3章-3节潜水蒸发40页.ppt

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1、1 /40,3 潜水蒸发,蒸发水分从液态变为汽态的过程称为蒸发 水面蒸发:发生在江、河、湖、海等水体表面的蒸发 土壤蒸发:发生在土壤或岩体表面的蒸发； 植物蒸腾或散发:发生在植物表面的蒸发； 腾发（蒸腾蒸发）或蒸散:在有植物覆盖的土地上的蒸发，包括土壤蒸发和植物蒸腾 潜水蒸发:在地下水埋深较浅的地区，由于土壤和植物表面的蒸散作用，使包气带土壤含水量减少，在水力坡度的作用下，导致潜水面处的土壤水分向上运动，源源流向非饱和区而造成潜水量消耗,2 /40,3 潜水蒸发,1. 蒸发的外界条件：气象因素。 太阳辐射，气温，湿度，气压，风速等； 2. 蒸发的内在条件：土壤水分向地表输送的能力 土壤含水率，

2、土壤岩性、结构，潜水埋深等； 3.植物生理特性条件： 植物种类，生长阶段，生长情况等。,影响因素,不同类型的蒸发其影响因素不同 水面蒸发受外界条件1的影响； 裸土蒸发受外界条件1和内在条件2的影响； 有植物的土壤蒸发与潜水蒸发受上述3个条件的影响,3 /40,3 潜水蒸发,1. 裸地条件下的潜水蒸发 2. 作物生长条件下的潜水蒸发 3. 潜水蒸发的试验研究 4. 潜水蒸发的数值模拟及影响因素分析 5. 潜水蒸发的确定方法,4 /40,1. 裸地条件下的潜水蒸发,1.1 表土蒸发 1.2 潜水蒸发,裸地蒸发在现实生活中普遍存在: 大田作物幼苗期和田地休闲期 土壤蒸发能力与外界大气条件和 土壤本身

3、的含水率质地等因素有关,5 /40,1.1表土蒸发,土面蒸发的影响因素 外界气象因素（外因）： 包括太阳辐射、气温、湿度和风速等气象因素， 既决定着水分蒸发过程中能量的供给(辐射)， 也影响着土表水汽向大气的扩散过程(风)， 这些因素概括称为大气蒸发能力， 常以水面蒸发作为综合指标来衡量大气蒸发力的大小 土壤的供水能力（内因）： 受土壤中含水率的大小和分布 、土壤质地的影响,第三节 潜水蒸发 1. 裸地条件下的潜水蒸发,由于土壤水分蒸发的水分是从表土散失，因此首先必须了解表土蒸发规律。表土蒸发研究无地下水补给的蒸发，土面蒸发水量均来自土壤水，发生在地下水埋深很深时。,6 /40,1.1表土蒸发

4、,阶段1:图中AB线以右,称为稳定蒸发阶段 特点: = 0(其中 0为水面蒸发强度) 表土的含水率有所降低,但表土的蒸发强度不变 表层土壤水分的蒸发主要是由于土壤水汽压力与地表大气中水汽压力有一定的差值，在压力梯度的作用下向大气中扩散。本阶段表土含水率高,地表处的水汽压力仍维持或接近于饱和水汽压。另一方面表土含水率的减小使地表土壤导水率的降低被土壤中向上的吸力梯度的增加所补偿,室内饱和土柱蒸发试验,表土蒸发分三个阶段 1.表土蒸发强度保持稳定的阶段 2.表土蒸发强度随含水率变化的阶段 3.表层形成干土层后表土蒸发阶段,k k为临界含水率（蒸发强度与土壤毛管水能力保持平衡的点）,一般认为该值相当

