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        基于地下水位晝夜波動估算地下水蒸散量

        2018-09-10 08:17:42賈伍慧尹立河張俊王曉勇徐丹丹張燕
        人民黃河 2018年8期
        關(guān)鍵詞:利用

        賈伍慧 尹立河 張俊 王曉勇 徐丹丹 張燕

        摘要:干旱半干旱地區(qū)地下水蒸散發(fā)量(ETc)是地下水重要的源匯項之一,利用地下水位晝夜波動估算ETc具有數(shù)據(jù)獲取簡單、成本低、不確定參數(shù)較少等優(yōu)勢,其中Loheide方法精確度最高,且能夠計算小時尺度的ETc。以毛烏素沙地實測地下水位為基礎(chǔ),改進了Loheide方法計算地下水蒸散發(fā)過程中水位恢復速率的計算方法,估算了小時尺度的ETc,并分析了植被生長季節(jié)ETc的變化規(guī)律及影響因素。結(jié)果表明:利用前日20:00至05:00估算水位恢復速率可以獲取精確度高的ETc;利用改進的Loheide方法估算的研究區(qū)2012年6-9月平均每日ETc分別為3.92、3.62、4.15、2.95mm/d,該估算結(jié)果與ETo相關(guān)性較好,精確度較高;植物生長季ETc受多種因素影響,包括氣溫、凈輻射、植被蒸騰和土壤含水率等。

        關(guān)鍵詞:改進的Loheide方法;地下水蒸散發(fā);地下水位晝夜波動;水位恢復速率

        中圖分類號:P641.2

        文獻標志碼:A

        doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.016

        干旱半干旱地區(qū)地下水蒸散發(fā)量(ETc)是地下水重要的源匯項之一,精確估算ETc對研究陸面水文循環(huán)、地下水資源評價和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定分析等具有重要意義。目前有很多ETc的估算方法,其中利用地下水位晝夜波動估算ETc具有數(shù)據(jù)獲取簡單、成本低、不確定參數(shù)較少等優(yōu)勢。1932年,White最早提出該方法,因計算簡便而得到廣泛運用。White提出的計算方法假設(shè)水位恢復速率為定值,而實際水位恢復速率會隨水力梯度的變化而變化。2008年,Loheide對此不足進行了改進,得到隨時間變化的水位恢復速率,進而計算出每小時的ETc。2013年,Yin等運用模型對比分析了White方法和Loheide方法,發(fā)現(xiàn)當水位恢復曲線呈非線性變化時,Loheide方法具有較高的計算精確度。利用Loheide方法計算蒸散發(fā)量時,水位恢復速率計算時段的選取影響ETc二的計算精確度。Loheide方法中運用00:00至06:00時段估算水位恢復速率,但提出時段選取具有主觀性,不同地區(qū)可能需要選取不同時段。2015年,Zhang等利用新疆塔里木河流域的水位數(shù)據(jù),對水位恢復速率的不同估算時段進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)00:00至06:00時段估算結(jié)果精度最高。Yin等運用美國某濕地水位數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),22:00水位恢復速率最大,因此利用22:00至翌日08:00時段估算水位恢復速率。由此看來,在利用地下水晝夜波動估算ETG時,需要根據(jù)實際水位波動條件獲取精確度較高的水位恢復速率。

        ETG主要包括植被蒸騰量和地表蒸發(fā)量。當水位埋深大于毛細上升高度時,ETG主要為植被蒸騰量。2007年,Butler等分析美國某河岸帶水位波動和樹干液流數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在日尺度上植被蒸騰的主要影響因素是凈輻射量,季節(jié)尺度上主要影響因素是氣溫和凈輻射量,同時發(fā)現(xiàn)包氣帶含水率影響ETG。2013年,黃金廷分析鄂爾多斯半干旱區(qū)沙柳蒸騰影響因子發(fā)現(xiàn),凈輻射量是主要影響因素,其次為氣溫、濕度和風速。同時發(fā)現(xiàn),在干旱階段,沙柳主要依賴地下水:在濕潤和相對濕潤階段,沙柳同時依賴包氣帶水和地下水。筆者根據(jù)毛烏素沙地東南緣的地下水動態(tài),通過潛在蒸散發(fā)(ETo),選擇水位恢復速率估算時段,利用改進的Loheide方法計算ETG,并結(jié)合氣象、樹干液流和土壤含水率等數(shù)據(jù),分析植被生長季的ETG變化及影響因素,以期為當?shù)氐叵滤Y源評價提供技術(shù)支撐。

