（水力学及河流动力学专业论文）蓄水坑灌条件下土壤蒸发试验研究及数值模拟.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 蓄水坑灌条件下土壤蒸发试验研究及数值模拟 摘要 土壤蒸发是自然界水循环中重要的一环，土壤蒸发在农田水量平衡和 能量平衡中占有重要地位，水文计算、水利建设、农田灌溉管理、作物产 量估测以及土壤水分预报等有关农业和水资源问题的研究和解决都离不开 蒸发量的测定。蓄水坑灌条件下土壤含水率分布与传统地面灌溉有所不同， 其土壤蒸发特性也有所不同，因此研究蓄水坑灌条件下土壤蒸发特性对蓄 水坑灌法灌水定额和灌水周期的制定及完善蓄水坑灌理论均有重要意义。 本论文采用理论分析、室内试验与计算机数值模拟相结合的方法进行研究。 成果如下： ( 1 ) 通过对土壤含水率一致不同容重时的土柱蒸发试验得出：随蒸发的 进行，土柱中土壤含水率变化是随距土表距离增加由大逐渐变小并最后趋 于平缓；随土壤容重的增加，土壤累积蒸发量逐渐减小，平均蒸发强度也 是逐渐减小的；土壤平均蒸发强度e 与表土含水率a 关系为直线函数关系。 ( 2 ) 通过对蓄水坑灌条件下土壤蒸发试验得出：试验中随蒸发的进行土 壤含水率变化随距土表距离的增加由大到小再变大，当距土表的距离0 5 c m 时，土壤含水率变化剧烈，随着距表土距离的增大( 大于5 c m ) ，土壤 含水率变化趋势开始变缓，当距土表距离大于3 5 c m 时含水率变化又逐渐增 大；同一湿润锋埋深水平时不同光照强度下土壤累积蒸发量随光照强度的 降低而降低并呈指数函数分布；同一光照强度下不同湿润锋埋深水平时土 壤累积蒸发量随湿润锋埋深减小而增加并呈乘幂函数曲线分布；土壤平均 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 蒸发强度e 与表土含水率0 关系为直线函数关系。 ( 3 ) 蓄水坑灌条件下随距暖端距离增加，温度势梯度逐渐减小，距暖端 大约2 5 c m 以下时趋于零，对土壤水分运动的影响也随距暖端距离的增加而 由大n d , 。 ( 4 ) 建立蒸发条件下土壤水分运动数学模型，采用隐式差分法进行数值 求解，并与试验结果进行比较，模拟结果令人满意。 关键词：蓄水坑灌法，蒸发，土壤容重，温度势梯度，数值模拟 太原理工大学硕士研究生学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h & n u m e r i c a l s t i m u l a t i o no fe v a p o r a t i o no nt h e c o n d i t i o no f 、7 l ，a t e rs t o r a g ep i ti r r i g a t i o n a b s t r a c t s o i lm o i s t u r ee v a p o r a t i o ni st h ei m p o r t a n tp o r t i o no fw a t e rc i r c l ei nt h e n a t u r e t h es o i le v a p o r a t i o nh a si m p o r t a n tp o s i t i o ni nf a r m l a n dw a t e rb a l a n c e a n de n e r g yb a l a n c e h y d r o l o g yc a l c u l a t e 、w a t e rc o n s e r v a n c y 、f a r m l a n di r r i g a t i o n m a n a g e m e n t 、c r o py i e l de s t i m a t e 、s o i lm o i s t u r ep r e d i c t i o na n dt h er e s e a r c ho f w a t e rr e s o u r c ed e p e n d e do nt h em e a s u r eo fe v a p o r a t i o nq u a n t i t y t or e s e a r c hf o r s o i le v a p o r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cu n d e rw a t e rs t o r a g ep i ti r r i g a t i o nc o n d i t i o nh a s g r e a t l ys i g n i f i c a n c ef o rp e r f e c tw a t e rs t o r a g ep i ti r r i g a t i o na n de s t a b l i s ht h e r a t i o na n dp e r i o do fi r r i g a t i o nw a t e r i nt h i sp a p e r , t h et e c h n i c a lr o u t ei st o c o m b i n et h e o r e t i c a la