土壤水分的运动是与土壤中水势能的分布有关 ,主要受基模势变化的影响。通常的分析往往只考虑基模势与土壤含水量的关系 ,即 φ=φ(θ) ,从热力学理论来看 ,水分的能量与其热状态有关 ,也就是说土壤水分的运动不仅仅是因含水量布的差异引起的势能分布不平衡形成的 ,同时 ,温度场的变化也能引起势能不平衡 ,是导致土壤水运动的主要原因之一。因此 ,温度日周期性变化和年周期性变化在一定程度上影响土壤含水量的垂向分布 ,同时也影响到地下水位的日变化和年变化。1 温度变化对土水系统能量状态的影响1 .1 水的热性质与土水势的关系自由水的温度增加时 4℃以上水的密度减小 ,水体膨胀 ,水体水分子的自由能增加 ,水的表面张力系数随温度的增高而变小 ,当温度在 5～ 3 5℃之间变化时 ,表面张力系数 σ可由下式来表达σ =(75 .6 4 - 0 .1 5 t) 1 0 -3 N/m (1 )式中 :t为温度表面张力的这种变化特点 ,从毛管水系统来说 ,同样管径的毛管 ,在温度低的水中 ,其上升高度要比温度高的水中大 ,这种现象的解释可以毛管上升高度与表面张力系数和关系来表达h =2σρgr (2 )式中 :h为毛管上升高度 ;ρ为水密度 ,g为重力加速度 ;r为管径。尽管温度升高时密度小 ,但密度的减少是非常有限的 ,随着温度的升高和表面张力的减小 ,毛管上升的高度相应变小。对土水系统来说 ,由于温度升高使水分自由能增加 ,土壤基质对水分的吸力减小 ,土壤水分的能量增加 ,因此 ,土壤基模势不但同含水量有关 ,而且同温度有关 ,即φ=φ(θ,T)。1 .2 温度变化对封闭系统的势能分布和水分运动的影响对于封闭的土水系统来说 ,当土柱侧壁与空气无热交换并呈恒温情况下 ,土壤水分势能则呈平衡状态 ,即土柱中的水分不发生运动 ,以地下水面为基准面时 ,取 z为向上的纵坐标 ,此时重力势 φg=z,基模势 φm(θ) =- z,总势 Φ=0。当土柱上端有热量输入时 ,土柱系统的平衡状态受到了破坏 ,由于温度梯度的形成 ,上端温度升高 ,土壤水分的基模势和总势变大 ,产生了向上的势能梯度 ,在这种情况下会产生向下的水分通量 ,顶部含水量变小 ,地下水位抬高 ,土壤水分运动的结果达到了新的平衡。当顶端温度降低时 ,由于失热使上层的水分势能变小 ,平衡遭到破坏 ,产生向下的势能梯度和向上的水分通量。这样的平衡、运动、平衡的过程是随着上边界的热量输入和输出而变化的。运动的结果一方面改变了含水量的分布特征 ,另一方面引起了地下水位的变化。封闭系统中的土壤和潜水之间的水分交换可以说主要是受上边界的温度变化控制的。2 土壤温度及含水量变化过程分析2 .1 实验设施为了探讨温度变化对土壤水运动及土壤水与潜水间交换的影响 ,在河海大学水资源开发利用国家专业实验室徐州汉王野外实验基地进行了实验、研究 ,其具体设施有南北两个实验场 ,气象观测场和1 3个大型地中蒸渗仪 ,3个实验地块等。蒸渗仪的概况见表 1。观测项目有气象要素、地温、土壤含水量、土水势、潜水蒸发、潜水补给 ,地表径流等。表 1 蒸渗仪概况项 目 南场 (蒸渗仪号 )北场 (蒸渗仪号 )1、10 2、93、84、75、6 12 3表面积( m2 ) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 10 .0 10 .0 10 .0地下水埋深 ( m) 0 .5 1.5 1.5 2 .5 3.5 1.0 2 .0 5 .02 .2 土壤温度变化及传递规律分析为了研究土壤温度的变化和垂向分布规律 ,在南场有膜覆盖的 3、4、5号测筒和无覆盖的 6、7、8号测筒观测了地表、5 cm、1 0 cm、1 5 cm、2 0 cm、深度的温度变化过程 ,北场地块分地膜覆盖、秸杆覆盖和裸土3种不同种植方式的地温观测、裸土最大测深达3 2 0 cm。土壤温度的日变化是与太阳辐射、日照、气团活动等要素有关 ,3月份和 5月份的观测结果表明 ,温度的分布和变化规律直接与太阳辐射有关 ,从日过程线来看 ,1 0～ 1 8h土壤上层的温度大于下层温度 ,具有向上的温度梯度 ,2 2时至次日 6时下层温度大于上层温度、有向下的温度梯度。向上温度梯度最大的时刻在 1 4时左右 ,而向下温度梯度最大的时刻在6 h左右 (见图 1 )。实验表明 ,埋深 40 cm以上的土层为热量强烈交换层 ,其温度过程同气温一样具有日变化规律 ,40～ 80 cm处相当于温度变化的过渡层 ,温度变化无明显的日变化规律 ,而 80～ 3 2 0 cm,土壤温度仅有年变化规律。2 .3 地面土壤含水量变化及含水量垂向分布变化分析在天然条件下 ,无地面入渗补给时 ,随着土壤蒸发的发生 ,地面含水量呈单向减少 ,但从实验结果来看 ,地面含水量的变化也具有日变化规律 ,而且与地面温度的变化过程有相反的关系。