鄂尔多斯风沙滩地区地处我国西北干旱半干旱区,是我国重要的新能源基地,常年降雨稀少,蒸发强烈,水资源匮乏,地下水是主要的供水来源。包气带是连接土壤和地下水迁移转化的关键区域,影响着地下水的蒸发及入渗过程,且水分与热量的传输存在一定滞后效应。蒸发作为半干旱地区最重要的排泄方式,是土壤水分传输和热量运移的主要驱动力之一,受外界条件和土壤介质等因素的影响,其内部动力学蒸发过程具有极高的复杂性和非线性,目前针对土壤-地下水蒸发等热点问题的研究尚比较薄弱,其核心是将土壤-地下水作为一个耦合的整体,深入研究饱和-非饱和带土壤蒸发的机理及其影响因素。这些成果的发现将为地下水资源的合理分配利用提供科学依据和现实指导。本文基于鄂尔多斯盆地乌审旗河南乡原位试验场,通过室内物理模拟和数值模拟相结合的手段,分析了包气带内部水热传输的变化规律,旨在揭示土壤内复杂的动力学蒸发过程,主要结论与认识有以下几点:1.基于原位试验揭示了不同降雨强度下包气带水热运移的分带规律,当降雨强度小于1.5 mm/d时,仅地表以下3 cm处土壤含水率增高;对于9.6 mm/d的降雨过程,距地表50 cm以上的剖面含水率对降雨产生响应,因此,前期降雨量越大,土壤含水率的响应范围越大。在降雨和蒸发交替条件下,地下50 cm处土壤温度随时间仍产生轻微的正弦变化,100 cm处的土壤温度基本保持不变,因此推断地下50 cm处产生明显的分带,距地表50 cm以上是水汽热迁移转化的关键区域。2.研究了土壤剖面含水率与温度对其在地下3 cm处实测值的滞后效应,在持续蒸发条件下,地表以下5 cm、10 cm、50 cm与3 cm处土壤温度的最大相关系数均大于0.5,而地下100 cm处土壤温度与3 cm处温度的相关性很小,因此太阳辐射对风积沙的穿透深度在地下100 cm以内。以39.8 mm/d降雨强度为激发源,地表以下5 cm、10 cm、50 cm对3 cm处含水率的滞后响应时间分别为0.21 h、0.32 h与6.91 h,发现风积沙介质在近表层附近对降雨的滞后时间很小,使得降雨快速入渗补给土壤-地下水,因此土壤内部可以储存大量水资源,进而在该地区形成相对丰富的地下水资源。3.构建了不同地下水位埋深下的变饱和带水汽热耦合模型,分析了不同水位埋深影响下的包气带水分分布规律,进一步定性化土壤蒸发的动力学过程。发现当水位埋深接近毛细上升高度时,地表到地下水之间形成连续的水分传输路径,土壤蒸发主要受大气-地下水控制;当水位埋深远大于毛细上升高度时,浅层包气带形成明显的零通量等值线,这种等值线的分布阻止了向上传输的土壤水,导致蒸发速率迅速减少,土壤蒸发主要受土壤水力性质控制。发现地下20 cm附近存在关键的液态水-汽态水转化区域,其形成阻止了向上传输的液态水,导致日最大蒸发速率出现在10:00~12:00,与空气温度不呈明显的正相关关系。4.基于已识别的数值模型,在年尺度上构建了不同水位埋深条件下的水汽热耦合定解模型,发现土壤蒸发与水位埋深之间呈指数递减函数关系,进一步厘定风积沙介质的极限蒸发深度在地下105 cm左右,约为毛细上升高度的2倍。该结论的发现对风沙滩区管理土壤和水资源的当地政府具有重要的参考借鉴意义。