n a l y s e sw i t hl a b o r a t o r ya n dn u m e r i c a ls t i m u l a t i o n t h e m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to fs o i lc o l u m ni nl a b ，t h e r e s u l t s ：i nt h e e x p e r i m e n tt h et r a n s f o r m a t i o no fs o i lm o i s t u r ef r o mh i g ht o l o wd u r i n gt h e e v a p o r a t i o nc o u r s e ，t h et r a n s f o r m a t i o no fs o i lm o i s t u r ef r o mh i g ht ol o ww i t h t h ed i s t a n c ei n c r e a s ef o r ms u r f a c e ；t h es o i la c c u m u l a t i v ee v a p o r a t i o nc a p a c i t y d w i n d l e da w a yw i t ht h ei n c r e m e n to ft h eb u l kd e n s i t yo fs o i l ；t h er e l a t i o no f a v e r a g es o i le v a p o r a t i o ni n t e n s i t ya n ds u r f a c el a y e rs o i l m o i s t u r ei sb e e l i n e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 f u n c t i o n ( 2 ) t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fs o i le v a p o r a t i o nu n d e rw a t e rs t o r a g e p i ti r r i g a t i o nc o n d i t i o n ，t h er e s u l t s ：i nt h ee x p e r i m e n tt h et r a n s f o r m a t i o no fs o i l m o i s t u r ef r o mh i g ht ol o wd u r i n gt h ee v a p o r a t i o nc o u r s e ，t h et r a n s f o r m a t i o no f s o i lm o i s t u r ef r o mh i g ht ol o wt h e nt oh i 曲w i t ht h ed i s t a n c ei n c r e a s ef o r m s u r f a c e t h et r a n s f o r m a t i o no fs o i lm o i s t u r ei ss h a r pn e a rt h es u r f a c e ( 0 5 c m ) ， t h et r a n s f o r m a t i o no fs o i lm o i s t u r ei ss l e n d e rw h e nt h ed i s t a n c ef r o ms u r f a c e b e l o w5c e n t i m e t e r , t h et r a n s f o r m a t i o no fs o i lm o i s t u r eg r a d u a l l ye n h a n c ew h e n t h ed i s t a n c ef r o ms u r f a c eb e l o w3 5c e n t i m e t e r ；u n d e rt h es a m el e v e l so fw e t t i n g f r o n ti ns o i l p r o f i l e a n dd i f f e r e n t l i g h ti n t e n s i t y , t h e d e c r e a s eo fs o i l a c c u m u l a t i o ne v a p o r a t i o na l o n gw i t ht h ed e c r e a s eo fl i g h ti n t e n s i t ya n dt h e i r r e l a t i o ni se x p o n e n t i a l ；u n d e rt h es a m el i g h ti n t e n s i t ya n dt h ed i f f e r e n tl e v e l so f w e t t i n gf r o n ti ns o i lp r o f