Estimation of bare soil evaporation for different depths of water table in the wind-blown sand area of the Ordos Basin, China

Abstract

Soil surface evaporation is a significant component of the hydrological cycle, occurring at the interface between the atmosphere and vadose zone, but it is affected by factors such as groundwater level, soil properties, solar radiation and others. In order to understand the soil evaporation characteristics in arid regions, a field experiment was conducted in the Ordos Basin, central China, and high accuracy sensors of soil moisture, moisture potential and temperature were installed in three field soil profiles with water-table depths (WTDs) of about 0.4, 1.4 and 2.2 m. Soil-surface-evaporation values were estimated by observed data combined with Darcy’s law. Results showed that: (1) soil-surface-evaporation rate is linked to moisture content and it is also affected by air temperature. When there is sufficient moisture in the soil profile, soil evaporation increases with rising air temperature. For a WTD larger than the height of capillary rise, the soil evaporation is related to soil moisture content, and when air temperature is above 25 °C, the soil moisture content reduces quickly and the evaporation rate lowers; (2) phreatic water contributes to soil surface evaporation under conditions in which the WTD is within the capillary fringe. This indicates that phreatic water would not participate in soil evaporation for a WTD larger than the height of capillary rise. This finding developed further the understanding of phreatic evaporation, and this study provides valuable information on recognized soil evaporation processes in the arid environment.

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L’évaporation à la surface du sol est. une composante importante du cycle hydrologique, qui se manifeste à l’interface entre l’atmosphère et la zone vadose mais qui est. influencée par des facteurs tels que le niveau de l’eau souterraine, les propriétés du sol, le rayonnement solaire et d’autres facteurs. Afin de comprendre les caractéristiques de l’évaporation du sol dans les régions arides, une expérience de terrain a été conduite dans le Bassin d’Ordos, en Chine centrale et des capteurs de haute précision de l’humidité du sol, du potentiel d’humidité et de la température ont été installés au champ au niveau de trois profils de sol, avec des profondeurs de nappe (WTDs) d’environ 0.4, 1.4 et 2.20 m. Les valeurs de l’évaporation à la surface du sol ont été estimées d’après les données observées, combinées avec la loi de Darcy. Les résultats montrent que (1) le taux d’évaporation à la surface du sol est. lié au taux d’humidité et est. également affecté par la température de l’air. Lorsqu’il y a une humidité suffisante dans le profil de sol, l’évaporation du sol augmente avec la montée de la température de l’air. Pour une WTD supérieure à la hauteur d’ascension capillaire, l’évaporation du sol est. dépendante du taux d’humidité du sol et quand la température de l’air est. au-dessus de 25 °C, le taux d’humidité du sol diminue rapidement et le taux d’évaporation décroît; (2) l’eau phréatique contribue à l’évaporation à la surface du sol dans les conditions où la WTD est. inférieure à la frange capillaire. Celà indique que l’eau phréatique ne participerait pas à l’évaporation du sol pour une WTD plus grande que la hauteur d’ascension capillaire. Cette découverte a permis de développer davantage la compréhension de l’évaporation phréatique, et cette étude fournit des informations de grande valeur concernant les processus d’évaporation du sol qui prennent place dans un environnement aride.

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La evaporación de la superficie del suelo es un componente significativo del ciclo hidrológico, que se produce en la interfaz entre la atmósfera y la zona vadosa, pero se ve afectada por factores como el nivel del agua subterránea, las propiedades del suelo, la radiación solar y otros. Para comprender las características de evaporación del suelo en regiones áridas, se realizó un experimento de campo en la cuenca de Ordos, China central, y se instalaron sensores de alta precisión de humedad del suelo, potencial de humedad y temperatura en tres perfiles de suelo con profundidades del nivel freático (WTDs) de aproximadamente 0.4, 1.4 y 2.2 m. Los valores observados de evaporación de la superficie del suelo se estimaron mediante datos observados combinados con la ley de Darcy. Los resultados mostraron que: (1) la tasa de evaporación de la superficie del suelo está relacionada con el contenido de humedad y también se ve afectada por la temperatura del aire. Cuando hay suficiente humedad en el perfil del suelo, la evaporación del suelo aumenta con el aumento de la temperatura del aire. Para un WTD mayor que la altura del aumento capilar, la evaporación del suelo está relacionada con el contenido de humedad del suelo, y cuando la temperatura del aire es superior a 25 °C, el contenido de humedad del suelo se reduce rápidamente y la tasa de evaporación disminuye; (2) el agua freática contribuye a la evaporación de la superficie del suelo en condiciones en las que la WTD se encuentra dentro de la franja capilar. Esto indica que el agua freática no participaría en la evaporación del suelo durante un WTD mayor que la altura del aumento capilar. Este hallazgo desarrolló aún más la comprensión de la evaporación freática, y este estudio proporciona información valiosa sobre los procesos reconocidos de evaporación del suelo en el ambiente árido.

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摘要

土壤表面蒸发是水文圈重要的组成部分,发生在大气层和包气带直接的界面,但它受到诸如地下水位、土壤特性、太阳辐射和其它因素的影响。为了了解干旱地区的土壤蒸发特征,在中国中部鄂尔多斯盆地进行了野外试验,在三个水位深度分别为0.4、1.4 和2.2 m的剖面上安装了高精度的土壤水分、水分势能和温度传感器。通过观测到的数据结合达西定律估算了土壤表面蒸发值。结果显示:1)土壤蒸发量与水分含量相关,并且还受到大气温度的影响。当土壤剖面有足够的水分时,土壤蒸发量随着空气温度的升高而增加。对于大于毛细带高度的水位深度,土壤蒸发量与土壤水文含量有关,当空气温度高于25°C时,土壤水分含量迅速减少,蒸发量减弱;2)在水位深度处于毛细边缘之内的情况下,潜水对土壤表面的蒸发有所贡献。这表明,水位深度高于毛细上升高度时,潜水不参与土壤蒸发。这个发现使人们对潜水蒸发有了进一步的了解,本研究为干旱环境下认识土壤蒸发过程提供了宝贵的信息。

Alternate abstract:

A evaporação da superfície do solo é um componente significativo do ciclo hidrológico, ocorrendo na interface entre a atmosfera e a zona vadosa, mas é afetada por fatores como nível das águas subterrâneas, propriedades do solo, radiação solar e outros. Para entender as características de evaporação do solo em regiões áridas, foi realizado um experimento de campo na Bacia de Ordos, China central, e sensores de alta precisão de umidade, potencial de umidade e temperatura do solo foram instalados em três perfis de solo a campo com profundidades do lençol freático (PLFs) de cerca de 0.4, 1.4 e 2.2 m. Os valores de evaporação da superfície do solo foram estimados por dados observados combinados com a lei de Darcy. Os resultados mostraram que: (1) a taxa de evaporação da superfície do solo está ligada ao teor de umidade e é afetada pela temperatura do ar. Quando há umidade suficiente no perfil do solo, a evaporação do solo aumenta com o aumento da temperatura do ar. Para uma PLF maior que a altura da elevação capilar, a evaporação do solo está relacionada ao teor de umidade do solo e quando a temperatura do ar está acima de 25 °C, o teor de umidade do solo diminui rapidamente e a taxa de evaporação diminui; (2) a água freática contribui para a evaporação da superfície do solo em condições em que a PLF está dentro da franja capilar. Isso indica que a água freática não iria participar da evaporação do solo para uma PLF maior que a altura da elevação capilar. Esta descoberta avança no desenvolvimento da compreensão da evaporação freática, e este estudo fornece informações valiosas sobre processos reconhecidos de evaporação do solo em ambiente árido.