        1 研究區(qū)概況

        陜西省榆林市榆陽區(qū)補浪河鄉(xiāng)那泥灘自然資源部地下水與生態(tài)野外試驗站位于毛烏素沙地東南緣,地理坐標為東經(jīng)109011'42”、北緯38023'27”,平均海拔1250m。研究區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū),年平均氣溫為8.1℃,1月平均氣溫為-8.6℃,7月平均氣溫為23.9℃。年平均降水量為340mm,7-9月降水量占全年降水量的70%以上:多年平均蒸發(fā)能力為2180mm。包氣帶類型為風積沙,地貌以固定和半固定沙丘為主。主要植被類型為沙柳、旱柳、楊樹等,植被覆蓋率較高。該區(qū)氣候干旱,旱柳和楊樹等生長主要依賴地下水,地下水位與植被生長關(guān)系密切。研究區(qū)居民較少,無集中供水水源地,只有零星分布的灌溉農(nóng)田,地下水基本處于天然狀態(tài)。

        2 研究方法

        2.1 數(shù)據(jù)獲取

        試驗場地地下水位利用Keller壓力傳感器進行監(jiān)測,氣壓監(jiān)測儀器安裝在觀測孔中深度0.5m位置,可減小儀器自身溫度差異引起的監(jiān)測誤差。監(jiān)測過程中定期人工測量水位埋深對傳感器測量的水位進行校正。氣象數(shù)據(jù)采用小型氣象站監(jiān)測,監(jiān)測項目包括凈輻射、降水量、空氣溫度及濕度和風速。土壤含水率采用EGH20探針和EM50數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測。樹干液流監(jiān)測儀布設(shè)在樹干高度1.3m位置。以上監(jiān)測頻率均為1次/h。選取2012年6-9月植物生長季的各監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析研究。為消除野外監(jiān)測過程中Keller壓力傳感器噪音的影響,對水位數(shù)據(jù)進行周期為5的移動平均處理。

        2.2 ETG估算

        Loheide提出的基于地下水動態(tài)計算蒸散發(fā)量的方法有以下3個假定條件:①地下水的晝夜波動是地下水蒸散發(fā)和側(cè)向補給引起的,忽略其他水位影響因素:②00:00至06:00時段地下水蒸散發(fā)量為0:③地下水側(cè)向補給恒定或其變化趨勢與觀測井的水位變化趨勢相同。根據(jù)地下水均衡方程,單位時間ETG計算公式為式中:WT為水位,m;t為時間,h;dWT/dt為水位變化率,m/h;r(t)為側(cè)向補給率,m/h;Sy為給水度。

        側(cè)向補給發(fā)生在1d中的各個時刻,白天的數(shù)據(jù)因ETG的影響而無法直接估算側(cè)向補給量。假設(shè)00:00至06:00時段ETG為0,此時水位恢復速率僅取決于側(cè)向補給,于是可利用ETG為0時刻的數(shù)據(jù)估算ld內(nèi)其他時刻的側(cè)向補給率。當補給水源水頭恒定時,00:00至06:00時段水位恢復速率可看作是地下水位的函數(shù)。利用當日和翌日2d00:00至06:00時段的水位恢復速率與地下水位建立線性函數(shù)關(guān)系T(WT),進而估算1d內(nèi)其他時刻的側(cè)向補給率。當補給水源水頭不恒定時,假設(shè)其變化趨勢與觀測井水位變化趨勢相同,可通過對觀測井水位去趨勢化處理間接得到恒定補給水頭,公式為式中:WTDT(t)為去趨勢水位,m;WT(t)為觀測水位,m;mT為趨勢線斜率;bT為趨勢線截距。

        這樣就可以利用去趨勢水位恢復速率與去趨勢水位的函數(shù)關(guān)系T(WTDT),得到ld內(nèi)各個時刻的側(cè)向補給率r(t),公式為

        進而可根據(jù)式(1)估算各個時刻的ETG值。

        2.3 給水度確定

        Loheide等研究發(fā)現(xiàn),當?shù)叵滤裆畲笥?m時,給水度的大小只取決于含水層土質(zhì)結(jié)構(gòu)。地下水位波動范圍含水層土質(zhì)不變,則給水度可看作定值。研究區(qū)水位波動范圍含水層土質(zhì)為中細沙,通過抽水試驗數(shù)據(jù)計算給水度為0.15,依據(jù)Allan等的研究結(jié)果,計算過程中,給水度取抽水試驗結(jié)果的50%,即0.075參與計算。

        2.4 潛在蒸散發(fā)量(ETo)

        ETo代表特定作物在水位接近地表時的蒸散發(fā)量,其值一般遠大于實際ETG,但二者的變化趨勢較為相似,因此可通過二者的相關(guān)性分析來檢驗ETG的估算精度。FAO Penman-Monteith公式可用于計算每小時的ET0:式中:ETo為參考作物蒸散發(fā)量,mm/h;Rn為凈輻射量,MJ/(m2.h);G為土壤熱流密度,MJ/(m2.h);Thr為單位時刻平均氣溫,℃:△為溫度與飽和水汽壓曲線的斜率,kPa/℃;r為濕度計算常數(shù),kPa/℃;eo(Thr)為氣溫Thr下的飽和水汽壓,kPa;ea為實際平均水汽壓,kPa;u2為平均風速,m/s。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 地下水位變化及影響因素