i l e ，t h ei n c r e a s eo fs o i la c c u m u l a t i o ne v a p o r a t i o na l o n g w i t ht h ew e t t i n gf r o n ti ns o i lp r o f i l eb e c a m es h a l l o wa n dt h e i rr e l a t i o ni sp o w e r ； t h er e l a t i o no f a v e r a g es o i le v a p o r a t i o ni n t e n s i t ya n ds u r f a c el a y e rs o i lm o i s t u r e i sb e e l i n ef u n c t i o n ( 3 ) t h ee f f e c tt ot h es o i le v a p o r a t i o no fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ep o t e n t i a l g r a d i e n tu n d e rw a t e rs t o r a g ep i ti r r i g a t i o nc o n d i t i o ni sw i t ht h ei n c r e a s eo f d i s t a n c ef r o mt h ew a r me n d ，t h et e m p e r a t u r ep o t e n t i a lg r a d i e n ti s g r a d u a l l y r e d u c e d t h ev a l u eo ft e m p e r a t u r ep o t e n t i a lg r a d i e n ta p p r o a c hz e r ow h e nt h e d i s t a n c ef r o mt h ew a r me n db e l o w2 5c e n t i m e t e r w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e d i s t a n c ef r o mt h ew a r me n dt h ee f f e c tt ot h es o i le v a p o r a t i o nf r o mh i g ht ol o w i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i cm o d e lo fs o i lm o i s t u r em o v e m e n tu n d e rt h e e v a p o r a t i o nc o n d i t i o n ，t h ei m p l i c i t s c h e m em e t h o di su s e dt os o l v et h e n u m e r i c a ls t i m u l a t i o no fs o i lm o i s t u r em o v e m e n tu n d e rt h e e v a p o r a t i o n c o n d i t i o ni nt h i sp a p e r c o n t r a s ta n a l y s i sh a sb e e nd o n et ot h ee x p e r i m e n td a t a t h en u m e r i c a lr e s u l t sa r es a t i s f i e d k e yw o r d s ：w a t e rs t o r a g ep i ti r r i g a t i o n ，e v a p o r a t i o n ，a n db u l kd e n s i t yo f s o i l ，t e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，a n dn u m e r i c a ls t i m u l a t i o n v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：立五西址日期：一肆。址一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：坦窆錾涵 日期： 如1 3 ：鹾 导师签名：立! 竺兰l 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 水资源尤其是淡水资源是地球水圈的基本构成部分，是所有陆地生态系统不可缺 少的自然资源，是人类社会发展的重要物质基础。它不仅影响、制约现代社会的可持 续发展，而且将成为本世纪全球资源环境的首要问题。随着世界人口的增长和经济的 发展，水资源将严重不足。 i 我国水资源现状 我国水资源总量约2 8 1 0 0 亿m 3 ，人均占有量很低，居世界第1 2 1 位，是水资源 十分紧缺的国家之一。