5、于毛管破裂点的含水率。对细粒结构约为田间持水率的60%70%;有团粒结构的土壤中约为田间持水率的9095% k的大小与土壤性质和大气蒸发能力有关,第三节 潜水蒸发 1. 裸地条件下的潜水蒸发,7 /40,表土蒸发分三个阶段 1.表土蒸发强度保持稳定的阶段 2.表土蒸发强度随含水率变化的阶段 3.表层形成干土层后表土蒸发阶段,阶段2:图中AB线以左 特点: 0 表层土壤消耗的水分得不到下面土壤水分的及时补充,因此只能消耗表层土壤中的水分,表层土壤含水率进一步减小,地表处水汽压力降低,蒸发强度逐渐减小; k()降低的速度比土壤水梯度增加的速度快，导致减小 rk r为凋萎含水率,室内饱和土柱蒸发试验

6、,1.1表土蒸发,8 /40,表土蒸发分三个阶段 1.表土蒸发强度保持稳定的阶段 2.表土蒸发强度随含水率变化的阶段 3.表层形成干土层后表土蒸发阶段,阶段3: 特点: r r为凋萎含水率 表土含水率显著减小,土壤输水能力微弱,土壤表面形成干土层(无水可蒸发) 此时土壤水分蒸发不是发生在表层，而是发生在土壤内部，土壤水分蒸发面下移至干燥层以下,蒸发区形成的水汽以气态的形式扩散穿过干土层进入大气,表土蒸发显著减小,室内饱和土柱蒸发试验,1.1表土蒸发,9 /40,1.1表土蒸发,不同外界蒸发能力下，表土蒸发的特点： 都分为三个阶段，一阶段均有= 0 外界蒸发力越大，一阶段（表土稳定蒸发）对应的含

7、水率范围越小，即k越大（毛管破裂得越早）；,10 /40,1.2.1潜水稳定蒸发 均质土壤稳定蒸发 非均质土壤稳定蒸发(略) 1.2.2潜水非稳定蒸发 该部分见潜水的数值模拟部分,1.2潜水蒸发,11 /40,1.2.1 潜水稳定蒸发,发生条件 地下水位埋深较浅且因有侧向补给使地下水位可以维持不变 外界蒸发条件大体不变 特点 地表的蒸发强度恒定 土壤剖面上含水率及含水率的分布均不变 从土壤中蒸发的水全部由潜水来供给 与表土蒸发的关系 在蒸发的初期为表土蒸发的一阶段； 在向表土的二阶段发展过程中有地下水的补给，则土壤水分蒸发所消耗的水分就会部分或全部由地下水补充，这时就发生了潜水蒸发； 当土壤水

8、分蒸发消耗的水量全部由地下水提供时，土壤剖面含水量分布不随时间而变化，即形成潜水稳定蒸发,12 /40,1.2.1 潜水稳定蒸发,潜水蒸发取决于： 外界蒸发能力和土壤的供水能力 图中蓝虚线以左，外界蒸发能力相对较小，即 E0 Emax(土壤最大输水能力)有：E= Emax,水面蒸发E 0(mm/天),潜水蒸发E（mm/天）,地下水埋深,0.5m,0.9m,1.4m,1.8m,2.2m,2.5m,图3-40 潜水稳定蒸发水面蒸发地下水埋深关系,E=Emax,E=E0,E=E0 式中与地下水埋深和大气蒸发能力有关；地下水埋深很浅时， 接近1，此时E=E0 即潜水蒸发强度与水面蒸发强度相等,13 /

9、40,均质土壤稳定蒸发,%,由于是稳定蒸发,土壤剖面含水率分布不变,通过剖面各点的通量q均等于土面蒸发强度，对全剖面上任何一点利用达西定律有：,（3-52）,（3-53）,注意:h为土壤吸力,是基质势的绝对值, z轴向上为正,重力势取正号,14 /40,均质土壤稳定蒸发,（3-53）,（3-54）,15 /40,均质土壤稳定蒸发,（3-57）,（3-62）,（3-57）,16 /40,均质土壤稳定蒸发,（3-62）,（3-63）,17 /40,2.作物生长条件下的潜水蒸发,作物生长条件下的潜水蒸发ET 包括土面蒸发Evaporation 和作物蒸腾Transpiration (通过植物叶面气孔