        研究時段內(nèi)地下水位總體呈現(xiàn)波動變化,且下降速度較緩慢而上升速度較快:6-7月地下水位埋深為1.25~1.45m,7月下旬水位急劇上升0.5m,8-9月水位埋深為0.9~1.1m,見圖l(a)。水位在總體下降時段也呈現(xiàn)晝夜波動,即ld內(nèi)最高水位出現(xiàn)在07:00左右,之后逐漸下降,至18:00左有水位達最低值,之后又逐漸上升。降水發(fā)生時,降水人滲補給起主導作用,水位迅速持續(xù)上升,地下水晝夜波動消失。在無降水時段,地下水蒸散發(fā)消耗起主導作用,使得第二天的最高水位要低于前一天的最高水位。ld內(nèi)水位波動幅度約為10mm,Cheng等在觀測毛烏素沙地內(nèi)蒙古烏審旗某區(qū)域的水位變化時發(fā)現(xiàn)了相同的波動幅度。

        地下水位晝夜波動和季節(jié)變化趨勢受自然因素和人類活動的影響。Healy等認為干旱半干旱地區(qū)地下水位的季節(jié)變化趨勢主要由ETG的季節(jié)變化引起。Zhang等在分析地下水位變化趨勢時發(fā)現(xiàn),地下水位變化影響因素包括氣象因素、植被生長時段和人類活動等。通過分析時段降水數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),2012年6-9月水位急劇上升時段均有明顯降水,降水量越大相應水位上升幅度越大。8月9-12日樹干液流數(shù)據(jù)顯示,這4d中8月11日液流密度較小,相應水位波動幅度小,見圖1(b)。液流密度變小表示該植被蒸騰作用減弱,ETG減小。因此研究時段內(nèi),氣象因素、ETG是影響研究區(qū)地下水位變化的主要因素。

        3.2 ETG估算結(jié)果檢驗

        3.2.1 水位恢復速率時段選取

        Loheide方法中利用00:00至06:00時段的水位恢復數(shù)據(jù)建立線性關(guān)系估算當天其他時刻的水位恢復速率,但該時段的選擇具有主觀性,為了更加精確估算不同地區(qū)的水位恢復速率需要對時段稍作調(diào)整。通過分析實際水位波動規(guī)律發(fā)現(xiàn),每日20:00左右水位恢復速率達到最大值,因此研究選取前日20:00至05:00和20:00至翌日05:00水位恢復時段的水位數(shù)據(jù)估算水位恢復速率,并將該時段估算的ETG和00:00至06:00時段估算的ETG進行對比。結(jié)果表明,利用00:00至06:00時段和前日20:00至05:00時段估算的4個月平均ETG分別為3.68、3.73mm/d,二者差值僅占均值的1.3%,說明兩個時段在估算4個月總的ETG時精確度相似。

        另外,同一時間段ETG與ETo應具有較為相似的變化趨勢。因此利用00:00至06:00時段和前日20:00至05:00時段估算的每小時的ETG分別與每小時ETo值進行相關(guān)性分析,得到ETG和ETo的相關(guān)性(R2為00:00至06:00時段的判定系數(shù)、R;為前日20:00至5:00時段的判定系數(shù)),見表1。結(jié)果顯示,R22在總體和各個月份的值均大于R的,說明利用前日20:00至05:00時段估算的小時尺度ETG與ETo變化趨勢較為一致,即利用前日20:00至05:00時段估算的ETG在小時尺度上具有較高的精確度。

        3.2.2 ETG檢驗結(jié)果分析

        研究區(qū)ETG檢驗結(jié)果顯示:8月和9月二者相關(guān)性較好,而6月和7月二者相關(guān)性一般(見表1)。分析試驗場旱柳樹干液流數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),ETG與樹干液流密度相關(guān)性較好(見圖2)。Butler等研究植被與地下水位關(guān)系時發(fā)現(xiàn),樹干液流數(shù)據(jù)與地下水位變化具有較好的相關(guān)性。這說明ETG主要是植被對地下水的消耗引起的。同時,Butler等提出地下水位對植被取水的響應程度取決于植被用水來源。Loheide等提出,當包氣帶含有充足水分供應植被時,地下水位波動幅度明顯減小,間接說明包氣帶含水率對ETG具有較大影響。