中国水资源在时间和空间上的分布很不均匀，它与土地资源在 地区组合上不相匹配，水的供需矛盾十分突出。我国水资源具有以下几个特点： ( 1 ) 水资源总量较丰富，入均水量较少 中国的国土面积约9 6 0 万k m 2 ，多年平均降水量为6 4 8 m m ，降水总量为6 1 9 0 0 亿 m 3 。降水量中约有5 6 消耗于陆面蒸发，4 4 转化为地表和地下水资源。根据水利部 1 9 8 6 年完成的全国水资源调查评价结果，我国平均年降雨总量为2 7 1 1 5 亿m 3 ，年均 地下水资源量为8 2 8 8 亿m 3 ，扣除重复计算量，我国多年平均水资源总量为2 8 1 2 4 亿 m 3 。河川径流是水资源的主要组成部分，占我国全部水资源总量的9 4 4 ，我国河川 径流量在世界主要国家中仅次于巴西、前苏联、加拿大，居世界第四位，从世界范围 来看我国水资源总量还是比较丰富的，但是我国幅员辽阔、人口众多，以占世界陆地 面7 的土地养育着占世界2 2 的人口，因此人均和亩均占有的水量却大大低于世界 平均水平。我国人均占有水量为2 3 5 0 m 3 从，仅为世界平均值的1 4 。亩均占有水量 2 7 8 6 7 m 3 l o o m z ，仅为世界平均值的7 9 。由此可见，我国按人口和耕地平均拥有的 水资源是十分紧缺的，因此水资源是十分珍贵的自然资源。 ( 2 ) 水资源时空分布极不均匀 中国地域辽阔、地形复杂，跨越了从寒温带到热带等9 个气候带，从东南到西北， 呈现出由湿润、半湿润到半干旱、干旱乃至极端干旱的变化趋势，各地水文循环情势 太原理工大学硕士研究生学位论文 有明显差异，表现出很强的地域性。因此我国的降雨量具有年内、年际变化大，区域 分布不均匀的特点。北方水资源贫乏，南方水资源丰富，南北相差悬殊。长江及其以 南诸河的流域面积占全国总面积的3 6 5 ，却拥有全国8 0 9 的水资源量；而长江以 北的河流的流域面积占全国总面积的6 3 5 ，却只占有1 9 1 的水资源量，远远低于 全国平均水平。 水资源年内年际变化很大。最大与最小年径流的比值，长江以南的河流小于5 ； 北方河流多在1 0 以上。径流量的逐年变化存在明显的丰平枯交替出现及连续数年为 丰水段或枯水段的现象。径流量年际变化大与连续丰枯水段的出现，使我国经常发生 旱、涝、或连旱、连涝现象，加大了水资源开发利用的难度。 ( 3 ) 水资源与人口、耕地分布不相匹配 水资源是人类生存的命脉。在人类生产和发展过程中，人都是择水而居，人类最 初建立的文明都是沿着大河的冲积平原发展起来的。水与耕地的合理匹配，给人类的 生存和发展提供了良好的空间和条件。 我国水资源空间上分布的不均衡性与全国人口、耕地分布上的差异性，构成了我 国水资源与人口、耕地不相匹配的特点，大大增加了我国水资源开发利用的难度和成 本。北方片人口占全国总人口的2 5 ，耕地占全国耕地总面积3 5 ，而水资源总量仅占 全国的1 5 ，人均水资源拥有量为1 1 2 7 m 3 ，每公顷耕地拥有水资源量为9 4 6 5 m 3 。南 方片人口占全国的3 5 ，耕地占全国耕地的2 5 ，却拥有全国水资源总量的4 5 。在全 国人均水量不足1 0 0 0 m 3 的1 0 个省区中，北方占了8 个，主要集中在华北地区。在全 国耕地每公顷水量不足1 5 0 0 m 3 的1 5 个省区中，北方占了1 3 个。由此可见，我国北 方地区耕地丰富，人口稠密，而水资源占有量低，这是制约当地经济发展的主要限制 因素l i j 。 2 我国水土流失现状 土地资源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。长期以来，水土流失作为引起 土地退化的最主要方式之一，严重地侵蚀着土地数量和质量。我国东北的南部以及长 城以南、秦岭以北、西迄青海东部、东至海滨的广大黄河流域，都广泛分布黄土。黄 土质地均匀，粉沙含量占6 0 7 0 ，缺乏团粒结构，粒间的固结主要依赖硫酸钙质， 这种硫酸钙质与雨水淋溶极易溶解流失，加以黄土孔隙率高达4 0 左右，上下节理十 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 分发育，抗蚀能力很差。建国前黄河流域内植被普遍遭到破坏，更加剧了土壤的侵蚀。 据初步统计，黄河中游地区每年每平方公里中被冲去的土壤约为3 7 0 0 t ，自流域内冲 刷外移的巨量泥沙，通过小溪山涧，汇集于大江巨河，使我国西北及华北地区的一些 河流的含沙量为世界最高。据9 0 年代初期遥感调查，全国轻度以上水力侵蚀面积1 7 9 万k m 2 ，轻度以上风力侵蚀面积1 8 8 万k m 2 。公布水土流失面积就达3 5 6 万k m 2 ，占 国土总面积的3 8 。特别是近几十年来，随着世界人口的急剧增长，人类活动对环 境的影响加剧，不合理的人类活动加快了水土流失的速度，致使大量土地生产能力局 部或全部丧失。水土流失及其它原因导致的土地退化成为当前全球面临的最紧迫的资 源与环境问题【2 训。 针对我国北方山丘地区存在上述的两个主要问题干旱和水土流失，孙西欢教授于 1 9 9 8 年提出一种将解决干旱问题和水土流失问题结合在一起的一种适合于山丘区果 林灌溉的新方法蓄水坑灌法。蓄水坑灌法的最大特点是根据果树这种作物的特点 和我国北方地区干旱缺水的实际情况将节水灌溉和水土保持有机的结合在一起。