土壤凍結(jié)期潛水蒸發(fā)規(guī)律分析

張展鴻

(山西省水文水資源勘測局運城分局，山西 運城 044000)

土壤凍結(jié)期潛水蒸發(fā)規(guī)律分析

張展鴻

(山西省水文水資源勘測局運城分局，山西 運城 044000)

通過對凍結(jié)期地中蒸滲計實驗資料的分析，探討凍結(jié)期地下水蒸發(fā)規(guī)律，得出凍結(jié)期地下水蒸發(fā)量與地下水埋深的數(shù)理統(tǒng)計關(guān)系，給出凍結(jié)期發(fā)生潛水蒸發(fā)的臨界值。這對淺層地下水分析研究具有重要意義。

凍結(jié)期;潛水蒸發(fā);規(guī)律分析

潛水蒸發(fā)對土壤水的補給，是四水轉(zhuǎn)化中的重要一環(huán)。潛水蒸發(fā)量的大小及其變化規(guī)律的分析研究，對于淺層地下水資源的研究具有十分重要意義。土壤凍結(jié)期的潛水蒸發(fā)與非凍結(jié)期有很大差別。在非凍結(jié)期，土壤水分消耗于蒸散發(fā)，地下水向上補給引起潛水的蒸發(fā)，潛水蒸發(fā)量與大氣蒸發(fā)能力密切相關(guān)。在進入凍結(jié)期后，土壤表層封凍，地溫較低，凍土層深度逐漸加深，土壤表面蒸發(fā)很小，土壤下層未凍結(jié)區(qū)水分向凍土層遷移并貯存于凍土層，導(dǎo)致潛水蒸發(fā)量增大。因此，分析凍結(jié)期潛水蒸發(fā)規(guī)律有利于提高度地下水全年資料的精度。

1 實驗概況

實驗區(qū)位于山西省太原盆地中部的太谷均衡實驗站，海拔高程778。包氣帶土壤巖性以細紗、粉細紗、亞砂土、亞粘土為主。氣候?qū)儆诖箨懶园敫珊禋夂騾^(qū)。多年平均氣溫9.9℃，多年平均年降水量 412.6，多年平均年水面蒸發(fā)量 1 037.3(E601型)。站內(nèi)有實驗所需的地中蒸滲儀 25套，測筒器口面積均為 0.5，地下水埋深 0.5～5(0.5間隔)。其中亞砂土9套，極細砂9套，細砂7套。試驗過程中保持地下水位恒定。試驗用土為擾動土，土樣取用當?shù)鼐哂写硇缘耐寥纴喩巴痢８鶕?jù)2004至2005年凍結(jié)期實驗觀測結(jié)果，分析研究時段土壤穩(wěn)定凍結(jié)期的潛水蒸發(fā)規(guī)律。

2 凍土層發(fā)育情況

凍結(jié)及其凍融是北方季節(jié)性凍土分布區(qū)土壤經(jīng)歷的兩個主要物理過程。土壤在凍結(jié)及其融化過程中，一個顯著的特征就是發(fā)生水一冰或冰一水之間的相態(tài)轉(zhuǎn)化。根據(jù)太谷均衡實驗站2004－2005年凍結(jié)－凍融期地面氣象站凍土器觀測資料，做出凍結(jié)－凍融期凍土層發(fā)育過程線(圖1)。

由圖1可知:土壤初凍始于2004年11月11日，凍深5 cm，其后直至12月6日，每日都經(jīng)歷夜凍晝?nèi)诘倪^程;12月6日以后凍層持續(xù)穩(wěn)定向下發(fā)展，24日距地表20 cm處地溫降到0℃以下;2005年2月6日凍土深度達到最大值60 cm，并持續(xù)3天;春季回暖，土壤進入凍融期，地表初融始于2月9日，但由于2月下旬該地區(qū)夜間氣溫仍在0℃以下，所以白天表層剛?cè)诨牟糠郑谝归g又再次凍結(jié)，3月12日凍層基本全部融化，只是地表處仍存在短暫凍結(jié)現(xiàn)象，3月20日凍層全部融通。

圖1 凍結(jié)－凍融期凍土層發(fā)育過程

3 凍結(jié)期潛水蒸發(fā)分析

凍結(jié)期潛水蒸發(fā)與土壤的凍結(jié)過程密切相關(guān)。在土壤凍結(jié)過程中，土壤的凍結(jié)深度取決于大氣溫度、地表(或大氣)的負溫強度、土壤的水分狀況和土壤質(zhì)地等。

