文献分享：基于干旱区蒸渗仪实验数据日变化估算地下水日蒸散量

 

研究背景

目前，地下水蒸散（ETg）的计算方法包括使用蒸渗仪进行直接测量。蒸渗仪实验能够直接测量 ETg ，精度较高 。许多研究人员设计了各类蒸渗仪实验来评估 ETg 。例如，蒸渗仪已被用于计算不同作物的蒸散量、对比不同地下水埋深下相同灌溉处理的 ETg 速率，以及评估不同地下水位下裸地的蒸发量。

在当前利用蒸渗仪开展的 ETg 研究中，重点在于在特定实验设计下测量并对比 ETg 。然而，蒸渗仪在大规模 ETg 评估方面存在局限性，因为它们需要大量设备，使得实验成本高且耗时。

怀特（1932 年）基于观测到的地下水位规律性动态变化，提出了一种利用地下水位日波动估算地下水蒸散（ETg）的计算方法。该方法所需数据简单，且计算精度随地下水位监测水平的提高而提升，因此更适用于大规模、长期的 ETg 估算。

式中，ETg_white为地下水日蒸散量（毫米/天）；Sy为含水层给水度（无量纲）；r为 0:00 - 04:00 时段地下水净恢复速率，即地下水位每小时上升或下降的速率（毫米/小时）； Δs为当日地下水位净变化量（水位下降为正，上升为负，毫米） 。

然而，该公式所依据的假设在实际应用中引入了相当大的不确定性，误差主要源于地下水恢复速率r和给水度Sy的确定。许多研究人员已开发出不同方法来优化这些参数。此外，近期研究表明，包括怀特法在内的地下水位波动法往往会低估实际的 ETg 值。不过，现有大多数研究都聚焦于方法间的相互比较，而非用实际测量数据对其进行验证。 

蒸渗仪法能提供定量结果，可用于验证怀特法的假设。本研究旨在优化怀特法中补给速率时段的选取，以提高 ETg 预测精度，并量化与实际 ETg 相比的误差范围。

研究方法：

本研究在阿克苏绿洲农业生态系统国家观测研究站（ANS）使用了一组大型自动补水式蒸渗仪。土柱的横截面积为 1 平方米，高度为 2 米。蒸渗仪的土柱与补水水柱相连，使其能够通过土壤蒸发、植物蒸腾和土壤水分下渗消耗水分。补水装置会自动补偿消耗的水量，并将补水水柱高度维持在设定的目标水平。

为模拟干旱区不同地下覆盖情况和地下水埋深下植物蒸腾与土壤蒸发的规律，本实验按不同地下覆盖情况分为三个主要组。在 A 组和 B 组的土壤表面，分别种植 4 株胡杨和 4 株柽柳幼苗，C 组作为裸地对照实验。实验于 2023 年 8 月 1 日至 8 月 30 日开展，三组的地下水埋深分别控制在 0.7 米、1.1 米和 1.5 米。实验设备每小时自动采集土柱重量以及水柱补水和消耗数据，监测不同地下水位和植被覆盖条件下土柱重量的变化。

本实验数据表明，土柱重量随时间变化的曲线与怀特法所示的地下水位变化曲线一致，由补水补给和蒸发消耗导致的土柱重量日变化，能间接反映地下水位的日变化。

因此，用土柱重量变化来替代地下水位波动。假设在两个时刻（间隔为 t）采集土柱重量 —m2和m1（对应水位为h2和h1），优化后的怀特公式：

式中Δ m为当天土柱重量的净变化量（减重为正，增重为负，mm）。

利用 2023 年 8 月 2 日至 8 月 30 日采集的每小时重量数据，计算了每日 ETg。

主要结论：

1、       ETg的日变化：

实验结果表明，裸地的蒸散量符合常规规律，即地下水埋深越大，蒸散速率越低。相反，由于植被覆盖条件存在差异，胡杨和柽柳的蒸散速率呈现出相反的趋势，意味着地下水埋深越大，蒸散速率越高。对于这两种耐旱物种而言，较浅的地下水埋深未必与更高的蒸腾速率相关。在此次研究中，地下水埋深为 1.5 米处的植物对地下水的消耗量最高。

2、       ETg的组成和水文分割

本研究设计了干旱区裸地和典型植被在不同地下水位埋深下的蒸发与蒸腾实验。将不同地下水位埋深下胡杨（P. euphratica）和柽柳（T. ramosissima）的总蒸散量，减去对应埋深下裸地的蒸发量，作为植物蒸腾量，通过计算测量结果直接定量确定蒸散的水文分割。结果显示。随着地下水位埋深增加，蒸腾 / 蒸散占比上升，进一步表明总蒸散量的增加是由植物蒸腾导致的 。

3、       用于评估地下水蒸散（ETg）的怀特法

将 ETg_w (20 - 4)、ETg_w (0 - 4) 和 ETg_w (20 - 8) 与观测到的 ETg（ETg_obs）进行线性拟合，结果表明，用于估算地下水恢复速率的夜间时段越长，计算出的 ETg 值与观测到的 ETg 越接近。对胡杨（P. euphratica）进行线性拟合后，R² 值在 0.70 - 0.85 之间；对柽柳进行线性拟合后，R² 值在 0.77 - 0.85 之间，表明与观测到的 ETg 存在较强的线性关系。在相同植被覆盖条件下，地下水埋深越大，植被蒸腾在总 ETg 中所占比例越高，采用怀特法计算的相对误差越小，估算值也更接近实际 ETg 值。

本文中使用的自动补水称重式蒸渗仪可以参照澳作公司的SoilScope控制型蒸渗实验系统，该系统既可人为设定蒸渗罐体内的水位，得到实时潜水蒸发量，也可自动记录水分、水势的瞬时值，在与大田水势梯度一致的情况下，得到罐体内的土壤水动力学参数，水位变化量、渗漏量。

配置恒水位控制系统同时控制罐体内部水位和大田地下水位，自动跟踪大田水位，保持罐体内水位与大田的地下水位在相同的水平。自动水位调控方式，相当于把罐体内的地下水位与大田地下水位连通，用于模拟自然的田间水分状况。

SoilScope系统底部的地下水连通器可实现底部的注水或排水，且质地坚硬，能承载数十吨重的土体重量。