蓄水 坑灌法的研究还处在室内研究阶段，它的节水机理和很多技术参数有待进一步确定， 因此对蓄水坑灌法进行进一步的研究有重大的理论和实际意义。 1 2 果园灌溉的研究现状 果园灌水技术发展较快，目前比较流行的果园灌水方式主要有：喷灌、滴灌、微 灌、渗灌以及传统的地面灌水方式。果园节水灌溉在国外发展较早，如美国、以色列 一些欧美发达国家很早就开始采用喷灌和微灌【5 1 。我国的果园节水灌溉发展起步较 晚，始于二十世纪七十年代但发展较快，尤其是近几年随着我国果园种植面积的扩大 发展迅猛。由于喷灌、滴灌、微灌等比较先进的灌水方法对技术要求较高、投资大且 需要较高的管理水平在我国短时期内还不能普及，因此地面灌溉目前仍是我国果园灌 水的主要方式，果园地面灌溉主要包括沟灌、格田灌、盘灌及环灌等。 1 2 1 喷灌 喷灌是利用专门的设备( 喷头流量q 一2 5 0 l h ) 将有压水送到灌溉地段，并喷射 到空中散成细小水滴，均匀的散布在田间进行灌溉的灌水方法。喷灌始于1 9 世纪末， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 在第二次世界大战后开始走向成熟并在欧美国家推广应用【5 刀。我国于2 0 世纪7 0 年代 中期引进喷灌技术，先应用于果园后推广至大田，到目前为止已获得了显著的经济效 益和社会效益，目前全国喷灌面积约1 2 0 万h m 2 ，用水量所占总灌溉用水量的比例很 小。喷灌的优点是：省水、省工、省地、增产、提高品质、保持水土、根据作物需水 要求适时、适量灌水等优点；且便于机械化、自动化控制。其缺点是受风的影响大， 有空中飘移和植物截流水量损失嘲。 1 2 2 滴灌 滴灌是按照果树需水要求，通过低压管道系统与安装在末级管道上的微喷头或滴 头，将水和养分均匀、准确地直接输送到果树根部附近的土壤表面或土层中进行灌溉。 水流离开滴头进入土壤后，由于水势梯度的作用，水分向四周扩散，是典型的三维土 壤水分入渗问题。我国从1 9 7 4 年大寨引进滴灌技术以来，在滴灌设备和系统设计规划 等方面进行了改进和创新，到目前为止我国在滴灌理论和技术方面己取得了许多成 果，标志着滴灌技术已基本成熟。而且在果树固定滴灌技术基础上研制出移动式滴灌 设备，适于劳力多的地区推广应用，这一技术是国外没有的7 1 。滴灌的优点是：省水 率高、不板结、不破坏土壤结构、不影响田间作业、对地表空气湿度影响小、单位面 积工程投资相对较低。其缺点是滴头容易堵塞、对水质要求较高。 1 2 3 渗灌 渗灌是利用修筑在地下的专门设施( 地下管道系统) 将灌水引入田间耕作层借毛 细管作用自下而上湿润土壤，所以又称为地下灌溉。渗灌于8 0 年代初期主要用于果树 作物。1 9 8 2 年m i t c h e l l 等人提出了渗灌系统设计、安装和运行管理指南，意味着地下 滴灌技术开始步人成熟阶段，我国于8 0 年代之后对不同管材为渗水管进行了田间试验 研究，但该方法的技术要素及设备等问题仍有待进一步研究。滴灌的优点是：灌水质 良好、蒸发损失少、少占耕地便于机耕。其缺点是地表湿润差、地下管道造价高、容 易淤塞、检修困难。 1 2 4 微灌 微灌技术是相对喷灌技术而言的，它包括滴灌、微喷灌和涌泉灌。微喷整个系统 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 包括控制设备( 水泵、水表、压力表、过滤器、混肥罐等) 干管、支管、主管和滴头。 具有一定压力的水，经严格过滤后流入干管和支管，把水输送到果树行间，围绕树的 毛管与支管连接，毛管上安蛳个滴头( 滴头流量为2 l h ) 水通过滴头源源不断地滴人 土壤，使果树根系分布层的土壤一直保持最适宜的湿度状态。它可以根据果树需水、 需肥等的要求，通过低压管道系统与安装在末级管道上的灌水器，将水、肥等以很小 的流量均匀、准确、适时、适量地直接输送到果树根部附近的土壤中，是一种局部灌 溉新技术，能使土壤内的水、肥、气、热经常保持适宜果树生长的良好状态，蒸发损 失小，不产生地面径流和深层渗漏，它是一种用水经济，省工、省力的灌溉方法，比 喷灌节水3 0 , - 6 0 ，比漫灌节水8 0 - 9 0 5 纠5 羽。 1 2 5 地面灌溉 地面灌溉方法是最古老的也是目前应用最广泛、最主要的一种灌水方法。目前果 园中的地面灌溉方法主要包括沟灌、盘灌、环灌等羽。 ( 1 ) 沟灌 沟灌是在果树行间开挖灌水沟，水从输水沟进入到灌水沟后，在流动过程中主要 借毛细管作用湿润土壤。沟灌是目前果园地面灌溉中较为合理的灌水方法。灌水沟的 间距视土壤类型及其透水性而定。一般易透水轻质土壤的沟距为6 0 - - - 7 0 c m 。有结构的 中壤土和轻壤土的沟距为8 0 - 9 0 c m 。重壤土的沟距为1 0 0 , , - 1 2 0 c m 。灌水沟深度由灌水 沟距离果树树干的远近而定。距树干远的灌水沟应深一些，反之应浅些。一般灌水沟 深约2 0 2 5 c m 。沟灌的主要优点是：不会破坏果树根部附近的土壤结构、不导致地面 板结、能减少土壤蒸发损失、湿润土壤均匀、灌水量损失小、土壤通气良好，并方便 机械化耕作。其缺点是开沟劳动量大。 ( 2 ) 盘灌 盘灌是在每棵树干周围的地面上用土埂围成圆形或方形浅坑如盘状，由输水沟或 输水管道引水入浅坑的灌水方法。