关键带水热变量对地下水埋深响应机制模拟研究

Although it is well known that groundwater can have considerable effects on climate change by influencing exchanges of water and heat between the soil and atmosphere, these mechanisms are seldom considered or totally neglected in most of land surface models and climate models. To solve these issues, we plan to develop the physical experimentation platform of the continuum of groundwater-vadose zone-atmosphere to conduct a series of experiments in the framework of critical zone under different atmosphere, soil type and vegetable conditions in the laboratory and the field. A mathematical model which includes effects of the coupled transfer of soil water and heat, evaporation and condensation processes, and exchange of water and heat between the groundwater, vadose zone and atmosphere in the earth’s critical zone will be built, and will be calibrated and evaluated by the obtained experimental data. Then, a series of numerical experiments will also be conducted for different atmosphere, soil type and vegetable conditions. Based on results of the laboratory and filed experiments and numerical simulations, mechanisms of the coupled transfer of soil water and heat movement under different transport mechanisms, of evaporation and condensation, and of the effects of groundwater on water and hear variables in the critical zone will be obtained, and the critical depths of groundwater will be given for different conditions. This study will improve the knowledges of the evolution mechanism of the earth’s critical zone and the relationship between groundwater and climate change, and will give a strong support for groundwater exploration and management applications.

地下水可以通过影响陆气间水分与能量交换，从而对近地表气候产生重要影响，但该影响机制在当前陆面过程与气候模式中常被忽视或简化。针对该问题，本课题拟以关键带为框架构建地下水-包气带-大气连续体物理模拟平台，开展室内可控大气条件与田间复杂大气条件下不同气候背景、土壤与植被类型条件下物理模拟实验，同时构建反映关键带内水汽热耦合运移过程、蒸发与凝结过程、以及地下水与包气带和大气之间水热交换过程的数值模型，并利用实验数据校准与验证数值模型，进而开展不同条件下的数值模拟实验。通过室内实验、田间实验与数值模拟成果，揭示不同水热传输机制作用下的水汽热耦合运移过程机理、土壤水分蒸发与凝结过程机理、地下水位埋深变化对于关键带水热变量的影响机理等，同时给出不同环境条件下地下水临界埋深。研究成果有助于加深对地下水与近地表气候变化关系以及关键带演化过程的认识，也可为地下水开发利用与保护管理工作提供技术支撑。

关键带中地下水可以通过影响陆气间水分与能量交换，从而对气候变化产生重要影响，但该影响机制在当前研究中常被忽视或简化。本项目通过开发反映关键带水汽热耦合运移的室内与田间实验系统，以及构建考虑大气强迫与地下水埋深变化驱动下关键带水汽热耦合运移、蒸发与凝结的数值模型，以此来分析与评价关键带内地下埋深变化对包气带与陆气界面过程的影响。主要内容与成果包括：.（1）开发室内实验平台，用于模拟地下水埋深变化条件下包气带水汽热耦合运动过程。通过分析试验观测数据和开展数值模拟来研究：1）地下水埋深恒定情况下，包气带内不同机制作用下的水分运动过程；2）土壤干化中的水分蒸发和凝结过程及其内在的水分转化过程；3）在室内简单大气边界条件下，土表温度与地下水埋深之间的关系。.（2）利用田间实测含水量与地温数据，通过耦合模型模拟田间复杂大气边界和地下水浅埋条件下，一年周期内包气带水汽热耦合运动过程，在此基础上，进一步分析：1）不同驱动机制作用下的水分通量与热量通量的季节性与昼夜演变过程；2）在不同的时间与空间尺度下，不同驱动机制对于水热传输的主导程度。.（3）模拟土壤干化过程中的土水蒸发过程，以此来分析：1）蒸发过程中不同水分机制之间的转化机理；2）蒸发区和干层的形成和时空演化过程；3）凝结区产生的深层原因和演化机理。.（4）以不同地下水埋深的蒸渗仪为背景，通过模拟结果来评价：1）地下水埋深变化对于土表含水量、土表温度、以及陆-气之间水汽通量、辐射通量和热流通量等的影响：2）在此基础上，确定这些变量随地下水埋深增加的变化规律，并确定地下水埋深临界深度，进一步揭示水位下降对于陆面过程和气候变化带来的可能影响。