图 2为北场大田的实验观测结果。 3月 2 3～ 2 6日均是晴天 ,地面温度日变幅达 40℃ ,地面含水量低值期发生在地温峰值过程的 8～ 1 8h;而含水量高值则发生在地温谷值过程的 2 0时至次日 6时。从含水量的垂向分布来看 ,一天中不同时刻的含水量垂向分布是与土壤温度的垂向分布及变化规律有关。表 2是 3月 2 5日地南场 3、4、7号蒸渗仪观测的含水量垂向分布 (3号和 4号蒸渗仪为地膜覆盖 ,7号蒸渗仪无覆盖 )。从含水量的垂向分布及变化可以看出 ,随着温度的日变化 ,整个土层的含水量也有周期性的变化规律 ,反映了由于温度梯度的变化所引起的能量梯度的变化而导致的土壤水分的运动。实验结果表明 ,无地面水分补给时 ,土壤中的含水量的变化与地温的日变化有关 ,土壤水的热运动是土壤层向蒸发面供水的最重要的因素之一。2 .4 温度梯度变化对土壤水和浅层地下水交换的影响在一般的分析中 ,认为浅层地下水的补给或蒸发完全是由于地面水的补给或地面蒸发引起的。但从实验结果来看 ,无论有无地面补给或蒸发 ,土壤水和浅层地下水之间的水分交换现象通常总是存在的 ,在实验观测中发现有以下几种现象 :(1 )在有地面入渗补给的情况下 ,地下水埋深大于 2 m的土壤中土壤水和潜水之间存在着双向交换 ,即在降雨补给的日子里可以观测到潜水补给和潜水蒸发 ;(2 )在长时间无地面水补给的条件下 ,几乎每天都可以观测到潜水补给过程和潜水蒸发过程 ;(3 )完全隔绝土壤表面与外界水分交换情况下 ,也可观测到潜水补给土壤水的过程。5号蒸渗仪地面为地膜全覆盖 ,土壤表面无蒸发和下渗补给 ,在这种封闭系统中 ,土壤水的运动并没有停止 ,土壤水与潜水的交换也呈现日变化 (见图3 )。在白天地温升高的时段内 ,地面接收热量 ,地面土壤水分势能增大 ,具有向上的温度梯度和势能梯度 ,水分运行的方向与势能梯度的方向相反 ,土水系统中具有向下的水分通量 ,潜水面因而受到土壤水的补给。在土、水系统能量平衡的过程中 ,当发生地面气温下降、土壤表面失热时 ,地表土水系统能量变小 ,继而又形成向下的温度梯度和势能梯度 ,因而形成向上的水分通量 ,潜水补给土壤水。土壤水和潜水的交换同温度的周期性变化有关 ,而交换量的大小随温度、地下水埋深、土壤含水量、土壤特性及季节等要素而变。从潜水蒸发的时间来看 ,通常发生在低温夜间 ,而不是在高温的白天。相反 ,在地面土壤蒸发最强烈的白天 ,潜水反而受到了土壤水的补给。在地面无覆盖的蒸渗仪中、这种双向补给的现象也是普遍存在的。表 2 3月 2 5日土壤含水量垂向分布变化情况 (体积含水量 )测点深( cm)3号筒 ( 1.5 m ) 4号筒 ( 2 .5 m ) 7号筒 ( 2 .5 m)8:0 0 14 :30 2 0 :0 0 8:0 0 14 :30 2 0 :0 0 8:0 0 14 :30 2 0 :0 00 30 .830 .830 .830 .82 8.0 30 .811.2 7.312 .610 2 7.42 7.2 2 7.5 2 8.2 2 6 .42 5 .82 4.6 2 4.0 2 4.230 30 .42 9.930 .82 8.6 2 7.32 7.7 2 7.82 7.6 2 7.75 0 32 .932 .332 .5 2 9.2 2 7.82 7.7 2 9.82 9.0 2 8.870 34.334.0 33.42 8.0 2 9.6 2 9.2 2 7.6 2 7.92 8.990 36 .836 .5 36 .2 2 9.42 8.6 2 8.32 8.42 8.2 2 9.312 0 41.14 1.2 40 .330 .431.0 30 .82 9.7 2 9.32 9.114 0 40 .440 .14 0 .615 0 31.330 .5 30 .831.7 31.6 30 .8180 35 .6 32 .7 33.434.2 34.333.52 10 38.2 38.438.7 37.137.0 36 .92 40 40 .6 38.838.7 37.138.6 38.3 注 :土壤含水量除地表用称重法外 ,其余均用中子仪法测得。图 1 1994年 3月 2 4日北场大田地温垂向分布及变化过程 土壤系统温度的日变化规律和土壤水与潜水日交换规律产生的直接的水文现象是浅层地下水位的日变化规律 ,可见浅层地下水位日变化的主要影响因素是地表温度日变化图 2 1994年 3月 2 3日～ 2 5日北场大田 (裸土 )地面温度和含水量过程图 3 南场 5号蒸渗仪 1994年 3月 2 3日～ 2 5日地面温度、土壤水与潜水交换过程图 4 北场 1、2、3号蒸渗
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