盘灌的优点是：方法简单易行。其缺点是土壤水分 仅分布在树根附近，报群部分水量较少，从而缩小了果树根系的湿水范围、影响机械 耕作、土壤易板结、灌水效率不高等。 ( 3 ) 环灌 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 环灌是修筑直径为树冠直径2 3 3 4 并带有土埂的环形沟，由输水沟向环形沟 供水的灌溉方法。环灌多应用于幼龄果树，是一种较好的果园节水灌水方法。环灌的 优点是：灌水量较小，用水较经济、对土壤结构的破坏也较小。其缺点是对机械化耕 作仍有一定程度的妨碍。 1 3 土壤蒸发研究进展 1 3 1 土壤蒸发测量方法的研究 土壤水经由裸露地表以水气形态散发到大气中的过程，称为土壤水面蒸发，或水 面蒸发。土壤水蒸发是自然界水循环中重要的一环。土壤蒸发在农田水量平衡和能量 平衡中占有重要地位，干湿评定、水文计算、水利建设、农田灌溉管理、作物产量估 测以及土壤水分预报等有关农业和水资源问题的研究和解决都离不开蒸发量的测定 【9 j 。国外对土壤蒸发问题的研究较早，1 9 5 8 年g a r d n e r 研究了地下水位恒定时均质土 壤土面蒸发过程中的土壤水运动规律。1 9 5 9 年g a r d n e r 对蒸发率递减过程中的土壤水 运动方程采用解析的方法( 通过玻尔兹曼变换) 得到了解析解。1 9 6 0 年w i l l i s 最早 研究了非均质层状土壤的稳定蒸发问题。1 9 6 6 年r o s e 提出将菲利浦入渗方程推广应 用到土面蒸发中得到了蒸发率和累积蒸发量的计算公式 6 0 l 。h a i n e s 和h i l l e l 分别于 1 9 3 0 年和1 9 7 5 年研究了滞后作用对植物蒸腾的影响。我国对蒸发的研究较晚但也取 得了一定成果，1 9 8 3 年瞿兴业、张友义、苏锦兴等人对地下水蒸发与埋深关系进行 了研究。1 9 8 4 年雷志栋、杨诗秀、谢森传等人对潜水稳定蒸发进行了研究并得出了 经验公式。1 9 8 6 年赵华、张友义研究了地下水蒸发影响下农田排水沟间距的非稳定 渗流数值解。1 9 8 9 年唐海行、苏逸深等人对潜水蒸发进行了试验研究并对一些经验 公式进行了改进。2 0 0 3 年来剑斌、王永平等人研究了土壤质地对潜水蒸发的影响。 2 0 0 3 年王改玲、郝明德等人对不同覆盖物和不同抑制剂对蒸发的影响进行了研究。 2 0 0 4 年李韵珠、胡克林对蒸发条件下粘土层对土壤水和溶质运移的影响进行了数值 模拟。2 0 0 5 年史文娟、沈冰、汪志荣对蒸发条件下层状土壤水盐动态进行了研究【5 9 1 。 土壤蒸发的测定是一个相当困难的问题。因为它是发生在一个相当复杂体系内的 连续过程，必须对土壤水分运动，植物水分传送，蒸发面与大气交换和热量交换各个 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 环节进行研究，才能对蒸发过程有完全的认识，其影响因素也较多，包括气象因素( 太 阳辐射、气温、空气湿度、及风速等) 和土壤因素( 土壤质地、结构、含水率、有机 质含量等) 等诸多因素，而且这些因素互相补充、互相制约。因此要准确对其测定难 度较大。所以蒸发测定的方法学研究成为蒸发研究的主要内容。土壤蒸发的测定方法 很多，谢贤群( 1 9 8 6 1 9 8 8 ) 利用自动称重土壤蒸发渗漏仪测定了农田的蒸发，并和许多 方法进行了对比，为综合评价和确定适宜的农田蒸发测定和模式以及研究各种作物田 间的农田蒸发耗水规律提供了有意义的试验1 4 4 1 。习耀m ( 1 9 8 3 ) 利用苏式t 1 n 一5 0 0 一 1 0 0 型土壤蒸发皿测定了渭北平原冬小麦田的土壤蒸发 4 3 1 。李开元( 1 9 9 1 ) 采用土柱模 拟试验研究了黄土高原土壤在不同给水条件下的蒸发性能【1 0 】。p e t e r sa n dr u s s e l ( 1 9 5 外 采用塑料覆盖玉米冠层下的土壤表面以防止土壤蒸发损失，然后用从覆盖小区获得的 蒸腾量和未覆盖小区获得的蒸发蒸腾量来获得土壤蒸发【l l 】。这种方法影响蒸发和蒸腾 之间的相互关系，改变了土壤的反射率，阻止了水的入渗，而且覆膜的材料、性质、 颜色也影响着测定的结果。k l o c ke ta 1 ( 1 9 8 5 ) 用许多覆膜材料抑制玉米冠层下的土壤蒸 发【4 5 1 ，g a r d n e ra n dh a n k s ( 1 9 6 6 ) 用热通量皿h 6 】，a r k i ne ta 1 ( 1 9 7 4 ) ，a d a m se ta 1 ( 1 9 7 6 ) 用自动蒸发皿测量了第一阶段的土壤蒸发 4 7 1 f 4 8 1 ，b e n - a s h e re ta 1 ( 1 9 8 3 ) 用红外测温仪 估测了裸土蒸发，然而这些方法都只是测量了冠层下土壤第一阶段的蒸发【4 9 】。许多学 者( h a n k se ta 1 ，1 9 7 1 ；p r u i t te ta 1 ，1 9 8 4 5 0 1 ，a s h k t o r a be ta 1 ，1 9 8 7 5 1 1 ) 用波文比法测 量了冠层下的蒸发。