沙区包气带凝结水资源方法及影响范文

1研究地区与研究方法

1.1研究地区自然概况

研究地区位于毛乌素沙漠西北部，鄂托克旗乌兰镇东18km处，毛乌素沙区天然柳湾林自然保护区内。地理坐标北纬39°11′，东经108°07′，平均海拔1436m，年均降水量271mm，蒸发量2562mm，空气相对湿度年均40%～45%，年均气温6.4℃，最高气温可达38.7℃，最低气温-35.7℃，流沙地表最高温度达68℃，研究地区潜水位埋深0.8～11m，低洼沙柳林内有泉水出露，现已断流。研究区面积为216hm2，流动沙丘占总面积的3/5，最高新月型沙丘高23.6m。

1.2研究实验方法项目定位观测点，布置在23.6m高的新月形沙丘迎风坡，沙丘和沙地布置对比观测点，其中，低温观测点设计18个。每个观测点分别在0～1、5、10、15、20、30、40cm各深度埋曲管低温计，前20d每2h观测地温。沙层含水率观测剖面计3个，每个剖面分层为0～5，5～10，10～15，15～20，20～25，25～30，30～40cm分别取样，现用称重测试含水率，每4h取一次样，20d后6h取一次样，并在实验室作凝结水形成模拟实验，验证野外测试数据及不同环境条件对凝结水形成的影响。

2结果与分析

2.1日气温、地温变化规律

据6月15～30日连续观测气温和不同深度地温数据统计表明：流动沙丘地区的日气温出现在12～13时。平均气温38.2℃，最低气温出现在4～5时，只有13.1℃，日气温差达24.5℃，详见表1。沙丘表面（0~1cm）的日地温差更大，最高地温出现在12～13时，平均地温64.9℃，而在4~5时为最低，温度只有13.9℃，日地表温差高达50.8℃。日地温变化深度可达地下30cm，地表以下5cm深度日地温差为29.9℃；-10cm深度日地温差为11.1；-15cm深度日地温差为8；-20cm深度日地温差为6.8；到-30cm深度，日地温差只1.3℃；在-40cm深度地温稳定在20℃左右。地温变化深受光照制约。地温变幅随深度衰减，地温变化滞后于气温变化，从地表至-30cm处，滞后时间为1～2h，所有研究结论基本一致。

2.2沙区凝结水形成时空变化规律

将流沙区不同深度各沙层的含水率列于表2，从中明确指出，凝结水形成的垂直剖面上的日变化规律和随时间上变化规律。凝结水量垂直变化规律如图2所示。从表2中可以看出，5cm深度内含水量仅有0.61%，从8cm深度含水量明显增加，到10cm增加到7.1%，12cm深度含水量增加至8.82%，15cm略有下降，下降8.4%，20cm深度含水量减至4.05%，30cm深度只有2.65%。可见从8~18cm深度为凝结水富集带，以悬浮毛管水形式常年存在，在冬季化为冻结滞水，其上下部均为干旱层，故称其为湿沙层。与流动沙丘沙地的地层内见不到测不出湿沙层，是因为水分凝结形成后随即被植被根系吸收所致。流沙区包气带内凝结水富水带的存在，是治沙先锋树种用水的重要来源。到目前为止，国内外所有研究沙地凝结水专家学者所发表的论文中均未提及1~20cm湿沙层的存在与凝结水形成的机理相吻合。