10、的蒸发) 2.1作物蒸腾 2.2作物生长条件下的潜水蒸发,18 /40,2.1作物蒸腾（叶面蒸发）,蒸腾规律 与表土蒸发规律相似，分两个阶段， 也与外界蒸发能力和土壤供水能力有关 第一阶段： 土壤有效含水量较大 E=E0(水面蒸发) 第二阶段： 土壤有效含水量较小 E=E0 （1） 作物种类不同、生长情况不同、生长阶段不同，作物蒸腾不同，但仍然可分为两个阶段,土壤有效含水率：可以被作物吸收利用的水量，数量上=-r； 其中r为凋萎含水率,19 /40,2.1作物蒸腾（叶面蒸发）,蒸腾量计算 作物生长条件下土壤水分蒸发： 除与外界蒸发条件和土壤供水能力有关外，还与作物的种类、生长情况、生长阶段有关

11、 严格区分土面蒸发和作物蒸腾是很困难的，一般将其合为一个量计算，称为蒸腾蒸发量或腾发量（ET） 实际ET的估算： 用Penman公式计算潜在腾发量ETp； 然后再考虑作物因素和含水量因素修正，,Kc和K分别是作物系数和含水率修正系数,20 /40,2.1作物蒸腾（叶面蒸发）,潜在蒸腾量计算Penman公式 Penman公式最早于1948年提出 后来经过了不断的修改和完善 目前应用最多的是Penman-Monteith 公式,潜在腾发量：土壤水分充足、地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔（地块的长度和宽度都大于200m）矮草地（草高8-15cm）上的腾发量。只与外界气象因素有关,21 /40,

12、22 /40,称重式蒸渗仪实测ET,宽量程（万吨）高精度电子称（十分之一g）,23 /40,称重式蒸渗仪实测ET,Lysimeter,24 /40,2.2作物生长条件下的潜水蒸发,在外界条件和地下水埋深一定时，作物生长条件下的潜水蒸发主要取决于根系吸水规律（用根系吸水率S表示） 根系吸水率S，单位体积土壤在单位时间内的根系吸水量(1/T)； 作物根系吸水规律 微观方法，单根径向流模型，难以实际应用 宏观方法：更实用 根系在同一深度土层内均匀分布，一般为大田作物，S(z)； 根系在与主根径向距离r处为均匀分布，一般果树或林木，S(z,r),蒸腾沿根系的分布 根系吸水率S,25 /40,2.2作物

13、生长条件下的潜水蒸发,大田作物根系吸水率S的典型计算公式：Gardner(1964)式(3-80)； Hillel等(1976)式(3-81)；Molz和Remson(1976)式(3-82),等 求得S以后，由一维非饱和土壤水分运动方程和边界条件解得潜水蒸发量： 式中，S根系吸水率，单位体积土壤在单位时间内的根系吸水量(1/T)；S可由吸水率公式计算，也可由实测负压值反求,26 /40,利用野外实测资料间接计算的冬小麦和夏玉米的SZ在不同时间的分布图,不同时间，吸水率分布的变化,冬小麦在4月285月16之间，地表无灌溉的情况下，根系主区下移,玉米在7月208月5之间，由于连续降雨或灌溉主区基

14、本接近地表上层,实测上边界ET，实测下边界潜水蒸发，实测剖面h分布，反求S,27 /40,2.2作物生长条件下的潜水蒸发,将求得的S代入有根系情况下的土壤水运动方程 有作物条件下的潜水蒸发与无作物条件下潜水蒸发比较 发现：在地下水埋深和外界大气蒸发能力相同时，前者远大于后者,地下水埋深为1.0m 地下水埋深为2.5m,水面蒸发E0（mm),有作物,无作物,有作物,无作物,28 /40,3. 潜水蒸发的实验研究,裸地潜水蒸发量及其影响因素的实验 -用定水位测筒或测坑 作物生长条件下的潜水蒸发量 -用定水位测筒或测坑（种作物） 有无作物条件下潜水蒸发系数的测定 潜水蒸发系数C年=潜水蒸发量/同期水