也有人用c o o p e r 法( c o o p e re ta l ，1 9 8 3 ；a l l e n ，1 9 9 0 ；s i d d i q u ee t a 1 ，1 9 9 0 ；g r e g o r ye ta 1 ，1 9 9 2 ；y u n u s ae ta 1 ，1 9 9 3 ) 估算了土壤蒸发。a l l e n ( 1 9 9 0 ) 用c o o p e r 澍5 铂估算了蒸发值并和实测值进行了对比，发现两者相关性很好5 3 1 ； g r e g o r ye ta 1 ( 1 9 9 2 ) 发现c o o p e r 法过高估算了土壤蒸发【5 4 】；y u n u s a e t a l ( 1 9 9 3 ) 发现在 湿润时c o o p e r 法和实测值接近，但在土壤干燥的条件下c o o p e r 法过低估算了土壤蒸 发1 5 5 1 。总之，研究认为c o o p e r 法在湿润条件下是可靠的，但在土壤干燥的条件下， 所估算蒸发值的精度取决于裸土表层土壤含水量与冠层下土壤含水量的关系f 5 6 1 。虽然 测量蒸发的方法很多，但所得蒸发值的精度都不高【1 2 1 4 1 。 由微型蒸渗仪测得的土壤蒸发与大型称重式蒸渗仪、水量平衡法、红外温度计法 测得的结果能很好吻合，这表明微型蒸渗仪是测定土壤蒸发的一种有效方法。对微型 蒸渗仪的研究很多，b o a s ta n dr o b e r t s o n ( 1 9 8 2 ) ，l a s c a n oa n dv a nb a r e l ( 1 9 8 6 ) 用微型蒸 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 渗仪测量了裸土的蒸发。他们的研究表明，如果能经常换土，微型蒸渗仪是测量蒸发 的一种简便、实际、精确的方法。尽管微型蒸渗仪使用起来比较简单，但也存在一定 的缺陷。蒸渗仪的高度，材料，以及封底材料等都对测量精度产生一定的影响，另外 由于蒸渗仪内没有根系的影响也会引起一定的误差。b o a s t 等人详尽介绍并分析了微 型蒸渗仪的应用。b o a s t 、s h a w c r o f l 等人发现微型蒸渗仪的深度对蒸发的测定有一定 影响，长度较小的微型蒸渗仪会造成土壤蒸发量的低估。s h a w c r o f t 等人首次考虑了 影响微型蒸渗仪测定结果的各项误差，并提出更好地应用微型蒸渗仪的一种方法，即 建立由微型蒸渗仪测到的土壤日蒸发与表层土壤含水量的关系，再利用表层土壤含水 量来推测土壤蒸发。k l o c k e 等比较了在玉米冠层下直径1 5 c m ，长度2 0 c m 的每周更 换土体的微型蒸渗仪和直径为7 6 c m ，长度为6 c m 的每天更换土体的微型蒸渗仪的蒸 发量变化，结果表明，大微型蒸渗仪比小微型蒸渗仪每天多蒸发o 2 m m 。k l o c k ( 1 9 9 0 ) 对比了微型蒸渗仪内外的土壤含水量和土壤温度的差异，发现在裸土情况下，微型蒸 渗仪内的平均土壤含水量和大田接近。表明微型蒸渗仪的设计阻止了水分向上运动和 排水，但不影响蒸发速率。在作物冠层覆盖情况下，由于缺少根系吸水，干旱末期微 型蒸渗仪内的土壤比大田湿润。w a l k e r ( 1 9 8 3 ) 发现由于冠层的遮荫行间放置对土壤表 面的水分、能量有影响，在叶面积指数达到峰值以前蒸发受能量限制，这些差异很显 著。e v e t t 等人研究了微型蒸渗仪的壁和封底对测定土壤蒸发的影响，认为封底的材 料以热的良导体较好，而壁为绝热的材料较好。t 0 d d 等人研究了钢管和p v c 管做成 的微型蒸渗仪对蒸发的测定影响，认为p v c 管在热传导方面比钢管更接近大田实际 i t s 。 1 3 2 土壤蒸发计算方法的研究 1 理论方法 ( 1 ) 1 9 5 8 年g a r d n e r 对定水位条件下均质土壤的稳定蒸发进行了理论推导，并在 导水率采用以下函数形式表示时 臣( j ) 。盎 ( 1 - 1 ) 式中，珥、a z 及m 都是和土壤有关的常数。根据土壤水动力学原理推导出潜水极限 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 蒸发强度e 二与地下水埋日深关系如下 m = 争= 3 7 7 a 1 日一j 3 m = 2 e , m = 2 4 6 a l h 4 m = 3 ，k = 1 7 6 a l h 。3 m = 4 ，k = 1 5 2 a l h 。 ( 1 - 2 ) ( 2 ) 1 9 6 0 年w i l l i s 对定水位下非均质层状土壤的稳定蒸发进行了理论推导并作了 如下假定： a 大气蒸发能力足够大，蒸发主要受土壤输水能力控制。潜水蒸发强度、各层的 土壤水分运动通量和地表蒸发强度相等，即 e = q i = q 2 一_ q 。一 ( 1 - 3 ) b 层间界面处土壤水吸力s 是连续的。但含水率及导水率等在界面处可以是不连 续的。 c 每层土壤本身是均质的。 d 各层土壤的导水率k ( s ) 均以同一经验公式表示，但经验公式的参数各层可不 相同。对每一层土壤可以导出 d = f 南 c - 川 式中，k ( s ) 为该层土壤的非饱和导水率，d 为其厚度，s * u 分别为每层上边界和下 边界处的吸力，当已知地表处吸力( 或含水率) ，可通过试算法求出稳定蒸发强度。 ( 3 ) 1 9 5 9 年g a r d n e r 就无地下水补给时的非稳定土面蒸发作了理论推导，他利用 半无限长的均质土柱假定大气蒸发力无限大，故表土迅速变干，以至于在t 0 的瞬间 含水率便由初始含水率下降至最终的风干含水率。类似入渗问题对土壤水分微分方程 采用玻尔兹曼变换最终得出蒸发率和累积蒸发量的公式如下 弓= ( 眈一只) 昙( 1 - 5 ) 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 矿= 2 ( 吃一谚) 譬 ( 1 6 ) 式中，易为蒸发率，w 累积蒸发量，眈为风干含水率，e 为初始含水率，西为剖面 上含水率由吃至谚所相应的扩散率的加权平均值1 6 1 。 理论方法是根据土壤水动力学原理，将潜水蒸发能力看作是在大气蒸发作用下的 一个非饱和土壤水运动问题，来进行理论分析求解。 2 经验方法 土壤蒸发的经验公式较多，其中比较典型的有以下几类， ( 1 ) 1 9 6 9 年b l a c k 等人通过试验得出无地下水补给时土壤累积蒸发量与时间的经 验关系式为 w = a + b t “2 ( 1 - 7 ) 式中，形为土壤累积蒸发量( m m ) ，a 、b 为试验得出的蒸发参数，t 为蒸发历时。 ( 2 ) 清华大学的谢森传利用试验资料总结出棵间蒸发与表土含水率经验关系，得 出如下公式 e s = e ： 9 2 e 一 巨= 口1 i l ( 口) + 6 彰先。 0 ) 【 式中：f 一入渗时间( m i n ) ； 工湿润锋运移距离( c m ) ； 护一土壤含水量( e m 3 c m 3 ) ； 皖一初始土壤含水量( e r a 3 e r a 3 ) ； 只一土壤饱和含水量( c m 3 c m 3 ) ； d p ) 一土壤扩散率( c m 2 m i n ) 。 对上式采用b o l t z m a n 变换，将偏微分方程转化为常微分方程，求解的d p ) 的表 达式： d ( 口) = 一互1 d 2 ，a d 8 ( 2 - 2 ) 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 一三 式中：a = x t2 ，为b o l t z m a n 变换参数。 当实验进行到某一时刻t ，取样测出土柱内含水量的分布，给出0 = ，q ) 实验曲 线，由式( 2 2 ) 就可计算出d p ) 。n d ( o ) - p 用指数关系进行拟合，得到公式： d ( o ) = 口p ” ( 2 3 ) 式中：d p ) 扩散率( c m 2 m i n ) ； 目体积含水率( c m a c m 3 ) ； a 、6 一拟合系数。 拟合结果见表2 2 。 表2 - 2 扩散率d p ) 与体积含水率口之间的相关关系拟合系数表 t a b l e2 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l u m ew a t e rc o n t e n ta n dd i f f u s i v i t y 注：舻为相关系数 2 2 2 土壤水分特征曲线 用负压计法测定土壤的水分特征曲线。通常土壤水分特征曲线采用幂函数形式拟 合。本文为方便计算足p ) ，采用指数函数方式进行拟合，拟合公式如下： s = a e “ ( 2 - 4 ) 式中：s 土壤吸力( c m ) i 目土壤体积含水率( c m 3 c m 3 ) ； 口拟合系数： b 拟合指数。 拟合结果见表2 3 。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 土壤水分特征曲线已经求出后，比水容量c p ) 可根据水分特征曲线的斜率求得 如下式： c ( 口) ：一辈：_ 1e 一= m e n o t l $a o 式中：c p ) 比水容量( c m 。) ； m 拟合系数； 即拟合指数。 c p ) 的拟合参数列于表2 - - 4 中。 表2 - 3 土壤水分特征曲线拟合参数 t a b l e2 - 3t h ef i t t i n gp a r a m e t e ro f s o i lm o i s t u r ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e 注：r 为相关系数 表2 - 4 比水容量与体积含水率之间的相关关系 t a b l e2 - 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l u m ew a t e rc o n t e n ta n ds p e c i f i cw a t e rc a p a c i t y 2 2 3 非饱和导水率 ( 2 - 5 ) 非饱和导水率的室内测定方法主要有稳态法和瞬态法。稳态法主要有垂直下渗通 量法和垂直土柱稳定蒸发法两种方法。前种方法根据不同水头下土壤剖面含水量的大 小计算导水率与含水量的关系。这种方法试验操作容易，计算简便。但只能对吸湿过 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 程进行测定，并且测定范围不大。后者是在蒸发条件下利用水柱式负压计测定水势梯