第三章 蒸发条件下土壤水分运动2.doc

第三章蒸发条件下土壤水分运动土壤水分蒸发可以发生在土壤表面和植物体上。植物体的蒸发一般称为蒸腾, 土壤表面蒸发称为土面蒸发。本章主要讨论土面蒸发条件下土壤水分运动。土面蒸发所消耗的水分来自两部分,一部分是指直接消耗地下水面以上土层中水分,一部分消耗地下水, 消耗地下水部分称为潜水蒸发。土壤水分蒸发有稳定蒸发和不稳定蒸发两种状态, 当土壤水分的蒸发量与地下水补给量相平衡时为土壤水分的稳定蒸发状态, 一般在连续干旱期, 且地下水有侧向补给时, 会出现这种情况; 当土壤水蒸发量不等于地下水补给量时,土壤水分为不稳定蒸发状态,在降雨或灌水后的蒸发初期或地下水无侧向补给时,常处于这种状态。土壤水蒸发一方面决定于外界( 大气) 蒸发能力( 常以水面蒸发表示), 另一方面决定于土层从地下水面向地表输水的能力,其输水能力大小一方面取决于土质条件, 同时也决定于表土含水率。由于土壤水蒸发的水分是从土表散失, 因此为了研究土壤水蒸发问题首先必须了解表土蒸发规律。第一节表土蒸发一、形成干土层前的表土蒸发过程由于表土蒸发的主要影响因素不同,其蒸发过程可以分为以下两个阶段。 1 .表土蒸发保持稳定阶段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差值,在压力梯度作用下, 土壤中水汽向大气中扩散而产生的。压力差越大, 土壤中水汽扩散的水量越大。在这一阶段, 表土含水率越高( 在某一定值以上), 土壤水汽压力基本不随含水率的变化而改变, 其数值趋近于饱和水汽压力。在这种情况下, 土壤水分蒸发主要取决于外界条件( 温度、湿度、风速等)。在外界条件不变的情况下, 土壤水分的蒸发将不随含水率降低而变化,因此这一阶段称为稳定蒸发阶段, 蒸发强度可用下式表示: )( 0101PP????( 2-3-1 ) 式中: 1?––––稳定蒸发阶段土壤水分蒸发强度( m 3 /d·m 2或 m/d ); 0?––––质量交换系数,与外界条件有关; 1P ––––土壤表层的水汽压力( Pa); 0P ––––大气中的水汽压力( Pa )。在这一阶段内土壤水蒸发强度接近水面蒸发强度,而与土壤含水率无关。此阶段土壤含水率的下限( 临界含水率) 即是蒸发强度与土壤毛管输水能力保持平衡之点; 临界含水率即为毛管输水能力显著降低之点,其值大小视外界条件和土壤性质而定。在外界条件一定时, 主要决定于土壤的机械组成和土壤结构、容重等因素。一般细粒结构土壤含水率大约相当于 60 %~ 70% 田间持水率;在有团粒结构的土壤中该含水率大约相当于田间持水率 90% ~ 95 %。 2 .表土蒸发强度随土壤含水率而变化的阶段在土壤含水率降低至临界含水率以下时, 土壤蒸发进入第二阶段, 当土壤含水率高于枯萎点时,土壤表层水汽压力减小比较缓慢,其数值基本上与饱和水汽压力接近。根据式(2-3 -1), 如果土壤内部能不断向表层补给水分, 蒸发强度仍然可以保持与第一阶段相同, 但实际由于土壤含水率低于临界含水率后, 输水能力减弱, 表层土壤蒸发消耗的水量得不到补充,使表面土壤含水率逐渐降低,蒸发量随之减少。裸地表土蒸发主要受气象条件、土壤质地、地下水埋深等因素影响, 总的是受外界蒸发能力和土壤输水能力两个因素相互制约关系的影响。表土蒸发常以试验资料拟合经验公式确定,以下仅列举两种经验公式形式。(1)R. Bernard 等( 1981 ) [22] 依据表土以下 10cm 的负压及相应于田间持水率的负压值资料,提出以下确定裸地表土蒸发的经验公式: ??????????????e p eephhEE hhhhEE 0 00 4 )](10 2 exp[ (2-3-2) 式中: 0h ––––表土以下 10cm 处负压值( Pa或 mmH 2O ); eh ––––临界负压值,即相当于土壤田间持水率的负压值( Pa或 mmH 2O ); pE ––––蒸发力或潜在蒸发强度,常用水面蒸发强度 0E 表示( mm/d ); E ––––表土蒸发强度( mm/d )。(2)以表土蒸发强度与水面蒸发强度之比 E/E 0( 即为蒸发系数)与表土含水率θ(表土以下 10cm 处)关系表示的经验公式[23 ~ 24]:??????? c cba EE?????1/ 0 (2-3-3) 式中: E ––––表土蒸发强度( m 3 /d·m 2或 mm /d) 0E ––––水面蒸发强度( m 3 /d·m 2或 mm /d) c?––––表土蒸发两个阶段的分界点含水率,即临界含水率(体积含水率,表土以下 10cm 处); a,b ––––与土质有关的试验常数。临界含水率只是表土蒸发与土壤输水能力相平衡之点, 即在某一气象条件下, 达到极限输水能力时所对应的表土含水率,该值随土质条件和外界蒸发力而变。如图 2