3.1 凍結(jié)期的確定

初凍階段，氣溫開始在0℃附近波動，白晝氣溫在0℃以上，夜間氣溫在0℃以下，表土經(jīng)歷“夜凍晝?nèi)凇钡膬鋈谶^程。此階段一直延續(xù)到土體白晝吸熱量不足抵償夜間散熱量，表層土壤形成不融化的凍結(jié)層為止。從圖1看，11月11日開始的凍結(jié)到12月5日凍層厚度在1～6 cm之間，且凍層在夜間形成，次日中午前后融化，此階段土壤水蒸發(fā)導(dǎo)致地中蒸滲計潛水蒸發(fā)，土壤蒸發(fā)的水分進入大氣，因此此階段不能劃入凍結(jié)期范圍。隨著氣溫的繼續(xù)降低，負積溫增加，12月6日后凍結(jié)鋒面快速向下發(fā)展，凍層厚度逐漸增大，而不發(fā)生晝?nèi)诂F(xiàn)象，2月6～8日凍結(jié)深度達到最大值60 cm。因此從凍土器晝夜持續(xù)穩(wěn)定凍結(jié)的12月6日起至凍結(jié)最大深度的最后日2月8日確定為凍結(jié)期。

3.2 凍結(jié)階段的地中蒸滲計潛水蒸發(fā)統(tǒng)計

統(tǒng)計2004－2005年太谷均衡實驗站不同埋深的地中蒸滲計凍結(jié)期的潛水蒸發(fā)量(亞砂土)，見表1。

表1 地中蒸滲計凍結(jié)期潛水蒸發(fā)量表 mm

3.3 凍結(jié)階段地中蒸滲計潛水蒸發(fā)修正

地中蒸滲計具有獨特優(yōu)點，它也存在不少的問題，由于地中蒸滲計具有固定潛水位及其潛水蒸發(fā)室內(nèi)補給這一獨特結(jié)構(gòu)，當大氣壓發(fā)生變化時，由于包氣帶透氣性較差，潛水面附近的土壤空氣壓力與大氣壓力不能保持同步變化，致使地中蒸滲計實驗桶中發(fā)生水分流入或流出現(xiàn)象，使得凍結(jié)期的蒸滲計潛水蒸發(fā)資料失真。分析地中蒸滲計在整個凍結(jié)期資料，發(fā)現(xiàn)地中蒸滲計凍結(jié)期不同的埋深均有不同程度的潛水補給量，這就是地中蒸滲計的非天然排泄導(dǎo)致地下水資料失真的問題。為了解決上述問題，我們對地中蒸滲計凍結(jié)期的入滲量進行了統(tǒng)計(凍結(jié)期降水6次共3.1，可忽略)，見表2。

根據(jù)表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對上述表1進行修正，修正結(jié)果見表3。

3.4 凍結(jié)階段的潛水蒸發(fā)規(guī)律分析

依據(jù)上述方法，對不同年份的地中蒸滲計進行統(tǒng)計，統(tǒng)計修正后的凍結(jié)期地下水潛水蒸發(fā)量統(tǒng)計表見表4。

分析表4中數(shù)據(jù)，得出凍結(jié)期潛水蒸發(fā)量與地下水埋深關(guān)系如圖2，數(shù)據(jù)統(tǒng)計關(guān)系見公式(1)。

式中:Y為凍結(jié)期潛水蒸發(fā)量表(mm);X為地下水埋深(m);R2為判定系數(shù)。

表2 地中蒸滲計凍結(jié)期補給量表 mm

表3 凍結(jié)期地下水潛水蒸發(fā)量表 mm

表4 凍結(jié)期地下水潛水蒸發(fā)量統(tǒng)計表 mm

圖2 凍結(jié)期潛水蒸發(fā)量與地下水埋深關(guān)系圖

由圖2可知:在凍結(jié)期潛水蒸發(fā)隨著潛水埋深的變化，呈由小變大然后逐漸減小的趨勢。當埋深為零時，整個凍結(jié)期凍土層全部凍結(jié)，潛水蒸發(fā)量為零;隨著潛水埋深和凍土深度的增加，蒸發(fā)量加大，當潛水埋深接近1時，潛水蒸發(fā)量達到最大;此后隨著潛水埋深的增加，蒸發(fā)逐漸減小，潛水埋深達到臨界值約2.4時，潛水蒸發(fā)的量值為零;當埋深超過臨界值時，潛水在凍結(jié)期不補給凍土層。

4 結(jié)論

1)凍結(jié)期潛水蒸發(fā)與地下水埋深適合四階多項式關(guān)系。

2)亞砂土在凍結(jié)期發(fā)生潛水蒸發(fā)臨界值為2.4。

3)凍結(jié)期地下水埋深小于臨界值時存在最大潛水蒸發(fā)量。

Analysis on Soil Frozen Period of Phreatic Evaporation Regulation

ZHANG Zhan－h(huán)ong
(Yun cheng Branch of Bureau of water Resources Exploration in Shanxi，Yuncheng 044000，Shanxi)

Through analysis on the lysimeter experiment data in the frozen period，the article explores groundwater evaporation regulation，gets relation between groundwater evaporation volume and depth mathematical statistics of groundwater in the period. It gives the critical value while phreatic evaporation occurs in the frozen period. This is of great significance to analysis of the shallow groundwater.

The frozen period;Phreatic evaporation and regulation analysis

S152.7+3

A

1004－1184(2012)05－0016－02

2012－04－27

張展鴻(1963－)，男，山西臨猗人，工程師，主要從事水文水資源資料的整編分析研究工作。