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冻结期土壤潜水蒸发规律及其对土壤水分的影响 土壤含水量的补充是四个水转化的重要组成部分。潜水蒸发量的大小及其变化规律的分析研究,对于浅层地下水资源的研究具有十分重要意义。土壤冻结期的潜水蒸发与非冻结期有很大差别。在非冻结期,土壤水分消耗于蒸散发,地下水向上补给引起潜水的蒸发,潜水蒸发量与大气蒸发能力密切相关。在进入冻结期后,土壤表层封冻,地温较低,冻土层深度逐渐加深,土壤表面蒸发很小,土壤下层未冻结区水分向冻土层迁移并贮存于冻土层,导致潜水蒸发量增大。因此,分析冻结期潜水蒸发规律有利于提高度地下水全年资料的精度。 1 地下水位及土样 实验区位于山西省太原盆地中部的太谷均衡实验站,海拔高程778。包气带土壤岩性以细纱、粉细纱、亚砂土、亚粘土为主。气候属于大陆性半干旱气候区。多年平均气温9.9℃,多年平均年降水量412.6,多年平均年水面蒸发量1 037.3(E601型)。站内有实验所需的地中蒸渗仪25套,测筒器口面积均为0.5,地下水埋深0.5~5(0.5间隔)。其中亚砂土9套,极细砂9套,细砂7套。试验过程中保持地下水位恒定。试验用土为扰动土,土样取用当地具有代表性的土壤亚砂土。根据2004至2005年冻结期实验观测结果,分析研究时段土壤稳定冻结期的潜水蒸发规律。 2 冻结-冻融期冻土层发育过程线 冻结及其冻融是北方季节性冻土分布区土壤经历的两个主要物理过程。土壤在冻结及其融化过程中,一个显著的特征就是发生水一冰或冰一水之间的相态转化。根据太谷均衡实验站2004-2005年冻结-冻融期地面气象站冻土器观测资料,做出冻结-冻融期冻土层发育过程线(图1)。 由图1可知:土壤初冻始于2004年11月11日,冻深5 cm,其后直至12月6日,每日都经历夜冻昼融的过程;12月6日以后冻层持续稳定向下发展,24日距地表20 cm处地温降到0℃以下;2005年2月6日冻土深度达到最大值60 cm,并持续3天;春季回暖,土壤进入冻融期,地表初融始于2月9日,但由于2月下旬该地区夜间气温仍在0℃以下,所以白天表层刚融化的部分,在夜间又再次冻结, 3月12日冻层基本全部融化,只是地表处仍存在短暂冻结现象,3月20日冻层全部融通。 3 土壤冻结的影响 冻结期潜水蒸发与土壤的冻结过程密切相关。在土壤冻结过程中,土壤的冻结深度取决于大气温度、地表(或大气)的负温强度、土壤的水分状况和土壤质地等。 3.1 冻结层厚度的变化 初冻阶段,气温开始在0℃附近波动,白昼气温在0℃以上,夜间气温在0℃以下,表土经历“夜冻昼融”的冻融过程。此阶段一直延续到土体白昼吸热量不足抵偿夜间散热量,表层土壤形成不融化的冻结层为止。从图1看,11月11日开始的冻结到12月5日冻层厚度在1~6 cm之间,且冻层在夜间形成,次日中午前后融化,此阶段土壤水蒸发导致地中蒸渗计潜水蒸发,土壤蒸发的水分进入大气,因此此阶段不能划入冻结期范围。随着气温的继续降低,负积温增加,12月6日后冻结锋面快速向下发展,冻层厚度逐渐增大,而不发生昼融现象,2月6~8日冻结深度达到最大值60 cm。因此从冻土器昼夜持续稳定冻结的12月6日起至冻结最大深度的最后日2月8日确定为冻结期。 3.2 3国内蒸发和地下水蒸发的记录 统计2004-2005年太谷均衡实验站不同埋深的地中蒸渗计冻结期的潜水蒸发量(亚砂土),见表1。 3.3 地中蒸渗计非天然泄漏,造成了地下水资料失真比大,潜水面周边的土壤深度内部 地中蒸渗计具有独特优点,它也存在不少的问题,由于地中蒸渗计具有固定潜水位及其潜水蒸发室内补给这一独特结构,当大气压发生变化时,由于包气带透气性较差,潜水面附近的土壤空气压力与大气压力不能保持同步变化,致使地中蒸渗计实验桶中发生水分流入或流出现象,使得冻结期的蒸渗计潜水蒸发资料失真。分析地中蒸渗计在整个冻结期资料,发现地中蒸渗计冻结期不同的埋深均有不同程度的潜水补给量,这就是地中蒸渗计的非天然排泄导致地下水资料失真的问题。为了解决上述问题,我们对地中蒸渗计冻结期的入渗量进行了统计(冻结期降水6次共3.1,可忽略),见表2。 根据表2统计数据,对上述表1进行修正,修正结果见表3。 3.4 冻结期潜水蒸发量表y 依据上述方法,对不同年份的地中蒸渗计进行统计,统计修正后的冻结期地下水潜水蒸发量统计表见表4。 分析表4中数据,得出冻结期潜水蒸发量与地下水埋深关系如图2,数据统计关系见公式(1)。 Y=-1.781 4X4+20.755X3-78.271X2+92.518X (1) R2=0.773 4 式中:Y为冻结期潜水蒸发量表(mm);X为地下水埋深(m);R2为判定系数。 由图2可知:在冻结期潜水蒸发随着潜水埋深的变化,呈由小变大然后逐渐减小的趋势。当埋深为零时,整个冻结期冻土层全部冻结,潜水蒸发量