        ETo主要由氣溫和凈輻射量等氣象因素決定,而ETG除此之外,還受包氣帶含水率等因素影響。由圖3(a)可以看出,每次降水過后,ETG與ETo的差距明顯增大,說明降水過后,植被利用地下水的比例相對減小。6月初水位埋深較大,深度1m處包氣帶含水率較高,之后包氣帶含水率逐漸降低,見圖3(b)。這期間地下水位并未上升,可以判斷包氣帶含水率的下降是植被消耗引起的。6月底降水量較大,7月初地表及淺層包氣帶含水率增大。植被蒸騰利用土壤水的比例增加,導致6月、7月ETG和ETo相關(guān)性較差。7月下旬降水量大,7月20日至7月31日總降水量達155mm,此次持續(xù)降水使地下水位抬升了0.5m左有,8月初水位埋深減小至0.9m.且8月、9月水位埋深在1m左右,水位抬升使植被大部分淺層根系可直接吸取地下水,增大了地下水參與蒸散發(fā)作用的比例,因此8月、9月ETG和ETo相關(guān)性較好。

        3.3 ETG變化規(guī)律及影響因素分析

        3.3.1 小時尺度

        利用Loheide方法估算了研究時段的ETG,水位恢復速率估算采用前日20:00至05:00時段的水位。估算過程中排除了降水導致的水位持續(xù)上升時段,得到研究時段每小時的ETG值,見圖4。由圖4可以看出,夜間ETG均接近于0,早晨06:00左右ETG逐漸增大,中午12:00左有達到最大值,之后逐漸減小,20:00左有ETG值又接近于0。通過對氣象因子的分析發(fā)現(xiàn),凈輻射、氣溫和風速均與ETG成正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性較好,尤其是凈輻射與ET相關(guān)性顯著(R2=0.90);空氣濕度與ETG成負相關(guān)關(guān)系,濕度越小,ETC越大??梢耘袛啵谛r尺度上凈輻射、氣溫、空氣濕度和風速均影響ETG,凈輻射為主要影響因素。

        另外,中午時段ETG多出現(xiàn)雙峰,與黃金廷在研究鄂爾多斯半干旱區(qū)ETG時的結(jié)論一致。液流密度在中午時刻出現(xiàn)波動,說明此時植被蒸騰作用減弱。Loheide提出當外界環(huán)境不適宜時,植被氣孔會部分關(guān)閉。中午時刻正是凈輻射最大時段,因此雙峰現(xiàn)象可能是受強輻射影響,植被部分氣孔關(guān)閉減弱水分蒸騰引起的。

        3.3.2 月尺度

        研究區(qū)2012年6-9月平均每日ETG分別為3.92、3.62、4.15、2.95mm/d。對研究時段各月平均每日ETG和ETo進行對比,見圖5。相關(guān)性分析表明,ETG與ETo相關(guān)性較好(R2=0.74)。由圖5可以看出,平均每日ET07月最高,其次為8月和6月,9月最低:平均每日ETG與ETo趨勢不一致,8月ETG最高,7月ETG低于8月和6月的。2013年Cheng等分析毛烏素沙地某區(qū)域7-9月的ETG變化時得到,7月平均每日ETG最大,7-9月ETG逐漸減小。研究區(qū)域植被生長季主要在7-8月,尤其7月生長較快,但是7月ETG卻顯著偏小。

        6月底降水頻繁且雨量較大,使得包氣帶含水率在7月初升高,尤其是深度1m處包氣帶含水率顯著升高。受包氣帶水分影響,植被消耗地下水比例減小,因此7月日平均ETG減小。同時,7月中下旬降水較多,在ETG估算時未考慮降水時段。9月由于天氣逐漸變冷,植被逐漸進入休眠期,蒸騰作用減弱[16],因此ETG減小。月尺度上,ETG不僅受凈輻射和氣溫等氣象因子影響,而且受包氣帶含水率影響。

        4 結(jié)論

        研究區(qū)非降水期地下水位呈現(xiàn)晝夜波動,利用Loheide方法可以較精確估算小時尺度的ETG。估算水位恢復速率過程中,根據(jù)實際水位信息選取合適的時段,本文選取了前日20:00至05:00時段,經(jīng)檢驗,該時段的估算結(jié)果相比00:00至06:00時段更加精確。利用Loheide方法估算的研究區(qū)2012年6-9月平均每日ETG分別為3.92、3.62、4.15、2.95mm/d,該估算結(jié)果與ETo相關(guān)性較好(R2=0.74),精確度較高。ETG二主要影響因素有凈輻射、氣溫等氣象因子和包氣帶含水率。ETo最大時段發(fā)生在7至8月,而ETG卻呈現(xiàn)出不同規(guī)律。2012年受包氣帶含水率影響,7月ETG明顯偏低,8月ETG最大,9月以后,植被生長緩慢,逐漸進入休眠期,ETG降低。

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