凍結(jié)期土壤潛水蒸發(fā)規(guī)律及其對(duì)土壤水分的影響

凍結(jié)期土壤潛水蒸發(fā)規(guī)律及其對(duì)土壤水分的影響

土壤含水量的補(bǔ)充是四個(gè)水轉(zhuǎn)化的重要組成部分。潛水蒸發(fā)量的大小及其變化規(guī)律的分析研究,對(duì)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(bǔ)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(jìn)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地下水位及土樣實(shí)驗(yàn)區(qū)位于山西省太原盆地中部的太谷均衡實(shí)驗(yàn)站,海拔高程778。包氣帶土壤巖性以細(xì)紗、粉細(xì)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1037.3(E601型)。站內(nèi)有實(shí)驗(yàn)所需的地中蒸滲儀25套,測(cè)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(xì)砂9套,細(xì)砂7套。試驗(yàn)過程中保持地下水位恒定。試驗(yàn)用土為擾動(dòng)土,土樣取用當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘耐寥纴喩巴痢８鶕?jù)2004至2005年凍結(jié)期實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果,分析研究時(shí)段土壤穩(wěn)定凍結(jié)期的潛水蒸發(fā)規(guī)律。2凍結(jié)-凍融期凍土層發(fā)育過程線凍結(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(gè)主要物理過程。土壤在凍結(jié)及其融化過程中,一個(gè)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(shí)驗(yàn)站2004-2005年凍結(jié)-凍融期地面氣象站凍土器觀測(cè)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5cm,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20cm處地溫降到0℃以下;2005年2月6日凍土深度達(dá)到最大值60cm,并持續(xù)3天;春季回暖,土壤進(jìn)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?在夜間又再次凍結(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。3土壤凍結(jié)的影響凍結(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(fù)溫強(qiáng)度、土壤的水分狀況和土壤質(zhì)地等。3.1凍結(jié)層厚度的變化初凍階段,氣溫開始在0℃附近波動(dòng),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1~6cm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(jì)潛水蒸發(fā),土壤蒸發(fā)的水分進(jìn)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(fù)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(dá)到最大值60cm。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。3.23國(guó)內(nèi)蒸發(fā)和地下水蒸發(fā)的記錄統(tǒng)計(jì)2004-2005年太谷均衡實(shí)驗(yàn)站不同埋深的地中蒸滲計(jì)凍結(jié)期的潛水蒸發(fā)量(亞砂土),見表1。3.3地中蒸滲計(jì)非天然泄漏,造成了地下水資料失真比大,潛水面周邊的土壤深度內(nèi)部地中蒸滲計(jì)具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),它也存在不少的問題,由于地中蒸滲計(jì)具有固定潛水位及其潛水蒸發(fā)室內(nèi)補(bǔ)給這一獨(dú)特結(jié)構(gòu),當(dāng)大氣壓發(fā)生變化時(shí),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(jì)實(shí)驗(yàn)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(jì)潛水蒸發(fā)資料失真。分析地中蒸滲計(jì)在整個(gè)凍結(jié)期資料,發(fā)現(xiàn)地中蒸滲計(jì)凍結(jié)期不同的埋深均有不同程度的潛水補(bǔ)給量,這就是地中蒸滲計(jì)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(duì)地中蒸滲計(jì)凍結(jié)期的入滲量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(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(jì)數(shù)據(jù),對(duì)上述表1進(jìn)行修正,修正結(jié)果見表3。3.4凍結(jié)期潛水蒸發(fā)量表y依據(jù)上述方法,對(duì)不同年份的地中蒸滲計(jì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)修正后的凍結(jié)期地下水潛水蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)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(jì)關(guān)系見公式(1)。Y=-1.7814X4+20.755X3-78.271X2+92.518X(1)R2=0.7734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)。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(shì)。當(dāng)埋深為零時(shí),整個(gè)凍結(jié)期凍土層全部?jī)鼋Y(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(dāng)潛水埋深接近1時(shí),潛水蒸發(fā)量達(dá)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(dá)到臨界值約2.4時(shí),潛水蒸發(fā)的量值為零