛水蒸發系數與影響因素分析[J].地下水，2002（4）：18.

[9]黃夢琪，蔡煥杰，黃志輝.黃土地區不同埋深條件下潛水蒸發的研究[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2007，35（3）：27－31.