毛乌素湖盆滩地包气带水-汽-热耦合运移及潜水蒸发估算

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毛乌素湖盆滩地属于干旱半干旱地区,降水与蒸发量相差较大,维持生态环境的水量主要来自于降水补给形成的潜水,所以垂向上水分交换为区域水循环的主要形式。近年来,能源生产、农业灌溉和生活用水已经造成了该区地下水超采、湖泊面积减少、河流流量减少等生态系统退化问题。研究包气带水汽热运移过程及潜水蒸发的估算是改善水资源管理方式,缓解水资源压力的重要途径。研究成果对于了解干旱半干旱地区的水分和能量平衡具有重要的理论价值及实践意义。本文以毛乌素湖盆滩地植被-包气带-潜水剖面为研究对象,基于土壤水动力学,土壤物理学等基本理论,采用野外监测、室内试验、数值模拟等研究方法与手段。分析了典型蒸发、降雨条件下不同深度土壤含水量、土壤温度、浅层土壤水汽通量及土壤热通量的时空变化特征。探讨了温度梯度及基质势梯度驱动下包气带水分、热量运移的规律。进一步研究了潜水蒸发变化规律及其影响因素。取得了以下结果及认识:(1)2018年1月~12月实测气温和不同深度土壤温度,均呈现出正弦波动规律,土壤温度峰值呈现出滞后现象;降水事件主要影响0~40cm深度土壤水分的再分布,蒸发过程主要影响0~60cm深度土壤水分的再分布;水汽压与温度和负压均呈现良好的正相关关系;浅层土壤,越靠近地表层水汽通量越大而深层土壤液态水的运移相比水汽占主要部分。(2)构建了植被覆盖条件下的包气带水-汽-热耦合模型,发现靠近潜水面深层含水率和土壤温度模拟效果好于浅部。(3)温度梯度水汽通量与温度梯度液态水通量数量级一致,绝对值相近,运移方向相反,具有相似的变化规律。基质势梯度下的液态水通量均为正值。基质势驱动下的汽态水运动主要发生在地表,且汽态水通量较小,可忽略不计;在17:00-00:00时间段水分通量为温度梯度汽态水通量、液态水通量;在01:00-16:00,主要为基质势梯度液态水通量;随着水位埋深的增大,传导热通量和水汽扩散潜热通量均减小。(4)潜水蒸发强度夏季(6-8月)>秋季(9-10月)>春季(3-5月);植被覆盖条件下白天潜水蒸发大于夜间,裸地条件夜间潜水蒸发大于白天;模型计算和昼夜水位波动法估算潜水蒸发量差别很小,两种方法可以相互验证。(5)温度梯度、植被覆盖条件和水位埋深是影响潜水蒸发的主要因素。
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