15、面蒸发 见表3-5 华中地区（不同土质，不同地下水埋深，有无作物）,29 /40,4. 潜水蒸发的数值模拟及影响因素的分析,4.1 无作物生长条件下潜水蒸发的数值模拟 4.2 有作物生长条件下潜水蒸发的数值模拟 4.3 利用数值模拟结果分析潜水蒸发影响因素,30 /40,4.1 无作物生长条件下潜水蒸发的数值模拟,数学模型及离散方程（定水位条件下） 基本方程与降雨入渗模型相同， 上边界水流通量方向相反，将降雨入渗强度ir改为表土蒸发强度-即可； 下边界基质势h为0（定水位边界）,Z轴向下为正,31 /40,4.2有作物生长条件下潜水蒸发的数值模拟,定水位条件下潜水蒸发计算 定解问题：,表土蒸发

16、强度E(h)=ET-T ET为腾发量 作物蒸腾量T为作物根系吸水率的总和： 式中，T jj时刻根系吸水总量；Lr根系深度。 t时段内作物蒸腾量：,Z轴向下为正,32 /40,4.2有作物生长条件下潜水蒸发的数值模拟,定水位条件下潜水蒸发计算 j时刻通过地下水面的通量(达西定律)： 差分格式： t时段内通过单位面积地下水面的水流通量Q（潜水蒸发量Q） 地下水位随蒸发而下降时潜水蒸发计算（动边界）,33 /40,4.3 潜水蒸发影响因素的分析,1）雨后地下水位迅速下降至某一深度， 并保持这一水位 2）有作物覆盖时的潜水蒸发 3）有粘土情况下的潜水蒸发,34 /40,1).雨后地下水位瞬降1.5m，

17、并保持这一水位时,蒸发强度 排水强度（cm/day）,时间（天）,5,1,雨后，由于排水沟的排水，地下水位迅速下降1.5m后，土壤剖面含水率及表土蒸发和深层排水变化过程,表土蒸发阶段,潜水稳定蒸发阶段,35 /40,3）.有作物覆盖时的潜水蒸发,有作物 无作物,计算所用的蒸发和腾法总量相等： 表明： 1）无作物覆盖时，蒸发发生在表层，有作物覆盖时，土壤失水发生在中下部； 2）有作物覆盖时，土壤剖面下部变陡，其水势梯度变大，因此潜水蒸发变大,36 /40,3）.有粘土情况下的潜水蒸发,粘土层厚度越大，抑制蒸发的作用越大 粘土层越接近地表，抑制蒸发的作用越大 意义： 指导生产，利用粘土抑制蒸发，或

18、改变土壤结构（锄地）， 抑制无意义蒸发，土壤返盐,37 /40,5.潜水蒸发的确定方法,5.1潜水蒸发系数法 E=C年E0 (略) 见P115表3-5 5.2 经验公式（在无作物生长条件下） 三个 5.3 数值计算确定潜水蒸发(略) 适用于有作物和无作物,38 /40,5.2经验公式法-公式1,（3-94）仅适用于表土含水率低于临界含水率的情况下，潜水蒸发随E0和地下水埋深的变化规律； 因为当表土含水率大于临界含水率时，E=E0，用以上公式无法表现,（3-94）,39 /40,3.5.2 经验公式法-公式（2）,（3-96）,避免使用了（3-94）中的潜水蒸发极限埋深，因为在理论上潜水蒸发极限埋深是不存在的； 需要通过实验确定式中的参数,40 /40,3.5.2经验公式法-半理论半经验公式（公式3）,雷志栋等人总结实验发现： E（潜水蒸发）， E0（水面蒸发）， （地下水埋深） E=f(E0,H)满足以下条件：,E0,E,H,41 /40,3.5.2经验公式法-半理论半经验（公式3）,（3-98）,（3-97）,本部分三个经验公式均在无作物生长条件下求得，有作物生长条件下的潜水蒸发与作物种类生长阶段等有关，可用数值模拟与试验资料结合计算潜水蒸发,42 /40,