从固体潮角度再思考利用地下水位波动计算蒸散发量

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00234

摘要/Abstract

摘要：

在水文地质研究中，为便捷估算蒸散发量，常采用基于日尺度地下水位波动特征的White法，该方法以植物耗水引发的水位变化为前提。然而，White法依赖的“四大假设条件”在实际应用中存在明显局限性。为评估该方法的合理性，本研究通过分析不同场址的地下水位动态数据，辨析水位波动的内在驱动机制。结果表明：无论裸地还是植被覆盖条件下，地下水位均呈现日尺度周期性波动，说明将水位变化单纯归因于植被耗水缺乏充分依据。进一步分析显示，地下水位波动的周期与固体潮周期一致，指示着地下水位波动受地月引力的驱动。因此，采用White法基于地下水位波动估算蒸散发量存在显著不确定性。本研究从固体潮角度出发，对White法的适用性提出质疑，旨在为相关领域学者提供批判性参考，推动该方法的进一步完善。

关键词: 地下水位波动, White法, 固体潮, 地月引力, 蒸散发

Abstract:

In hydrogeological studies， the White method， which relies on diurnal groundwater level fluctuations， is commonly used for convenient estimation of evapotranspiration. This method presupposes that such fluctuations result primarily from plant water uptake. However， the “four fundamental assumptions” underlying the White method exhibit significant limitations in practical applications. To evaluate the rationality of this approach， this study analyzes groundwater level dynamics from multiple sites to elucidate the intrinsic drivers of water level fluctuations. The results indicate that diurnal periodic fluctuations occur under both bare soil and vegetated conditions， suggesting that attributing water level changes solely to plant water use lacks sufficient basis. Further analysis reveals that the periodicity of groundwater fluctuations aligns with that of Earth tides， indicating the influence of Earth-Moon gravitational forces. Consequently， estimating evapotranspiration using the White method based on groundwater fluctuations entails considerable uncertainty. By questioning the applicability of the White method from the perspective of Earth tides， this study aims to provide critical insights for researchers in related fields and promote further refinement of the methodology.

Key words: water table fluctuation, White method, earth tides, earth-moon gravity, evapotranspiration

中图分类号:

X523

赵明, 刘家琪, 刘威辰, 钟梦婷, 黄佑恒. 从固体潮角度再思考利用地下水位波动计算蒸散发量[J]. 中国沙漠, 2026, 46(3): 275-283.

Ming Zhao, Jiaqi Liu, Weichen Liu, Mengting Zhong, Youheng Huang. Rethinking the rationality of evapotranspiration calculated by using water table fluctuation from the angle of earth tides[J]. Journal of Desert Research, 2026, 46(3): 275-283.

