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1、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
2、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、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
3、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： = B （P P ）（2-3-1）1 0 1 0式中： 1稳定蒸发阶段土壤水分蒸发强度（m3/d m2或m/d）；B0质量交换系数，与外界条件有关；P1土壤表层的水汽压力（Pa）；P 大气中的水汽压力（Pa）。0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
4、；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
5、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）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 = -E exp2 x 10-4（h - h ） h h hp0e式中：h 表土以下10cm处负压值（Pa或mmH2O）；02h 临界负压值，即相当于土壤田间持水率的负压值（Pa或mmH2O）
6、；e2E 蒸发力或潜在蒸发强度，常用水面蒸发强度E表示（mm/d）；p0E表土蒸发强度（m m/d）0（2）以表土蒸发强度与水面蒸发强度之比E/E0 （即为蒸发系数）与表土含水率8 （表 土以下10cm处）关系表示的经验公式234：10 0E / Ec（2-3-3）0 a0 + b0 909 90(2-3-7)以下时（包括于土层形成前后），蒸发C(2-3-8)式中：a，b， c， D 均为试验常数；9 形成干土层时蒸发面含水率。0上式表明，在土质相同且外界蒸发条件基本不变的条件下，土壤蒸发强度在形成干土层 前，受土壤表层含水率制约；在形成干土层后，土壤蒸发强度主要受干土层厚影响25。由于干土层
7、形成可抑制土壤水蒸发，在农业生产中可采用中耕松土等措施，促使表土干 土层形成，达到抑制土壤蒸发的目的。第二节 潜水的稳定蒸发在地下水位保持相对稳定的情况下，当外界蒸发条件保持不变，土壤水分蒸发强度与地 下水补给量达到平衡时，地下水面以上土层中土壤水分运动达到稳定状态，此时的土壤水蒸 发等于潜水蒸发。这种情况常发生在河流、长期输水渠道、平原水库两侧和水稻田附近。这 种地区如果地下水矿化度较高，则含盐的地下水随着土壤水分蒸发不断向上补给，盐分将在 表层积累，促使向土壤盐碱化发展。在地下水埋深较浅地区，潜水蒸发将达到很大数量，在 水量均衡中占有不可忽视的地位，因而研究土壤水分稳定蒸发问题具有十分重要
8、意义。一、均质土的土壤水稳定运动均质土的稳定蒸发问题，W. R. Gardner在1958年已求得理论解27。在土壤水分稳定 运动情况下，表土蒸发与土壤水流量相等，即k(9dH、dz丿7 d( h + z)7 ( dh=k= k I 1dzv dz 丿(2-3-9)式中： 表土蒸发强度;q土壤水流量；k一水力传导度；z垂直坐标，自地下水面算起，向上为正。自式（239）对 z 求解得：(2-3-10)方程（2 3 10）可根据某些k与h关系式进行积分，即可求得zh关系式。如前述 水力传导度与土壤负压的关系式可写作以下一般形式：(2-3-11)(2-3-12)ahn + bk ae -ch式中：a
9、、c为常数；a值为土壤饱和时的渗透系数，将式（2 3 11）、式（2 3 12）代入式（23 10）后积分，即可求解。2W. R. Gardner】27根据n=1， 3，2，3，4分别求得了地下水在固定埋深时，稳定状态 下土壤负压和高程的关系式。例如在n=2时：Z-Jdh1 +(2-3-13)8令a 代入上式:adhah2 + ab +1ah2 + |3(2-3-13)公式中的0 ab +1，上式积分后得:1tan -1va0(2-3-14)式中，C为积分常数，自边界条件确定。例如，在地下水面处z=0， h=0代入式（2314）得c = 0,所以式（23 14）可 写作：tan -1N0(2-
10、3-14)上式中除负压h夕卜，表土蒸发强度也为未知值，若已知表土蒸发强度，则可求得a,卩值，自式（2314）求得任一点z时的负压。若表土蒸发强度未知，而已知表面z=d时的负压hd，代入式A”14)得:d =1tan -1Ip A?-三 d +1I a ( a丿(2-3-14”)n=1 时，将上式用试算法推求表土蒸发强度，然后代入式(2 -3-14)求得Zh值。 根据上述同样的方法可求得n=1，2，3，4时地下水面以上zh关系式z = ln Cxh + 0 )+ ca(2- 3-15)n=时,1 In6Y2广I 丫 h + 丄 tan -1 +凤仏3(2-3-16)式中丫3n=3 时，lna I
11、 6耳 2(q + h )2耳2 +qh + h2Jlnn=4 时，1 4p3J21+tan -1耳2.3(I、h 2 + phj 2 + p 2、h 2 - phV2 + p 2 丿1+tan -12p3 .：2(P-h 2 丿(2-3-17)(2-3-18)式中， p4 = 0 /a 。当k = ae -ch时，代入式2310)积分得：h - C ) z = h 一一 ln 七 + s ech + c c1式中，勺为积分常数，根据边界条件而定。当蒸发量达到潜水蒸发极限值时，负压值较大，在k2-3-19)a式中hn远大于b值，在hn +b近似计算中，可忽略b值，此时(2-3-14)式中的0沁1。Ltan
