沙丘草甸區(qū)GSPAC系統(tǒng)水分運移機理與SWAP模擬研究——以科爾沁沙地為例.pdf

1、我國荒漠化地區(qū)普遍存在沙丘、草甸組成的內(nèi)部閉流區(qū)，并在系統(tǒng)內(nèi)部形成區(qū)域尺度的水循環(huán)過程。但目前對這一具體水文過程中水分運移的機理尚不明確。本文在科爾沁沙地沙丘-草甸地貌區(qū)選定典型研究區(qū)，以GSPAC(Ground Water–Soil–Plant–Atmosphere Continuum）系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，將地下水-土壤-植被-大氣作為統(tǒng)一的連續(xù)體，利用多年的野外試驗數(shù)據(jù)，研究沙丘、草甸GSPAC系統(tǒng)內(nèi)植被主要生長期降雨入滲水分運移及凝結(jié)

2、水形成的機理，并對沙丘、草甸水分運移進行了SWAP模型模擬。內(nèi)容及結(jié)果摘要如下：
　　1．選擇代表降雨，通過分析降雨后不同地貌類型下（沙丘、草甸）土壤垂向剖面含水率與基質(zhì)勢的變化，從勢能角度進一步研究降雨向土壤水及地下水的轉(zhuǎn)化機理。
　　結(jié)果表明，對沙丘而言，土壤總體處于較干燥狀態(tài)，即使發(fā)生一定的降雨，基質(zhì)勢最大也不超過-500cm。相對于其它層位，沙丘20-40cm深度處，含水率最大，降雨后變幅也最大，基質(zhì)勢也最大。小于1

3、0mm降雨量的情況下，雨前及雨后的大部分時間基本在地面以下20-40cm處形成發(fā)散型零通量面，零通量面以上，土壤水分向上運動，消耗于蒸發(fā)蒸騰；零通量面之下，水分向下運動，形成入滲向下層排泄。降雨量越大，零通量面隨時間下移越明顯。經(jīng)歷較大降雨后（如＞17.0mm），1d后水分入滲為單一入滲型，降雨3d后在地面以下20cm處形成發(fā)散型零通量面，且隨著時間零通量面不斷下移，雨后8d下移到約地下30cm處。由于A3樣地地下水位埋藏較深，在120

4、cm以下，隨著深度增加，基質(zhì)勢又不斷增加，土壤水分向上運動，在120cm處形成收斂型零通量面。
　　草甸地降雨向土壤水運移轉(zhuǎn)化機理較沙丘復雜。降雨前表層0~20cm土壤含水率在接近地表處較小，基質(zhì)勢隨深度的減少而降低。地下水在土水勢梯度作用下，緩慢向上運動補充土壤水分。降雨開始后，使表層土壤基質(zhì)勢和含水率迅速增加，土壤呈單一下滲型水勢分布，水分向下運動，馬上補給地下水，但隨著土壤和植被的蒸騰作用的進行，土壤表層的含水率與基質(zhì)勢又逐

5、漸減小，水分又向上運動，在20cm處形成發(fā)散性零通量面。最終降雨的影響消失，由于蒸騰作用使得表層土壤水分不斷減少，等待下次降雨的補給。土壤含水量變化最為顯著的是0~20cm的土壤。在較大的降雨（＞17.0mm）發(fā)生后，土壤含水率的變化的影響達到地面以下100cm左右，此時入滲濕潤鋒面移至潛水面，發(fā)生入滲濕潤鋒面型補給。
　　2．分析降水與地下水位波動的總體響應趨勢，分析不同地貌形態(tài)下地下水位對降雨的響應，總結(jié)不同地貌形態(tài)下降水對地

6、下水的補給規(guī)律與響應機理。研究表明，無論是地下水埋深較小的草甸地、還是地下水埋深為11m左右的沙丘，受不同級別的降雨影響地下水位均產(chǎn)生波動。這表明降雨后，氣壓、土壤水勢和含水率等發(fā)生變化，進而引起的剖面上下復雜的水分運移使得地下水都能夠得到一定的補給。草甸地對降雨的響應較積極，受降雨影響的地下水位波動幅度也較沙丘大，草甸地在雨后1d即體現(xiàn)出地下水位的波動，沙丘的波動在雨后2-4d，因此沙丘的滯后作用較明顯。草甸地C3在各次代表降雨后地下

7、水位抬升的幅度與降雨量基本呈線性增加趨勢。但沙丘由于地下水埋深大，受降雨影響的地下水位波動幅度與降雨量沒有很好的相關(guān)性。
　　3．選取與凝結(jié)水量密切相關(guān)的MLS變化值為研究對象，結(jié)合地溫分析、分析凝結(jié)水的形成與轉(zhuǎn)化動態(tài)。研究表明，土壤凝結(jié)水的形成與地溫、近地氣溫、相對濕度、風速等氣象要素以及地下水埋深、下墊面條件等因素有著密切關(guān)系。沙丘、草甸兩種地貌形態(tài)日落到日出MLS變化值連通的均比不連通的正值出現(xiàn)的頻數(shù)高，這說明土壤凝結(jié)水中的

8、相當一部分來自土壤下部水汽的向上運移并凝結(jié)的水量。A3樣地比C3樣地MLS變化值出現(xiàn)正值的頻數(shù)高較多，尤其是不連通的情況下高出2.53倍，說明土壤的性質(zhì)也直接影響著凝結(jié)過程的發(fā)生。
　　沙丘等地溫線呈現(xiàn)較一致的向左凸型，這應該是在3-8月氣溫與地表溫度不斷上升的條件下，由于沙地表面存在一定厚度的干沙層，能夠蓄積一定熱量，而地表溫度隨晝夜氣溫的變化而改變，導致地面以下一定深度處的地溫最高且高于地表溫度的現(xiàn)象；在此處形成熱量零通量面，

9、零通量面以上至地表，水汽向上運移，并在有利條件下形成凝結(jié)水。對于C3樣地，在6、7月，近地表空氣相對濕度大，形成凝結(jié)水量更多，C3連通的MLS變化值大。這也反映出空氣濕度的大小決定著大汽凝結(jié)水的多寡。
　　4．根據(jù)氣象、植被、土壤、地下水埋深為數(shù)據(jù)，將SWAP模型用于科爾沁沙地沙丘草甸水分運移模擬，經(jīng)率定和檢驗，結(jié)果較可靠，能夠揭示研究區(qū)GSPAC系統(tǒng)水分運移的各個過程。結(jié)果顯示，在模擬時段無論降雨量多少，沙丘土壤蒸發(fā)量與蒸發(fā)過程

10、沒有太大變化（由于表面存在干沙層的緣故），與之響應明顯的是深層滲漏，次降雨量越大，產(chǎn)生的深層滲漏量越大，因此沙丘有利于涵養(yǎng)水源。在沒有植被的情況下，土壤的水分特征曲線參數(shù)以及飽和導水率對深層滲漏的而影響較明顯；草甸地與沙丘截然不同，水分消耗主要是植被蒸騰，雖然在植物生長中期降雨滲漏補給地下水與地下水向上補給土壤水交替進行，但在植物整個生長期主要體現(xiàn)為地下水向上補給土壤水，進而被植物蒸騰所消耗，模型最敏感的參數(shù)是植被最小冠層阻力、消光系數(shù)