非胁迫条件下潜水蒸发机理研究

The study results of mechanism of phreatic evaporation under non-stress conditions will have important theoretical and practical value. Therefore, based on the unconsidered aspects in previous studies, such as influences of geothermal and mutual conversion of liquid water and gaseous water on phreatic evaporation, Huaibei Plain is taken for the example to reveal the mechanism of phreatic evaporation systematically. Using physical experiments, mathematical statistics and numerical simulation, the effects of shallow geothermal, meteorological elements, soil texture and groundwater depth on the distribution and mutual conversion of liquid water and gaseous water in unsaturated zone will be given detailed study in this project. Then, the main factors and mechanism of phreatic evaporation are discussed. Besides, mathematical models of phreatic evaporation and phreatic evaporation extinction depth are developed. All of the results can provide scientific basis for understanding the regional evapotranspiration mechanism and crop water consumption mechanism under the changing environment. It will also be helpful for the saline land management and groundwter resources evaluation.

非胁迫条件下潜水蒸发机理研究具有重要的理论意义和实际应用价值。申请项目针对以往研究未考虑潜水蒸发过程中地温、液态水和气态水相互转化的影响，以系统揭示潜水蒸发机理为研究目标，选择黄淮海平原南缘的淮北平原为研究区，利用物理实验、数理统计、数值模拟等手段，重点研究浅层地温、气象要素、土壤质地、潜水埋深对非饱和带液态水和气态水分布的影响、对液态水和气态水相互转化的影响，探讨潜水蒸发的驱动要素及驱动机制，建立非胁迫条件下潜水蒸发极限埋深和潜水蒸发的数学物理模型。从而为变化环境下区域蒸散发机理、地下水浅埋地区农作物耗水机理、盐碱地治理及地下水资源评价等问题的解决提供科学依据。

潜水蒸发是水文循环、大气循环及陆面能量平衡的重要组成部分，是土壤盐碱化的重要驱动因素。本项目利用室内土柱实验、数理统计分析和数值模拟等方法研究了影响潜水蒸发的主要气象因素、淮北平原裸土潜水蒸发变化趋势及其对气候变化的响应、地温对非饱和带土壤水分分布及潜水蒸发的影响、埋深对潜水蒸发的影响机理。研究结果表明：①气温、地温、水汽压力差和饱和差与潜水蒸发在0.01水平（双侧）上显著相关，是影响潜水蒸发的最为主要因素；②淮北平原1991～2008年期间，在0.05显著性水平下，月尺度裸土潜水蒸发在三月份呈显著性增加趋势，在五月和六月呈相对较为显著的增加趋势，其它月份变化趋势相对不显著；季尺度裸土潜水蒸发，春季和夏季变化相对较为显著，呈增加的趋势；年尺度潜水蒸发，呈较为显著的增加趋势。若气温升高1℃，淮北平原年裸土潜水蒸发量将增加7.24%～14.21%；若水汽压力差增加10%，年裸土潜水蒸发量将变化-0.09%～5.40%；③土壤温度是影响土壤水分和水汽的运移的决定因素，对土壤水汽向上地表运移起到了促进作用，温度梯度对土壤剖面水分分布及水汽运移影响是通过影响水汽通量来实现的；④随着埋深不断增加，土表温度和深层土壤温度的差异性越大；在相同潜水埋深下，随着空气流速的加快，土表温度和深层土壤温度的差异性减小；⑤大气条件对土壤的水分分布以及水汽的运移有很大的影响作用，对于某种均匀介质而言，潜水稳定蒸发强度与空气流速在一定范围内呈正相关，但当空气流速达到一定程度时，潜水稳定蒸发强度达到极限值。本研究成果对于区域水资源平衡、地下水资源评价及盐碱地治理均具有重要的科学意义。