2.3沙区凝结水形成时间及动态特征

根据实测不同深度沙层水量随时间变化数据，制作不同深度沙层含水率随日时间变化。日变化为：20h开始出现凝结作用，到22h凝结水率增加0.15%，次日4～5h凝结水率达到全日最高为1.18%~1.20%，到6h凝结作用开始消失，8h的凝结水率为1.03%，减0.17%，证实蒸发作用开始并逐渐加强，到18～19h达到全日含水量最低值0.20%。全日平均含水率为0.61%，含水率日差为1%，即沙层内日凝结水率。在15cm深度沙层含水率动态变化，滞后5cm层含水率动态变化近1h，凝结水量增加，常年保持凝结水。此带于每日20～21h左右出现凝结作用，到22h沙层含水率达7.9%，提高0.13%。此层日含水率平均为8.48%。日差为1.77%为日变动凝结水率。在30cm深度沙层内凝结作用动态较迟缓。每日21h出现凝结作用，较上层滞后1～1.5h。到22h沙层含水率达2.26%,到次日7～8h达到全日含水率最高峰3.21%,此后含水率下降，12h为3.14%，到18～20h含水率降到全日最低点2.19%。全日平均含水率为2.65%。日含水率为0.51%。在研究测试中并对照现有资料发现，不同气候区、不同地貌类型及部位，潜水埋深（包气带厚度），沙层的粒度和矿物质组等，对包气带凝结作用均有影响。因此，在同一深度内不同时、日、月所测试的含水率都有差异。所以，文中的气温、地温、含水率均采用15h统计的日平均值，不同于已搜集论文单一测试数据。

2.4沙区包气带凝结水形成机理

由于空气、地层的温度梯度、生产露点，在地层内孔隙中的气态水凝结成液态水，与多数学者、专家观点一致，但用凝结势（热力学势）更好些。凝结水形成后，以弱结含水为和悬浮毛管水形式存在于日地温变化带内，积极参与日水循环，流动沙区迎风坡凝结水富集带（湿沙层）形成机理在于日出至日落（6～20h）太阳辐射势由弱到强再减弱，在12～13h气温（1.5m高处）高达40℃左右，地表（0～1cm）温度高达近70℃，远远高于地表以下地温；在水气压作用下，水气随空气由低温处向高温运移，即形成地面蒸发，到18～20h，30cm深度以上沙层，含水率降至最低点2.19%。14h后随太阳辐射热能减弱，地表砂粒散热加强，地温、气温逐渐降低，到22h左右，气温和地表温度低于以下沙层温度5.1℃，从22h至次日5～6h，8cm以下至20cm地温高于地表和20cm以下地温，20cm以下的水气压大于8～20cm沙层的水气压，空气以上向下和从下向上运移，在此较高地温带形成冷势相遇，即达到露点，形成较多的凝结水。又因上部有8cm左右干沙层的减温蒸发作用的保护所致。在所搜集到的资料中均未提及包气带凝结水富集带及形成机理。也有学者论证：7～16h温度梯度向下，水气往地下运移，10～30cm处含水率增加，而16～17h温度梯度向上，水气向地表运移，土壤中的含水量减少。与水气压由高向低运移结论相反。

2.5沙区凝结水的形成及数量与环境的影响

沙区包气带凝结水的形成、数量多少及水资源作用，深受自然环境各因子影响。其中，气候因子占主导作用。如，光、热、气、水等因子的时、日、季、年变化，直接影响凝结水形成和数量，植物覆盖度与种类，地貌类型和部位，地表和地下地层的粒度组成、矿物成分组成，潜水埋深及矿化度因子均对凝结水形成、转化、保存有着不同程度的影响。不同专业学者、专家从不同角度均有所论述，在此不再赘述。

3结论与讨论

流动沙丘地区的日气温温差大，沙丘表面（0~1cm）的日地温温差更大，随着深度的变化，地温差逐渐减少，最高气温及最低气温出现时间也比地表至地下10cm气温变化延迟1~2h。流动沙丘沙地内凝结水垂直分布与布局具有独特性。从8~18cm深度凝结水富水带，以悬浮毛管水形式常年存在，在冬季转化为冻结滞水，其上下部均为干旱层，故称为湿沙层。与流动沙丘沙地的地温变化规律是一致的，是沙区植被生存、繁衍重要的水资源。根据实测不同深度，沙区沙层水量随时间变化数据在15cm深度沙层含水率动态变化，滞后5cm层含水率动态变化近1h，常年保持凝结水。在30cm深度沙层内凝结作用动态较迟。

作者：吴美荣赵金柱施明利单位：内蒙古阿尔山林业局森林调查设计大队内蒙古大兴安岭阿尔山旅游开发有限责任公司