图/表 6

参考文献 45

[1]	王文科，宫程程，张在勇，等.旱区地下水文与生态效应研究现状与展望［J］.地球科学进展，2018，33（7）：702-718.
[2]	卜凡蕊，刘颖，邹学勇，等.中国东部典型沙地植被稳定性与水资源关系特征［J］.中国沙漠，2024，44（4）：111-125.
[3]	White W.A method of estimating ground-water supplies based on discharge by plants and evaporation from soil：results of investigation in Escalante Valley，Utah［R］.US Geological Survey，Water Supply Paper 659.Washington D C，USA：A United States Department of the Interior，1932.
[4]	Carling G， Mayo A， Tingey D，et al.Mechanisms，timing，and rates of arid region mountain front recharge［J］.Journal of Hydrology，2012，428-429（4）：15-31.
[5]	王平，张学静，王田野，等.估算干旱区地下水依赖型植物蒸散发的White法评述［J］.地理科学进展，2018，37（9）：1159-1170.
[6]	张昭栋，郑金涵，耿杰，等.地下水潮汐现象的物理机制和统一数学方程［J］.地震地质，2002，24（2）：208-214.
[7]	李克，赵仲和，宋彦云，等.地震地下流体理论基础与观测技术［M］.北京：地震出版社，2007.
[8]	Troxell H.The diurnal fluctuation in the ground-water and flow of the Santa Ana River and its meaning［J］.Transactions of the American Geophysical Union，1936，17（4）：496-504.
[9]	Gribovszki Z， Kalicz P， Szilágyi J，et al.Riparian zone evapotranspiration estimation from diurnal groundwater level fluctuations［J］.Journal of Hydrology，2008，349（1/2）：6-17.
[10]	Chen X， Song J， Wang W.Spatial variability of specific yield and vertical hydraulic conductivity in a highly permeable alluvial aquifer［J］.Journal of Hydrology，2010，388（3/4）：379-388.
[11]	Fahle M， Dietrich O.Estimation of evapotranspiration using diurnal groundwater level fluctuations：comparison of different approaches with groundwater lysimeter data［J］.Water Resources Research，2014，50（1）：273-286.
[12]	Loheide S， Butler J， Gorelick S.Estimation of groundwater consumption by phreatophytes using diurnal water table fluctuations：a saturated-unsaturated flow assessment［J］.Water Resources Research，2005，41（7）：W07030.
[13]	Rosenberry D， Winter T.Dynamics of water-table fluctuations in an upland between two prairie-pothole wetlands in North Dakota［J］.Journal of Hydrology，1997，191（1）：266-289.
[14]	Martinet M， Vivoni E， Cleverly J，et al.On groundwater fluctuations，evapotranspiration，and understory removal in riparian corridors［J］.Water Resources Research，2009，45（5）：W05425.
[15]	Wang P， Grinevsky S， Pozdniakov S，et al.Application of the water table fluctuation method for estimating evapotranspiration at two phreatophyte-dominated sites under hyper-arid environments［J］.Journal of Hydrology，2014，519：2289-2300.
[16]	Green S， Mcnaughton K， Clothier B.Observations of night-time water use in kiwifruit vines and apple trees［J］.Agricultural and Forest Meteorology，1989，48（3）：251-261.
[17]	Fisher J， Baldocchi D， Misson L，et al.What the towers don't see at night：nocturnal sap flow in trees and shrubs at two AmeriFlux sites in California［J］.Tree Physiology，2007，27（4）：597-610.
[18]	Fan J， Ostergaard K， Guyot A，et al.Estimating groundwater evapotranspiration by a subtropical pine plantation using diurnal water table fluctuations：Implicationsfrom night-time water use［J］.Journal of Hydrology，2016，542：679-685.
[19]	Hays K B.Water use by saltcedar （Tamarix sp.） and associated vegetation on the Canadian，Colorado and Pecos Rivers in Texas ［D］ College Station，Texas，USA：Texas A & M University，2003.
[20]	Soylu M， Lenters J， Istanbulluoglu E，et al.On evapotranspiration and shallow groundwater fluctuations：a Fourier-based improvement to the White method［J］.Water Resources Research，2012，48（6）：W06506.
[21]	Kelvin M L.On the tides［J］.Notes & Queries，1904，（40）.DOI：10.1093/nq/s10-II.40.269-h .
[22]	Darwin G.A new theory of the tides of terrestrial oceans［J］.Nature，1902，66：444-445.
[23]	Jacob C.Flow of groundwater［M］//Rouse H.Engineering Hydraulics.New York，USA：John Wiley & Sons Inc.，1950：321-386.
[24]	Bredehoeft J D.Response of well-aquifer systems to earth tides［J］.Journal of Geophysical Research，1967，72（12）：3075-3087.
[25]	张卉，王广才，史浙明，等.基于地下水位微动态反演含水层水文地质参数研究进展［J］.地质科技通报，2023，42（4）：138-146.
[26]	Mcmillan T， Rau G， Timms W，et al.Utilizing the impact of Earth and atmospheric tides on groundwater systems：A review reveals the future potential［J］.Reviews of Geophysics，2019，57（2）：218-315.
[27]	Ma Z， Wang W， Zhang Z，et al.Avaliando a evaporação do solo nu de diferentes profundidades do lençol freático usando lisímetros e um modelo numérico na Bacia de Ordos，China［J］.Hydrogeology Journal，2019，27（7）：2707-2718.
[28]	王京晶，刘鹄，徐宗学，等.基于昼夜水位波动法估算地下水蒸散发量的研究：以河西走廊典型绿洲为例［J］.干旱区研究，2021，38（1）：59-67.
[29]	张琦，苏永红，冯起，等.以地下水位估算的荒漠河岸胡杨（Populus euphratica）林生态系统地下水蒸散发［J］.中国沙漠，2022，42（6）：243-254.
[30]	Jiang X， Sun Z， Zhao K，et al.A method for simultaneous estimation of groundwater evapotranspiration and inflow rates in the discharge area using seasonal water table fluctuations［J］.Journal of Hydrology，2017，548：498-507.
[31]	李琳，刘鹄，孙程鹏，等.基于地下水位与土壤含水量的地下水蒸散发估算［J］.中国沙漠，2022，42（6）：277-287.
[32]	李洪波，侯光才，尹立河，等.基于改进White方法的地下水蒸散发研究［J］.地质通报，2012，31（6）：989-993.
[33]	Abdalla O A E.Groundwater discharge mechanism in semi-arid regions and the role of evapotranspiration［J］.Hydrological Processes，2010，22（16）：2993-3009.
[34]	Mould D J， Frahm E， Salzmann T，et al.Evaluating the use of diurnal groundwater fluctuations for estimating evapotranspiration in wetland environments：case studies in southeast England and northeast Germany［J］.Ecohydrology，2010，3（3）：294-305.
[35]	Loheide S P， Butler Jr J J， Gorelick S M.Estimation of groundwater consumption by phreatophytes using diurnal water table fluctuations：a saturated‐unsaturated flow assessment［J］.Water Resources Research 2005，41（7）：372-385.
[36]	Butler J， Kluitenberg J， Whittemore O，et al.A field investigation of phreatophyte-induced fluctuations in the water table［J］.Water Resources Research，2007，43（2）：W02404.
[37]	Yue W， Wang T， Franz E，et al.Spatiotemporal patterns of water table fluctuations and evapotranspiration induced by riparian vegetation in a semiarid area［J］.Water Resources Research，2016，52（3）：1948-1960.
[38]	Loheide S P II.A method for estimating subdaily evapotranspiration of shallow groundwater using diurnal water table fluctuations［J］.Ecohydrology，2008，1（1）：59-66.
[39]	Zhao M， Wang W， Ma Z，et al.Soil water dynamics based on a contrastive experiment between vegetated and non-vegetated sites in a semiarid region in Northwest China［J］.Journal of Hydrology，2021，603：1-14.
[40]	Eamus D， Zolfaghar S， Villalobos-Vega R，et al.Groundwater-dependent ecosystems：recent insights from satellite and field-based studies［J］.Hydrology and Earth System Sciences，2015，19（10）：4229-4256.
[41]	杨再兴.海潮波动对滨海地区地下水位的影响［D］.北京：中国地质大学（北京），2011.
[42]	阮传霞.海岸带潮汐效应地下水位动态研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2005.
[43]	王金维.由井水位的固体潮效应反演含水层参数［D］.北京：中国地质大学（北京），2013.
[44]	Zhang P， Yuan G， Shao M，et al.Performance of theWhite method for estimating groundwater evapotranspiration under conditions of deep and fluctuating groundwater［J］.Hydrological Processes，2016，30（1）： 106-118.
[45]	Yin L， Zhou Y， Ge S，et al.Comparison and modification of methods for estimating evapotranspiration using diurnal groundwater level fluctuations in arid and semiarid regions［J］.Journal of Hydrology，2013，496：9-16.

