极端降水事件下水热耦合传输机制及其对昼夜蒸发的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00173

摘要/Abstract

摘要：

降水是驱动土壤水热运移的重要因素，研究极端降水事件下土壤水热运移对干旱区生态系统的可持续发展具有重要意义。本研究选择武威九墩水文试验场作为研究样地，基于蒸渗仪长期观测数据和水文站点气象监测数据，采用Hydrus-1D水热耦合模型模拟分析，揭示干旱区极端降水对土壤水热运移的驱动机制及其对昼夜蒸发的影响。研究结果表明：浅层（0~20 cm）土壤对突发型极端降水的响应剧烈，持续型极端降水对深层（>40 cm）土壤的影响较大；蒸发过程受土壤水势零通量面迁移调控，白天近地表水汽辐合抑制液态水上升，夜间水汽发散促进水汽扩散；40 cm深度以下，当温度梯度<0.075 ℃·cm⁻¹且温度波动<2 ℃时，热缓冲效应显著削弱蒸发驱动力，形成水分滞后补给边界。研究结果可为干旱区极端气候条件下水资源管理提供科学依据。

关键词: 极端降水, 土壤水分, 水热耦合, 昼夜蒸发, 数值模拟

Abstract:

Rainfall is a crucial factor driving the transport of soil water and heat. Studying the transport of soil water and heat under extreme rainfall events is of great significance for the sustainable development of ecosystems in arid regions. In this study， the Jiudun Experimental Field in Wuwei was selected as the research site. Based on long-term observation data from the lysimeter and meteorological monitoring data from hydrological stations， the Hydrus-1D water-heat coupling model was used for simulation and analysis to reveal the driving mechanism of extreme rainfall on soil water and heat transport in arid regions and its impact on diurnal evaporation. The results show that the shallow soil （0-20 cm） responds intensely to sudden extreme rainfall， while the deep soil （>40 cm） is more affected by continuous extreme rainfall. The evaporation process is regulated by the migration of the zero-flux plane of soil water potential. During the day， the convergence near the surface inhibits the upward movement of liquid water， while at night， the divergence promotes the diffusion of water vapor. Below a depth of 40 cm， when the temperature gradient is less than 0.075 ℃·cm⁻¹ and the temperature fluctuation is less than 2 ℃， the thermal buffering effect significantly weakens the driving force of evaporation， forming a lagged water supply boundary. The research results can provide a scientific basis for water resource management in arid regions under extreme climate conditions.

Key words: extreme rainfall, soil moisture, water-heat coupling, diurnal evaporation, numerical simulation

中图分类号:

S152

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图/表 13

图1 研究区示意图注：基于自然资源部标准地图服务网站审图号GS（2019）3333号标准地图制作，底图边界无修改

Fig.1 Schematic diagram of the study area

表1 研究区不同层土壤物理性质

Table 1 Physical properties of different soil layers in the study area

土层/cm	土壤颗粒组成/%			容重 /(g·cm^-3)
土层/cm	黏粒	粉粒	砂粒	容重 /(g·cm^-3)
0~10	20.44	37.08	42.48	1.44
10~20	21.28	36.74	41.98	1.44
20~40	21.06	37.57	41.37	1.50
40~80	20.78	37.58	41.64	1.52

表2 不同层优化后的土壤水力参数

Table 2 Soil hydraulic parameters optimized for different layers

土层/cm	$θ r$ /(cm·cm^-3)	$θ s$ /(cm·cm^-3)	$α$ /cm^-1	$n$	$k s$ /(cm·h^-1)
0~10	0.057	0.39	0.045	1.70	4.24
10~20	0.045	0.41	0.060	2.10	6.20
20~40	0.076	0.41	0.038	1.40	1.80
40~80	0.082	0.44	0.028	1.25	1.20

表2 不同层优化后的土壤水力参数

Table 2 Soil hydraulic parameters optimized for different layers

土层/cm	$θ r$ /(cm·cm^-3)	$θ s$ /(cm·cm^-3)	$α$ /cm^-1	$n$	$k s$ /(cm·h^-1)
0~10	0.057	0.39	0.045	1.70	4.24
10~20	0.045	0.41	0.060	2.10	6.20
20~40	0.076	0.41	0.038	1.40	1.80
40~80	0.082	0.44	0.028	1.25	1.20

表3 情景设置及依据

Table 3 Scenario settings and basis

情景类别	设置	时间（月-日）	日最大降水量/mm	日最大降水时间（月-日）	降水量/mm
情景类别	设置	时间（月-日）	日最大降水量/mm	日最大降水时间（月-日）	第1天	第2天	第3天	第4天	第5天	第6天	第7天
A	突发型极端降水	08-21—08-27	21.6	08-24	0.0	0.0	0.0	21.6	0.0	0.0	0.0
B	持续型极端降水	08-31—09-06	26.3	09-03	1.6	1.0	0.0	26.3	7.5	11.5	0.6
C	基准期	10-11—10-17	0.0	无	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0

图2 率定期土壤含水率和温度的实测值与模拟值

Fig.2 shows the measured and simulated values of soil moisture content and temperature at regular intervals

图3 验证期土壤含水率和温度的实测值与模拟值

Fig.3 Shows the measured and simulated values of soil moisture content and temperature during the verification period

图4 不同深度的土壤水分对极端降水的响应

Fig.4 Responses of soil moisture at different depths to extreme rainfall

图5 土壤基质势在极端降水条件下的时空分布

Fig.5 Spatiotemporal distribution of soil matrix potential under extreme rainfal

图6 土壤基质势梯度在极端降水条件下的时空分布

Fig.6 Spatiotemporal distribution of soil matrix potential gradient under extreme rainfall

图7 土壤温度在极端降水条件下的时空分布

Fig. 7 Spatiotemporal distribution of soil temperature under extreme rainfall

图8 土壤温度梯度在极端降水条件下的时空分布

Fig.8 Spatiotemporal distribution of soil temperature gradient under extreme rainfall

表4 不同深度土壤体积含水率与蒸发量的相关关系

Table 4 Correlation between soil water content at different depths and evaporation

土层/cm	观测日期（月-日）
土层/cm	08-21	08-22	08-23	08-24	08-25	08-26	08-27
10	0.49^*	0.67^**	-0.08	0.67^**	0.21	0.12	0.69^**
20	-0.26	0.21	0.15	-0.34	-0.31	0.11	0.42^*
40	0.37	0.11	0.29	-0.00	-0.26	0.05	0.01
80	-0.04	-0.35	-0.08	0.09	0.03	-0.21	0.43^*

图9 极端降水后的昼夜蒸发变化

Fig.9 Variation of diurnal evaporation after extreme rainfall

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