序号	观测井位置	国家	观测井经纬度坐标	海拔/m	数据获取时间	参考出处
1	河西走廊-黑河流域	中国	38°59′12″N，99°51′33″E	1 504	2017年8月	王京晶等(2021)^[28]
2	黑河下游额济纳	中国	41°59′N，101°10′E	921	2014年和2020年6—8月	张琦等(2022)^[29]
3	毛乌素沙地	中国	38°23′27″N，109°11′42″E	1 288	2012年6月	Jiang等(2017)^[30]
4	巴丹吉林沙漠	中国	39°04′15″N，101°34′02″E	1 194	2018年8月	李琳等(2022)^[31]
5	鄂尔多斯盆地苏贝淖流域	中国	38°20′21″N，108°40′23″E	966	2014年8月	李洪波等(2012)^[32]
6	苏丹裂谷盆地	苏丹	17°01′32″S，30°40′11″E	553	2006年8月	Abdalla (2010)^[33]
7	罗斯托克站点	德国	54°03′N，12°10′E	89	2004年10月	Mould等(2010)^[34]
8	堪萨斯州1号	美国	37°03′55″N，97°02′23″W	601	2002年8月	Loheide等(2005)^[35]
9	堪萨斯州2号	美国	37°03′55″N，97°02′23″W	601	2004年9月	Butler等(2007)^[36]
10	内布拉斯加州1号	美国	40°55′31″N，98°20′18″W	790	2014年7月	Yue等(2016)^[37]
11	内布拉斯加州2号	美国	40°55′31″N，98°20′18″W	790	2014年7月	Loheide等(2008)^[38]

序号	观测井位置	国家	观测井经纬度坐标	海拔/m	数据获取时间	参考出处
1	河西走廊-黑河流域	中国	38°59′12″N，99°51′33″E	1 504	2017年8月	王京晶等(2021)^[28]
2	黑河下游额济纳	中国	41°59′N，101°10′E	921	2014年和2020年6—8月	张琦等(2022)^[29]
3	毛乌素沙地	中国	38°23′27″N，109°11′42″E	1 288	2012年6月	Jiang等(2017)^[30]
4	巴丹吉林沙漠	中国	39°04′15″N，101°34′02″E	1 194	2018年8月	李琳等(2022)^[31]
5	鄂尔多斯盆地苏贝淖流域	中国	38°20′21″N，108°40′23″E	966	2014年8月	李洪波等(2012)^[32]
6	苏丹裂谷盆地	苏丹	17°01′32″S，30°40′11″E	553	2006年8月	Abdalla (2010)^[33]
7	罗斯托克站点	德国	54°03′N，12°10′E	89	2004年10月	Mould等(2010)^[34]
8	堪萨斯州1号	美国	37°03′55″N，97°02′23″W	601	2002年8月	Loheide等(2005)^[35]
9	堪萨斯州2号	美国	37°03′55″N，97°02′23″W	601	2004年9月	Butler等(2007)^[36]
10	内布拉斯加州1号	美国	40°55′31″N，98°20′18″W	790	2014年7月	Yue等(2016)^[37]
11	内布拉斯加州2号	美国	40°55′31″N，98°20′18″W	790	2014年7月	Loheide等(2008)^[38]