不同时间尺度下气象-水文要素变化对察尔汗盐湖盐田蒸发作用的影响.pdf
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1、收稿日期:2023-10-20;修回日期:2023-11-20基金项目:柴达木盆地盐湖区资源与环境科学观测系统平台(2021-ZJ-T07);中国科学院“西部之光-西部交叉团队”重点实验室专项(xbzg-zdsys-202107)作者简介:张西营(1977-),男,博士,研究员,主要研究方向为盐类矿床研究。E-mail:。张西营,朱海霞,朱磊,等.不同时间尺度下气象-水文要素变化对察尔汗盐湖盐田蒸发作用的影响 J.盐湖研究,2024,32(1):88-98.Zhang X Y,Zhu H X,Zhu L,et al.The variations of meteorological and hy
2、drological factors across different temporal scales and their influences onevaporation within salt ponds of the Qarhan Salt Lake J.Journal of Salt Lake Research,2024,32(1):88-98.DOI:10.12119/j.yhyj.202401010不同时间尺度下气象-水文要素变化对察尔汗盐湖盐田蒸发作用的影响张西营1,2*,朱海霞1,2,3,朱磊4,陈文祥4,陈亮1,2,李雯霞1,2,3,曾方明1,2,朱登贤5,段心怡1,2,3(
3、1.中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,青海 西宁810008;2.青海省盐湖地质与环境重点实验室,青海 西宁810008;3.中国科学院大学,北京100049;4.青海盐湖工业股份有限公司钾肥分公司,青海 格尔木816009;5.青海盐湖工业股份有限公司资源分公司,青海 格尔木816000)摘要:目前对察尔汗盐湖蒸发量的研究主要集中在气象-水文因素与卤水蒸发量定量关系,缺乏在不同时间尺度下盐湖蒸发量的驱动因素动态变化研究。利用2020年11月5日2023年5月1日察尔汗盐湖盐田的空气温度、露点温度、风速、相对湿度、总辐射日累计以及盐田的蒸发量、水温、水位等监测
4、数据,结合获取的察尔汗盐湖补给河流格尔木河流量等水文资料,采用相关性分析、多元回归模型等方法探讨了不同时间尺度下盐田蒸发作用与气象-水文因素之间的关系。研究表明,不同盐田的水温、水位、淡水蒸发量变化保持一致,卤水蒸发量变化与盐田密度有关。随着时间尺度的增大,蒸发量与气象要素之间的相关性增强。察尔汗盐田蒸发量在逐小时与逐月尺度主要受到环境温度的影响,日尺度下主要受到太阳辐射的影响。在极端天气作用下河流水文与盐湖微气象因子呈同步变化,对蒸发量的影响具有滞后性。这一研究结果可为盐田生产工艺优化提供理论指导。关键词:察尔汗盐湖;盐田;蒸发作用;气象因素;水文参数;不同时间尺度中图分类号:TS352文献
5、标志码:A文章编号:1008-858X(2024)01-0088-11察尔汗盐湖是我国最重要的钾肥生产基地1,盐田过程是该盐湖钾肥生产必不可少的关键环节。气象要素与盐田过程关系密切2,直接影响到盐田的蒸发作用强度和效率。开展察尔汗盐湖盐田过程蒸发作用及其影响因素研究,对于提升盐田生产效率乃至我国钾肥保供意义重大。诸多学者对盐湖区气象要素与蒸发作用的关系进行了研究和探讨。齐文等研究发现,西藏扎布耶盐湖卤水蒸发量与温度、太阳辐射等气象因子呈正相关3;祁贵明等认为,卤水蒸发量是卤水浓度、黏度与气温、相对湿度、风等因素综合作用的结果4;董生发等研究了大气湿度对盐湖老卤蒸发的影响,建立了盐湖老卤蒸发模型
6、5;成春春等分析了太阳辐射对不同盐田蒸发量、成矿量的影响,发现蒸发量随太阳辐射单调递增6;李志伟等开展的察尔汗盐湖卤水天然蒸发实验分析结果显示,卤水蒸发速度随辐照强度、风速、环境温度和卤水温度的增加呈线性增大,而随相对湿度和浓度的增加呈线性减小7。目前的研究普遍集中在水文-气象因素在某时间段内对卤水蒸发量的影响,但有研究表明,不同时间尺度下卤水蒸发作用的驱动因素可能不同8。研究不同时间尺度下气象-水文因素对盐田蒸发作用的影响,对盐田生产非常重要。基于以上背景,中国科学院青海盐湖研究所与青海盐湖工业股份有限公司针对察尔汗盐湖盐田区气象观测站获取的数据资料开展合作研究,通过对2020 年 11 月
7、 5 日2023 年 5 月 1 日察尔汗盐田气象和水文要素分析,结合格尔木河水文变化特征,采第 32 卷第 1 期2 0 2 4年 2 月JOURNAL OF SALT LAKE RESEARCH盐湖研究Vol.32 No.1Feb.2024张西营,等:不同时间尺度下气象-水文要素变化对察尔汗盐湖盐田蒸发作用的影响第1期用相关性分析和多元回归模型探讨不同时间尺度下盐田蒸发的主要驱动因素,以期系统了解不同时间尺度下气象-水文因素对盐田蒸发作用的影响,从而为察尔汗盐湖盐田生产提供理论指导。1材料与方法1.1数据来源察尔汗盐湖钾盐盐田生产工艺为原卤进入钠盐池,在钠盐池中滩晒蒸发并析出氯化钠,达到一
8、定浓度时导入钠调池和光调池继续蒸发析盐;卤水在调节池中蒸发至光卤石饱和点时导入光卤石池,尽可能在这里将光卤石全部析出;晒完光卤石后的老卤排走,晒制的光卤石原矿输送到加工车间生产钾肥。从钠调池,到光调池,再到光卤石池,卤水密度逐渐增大。主要实验仪器包括日照时数传感器,TBS-2A;风速仪,EC-9S;光照度传感器,TBQ-6;紫外表,TBQ-ZW-2;环境温湿度传感器,PTS-3;温度传感器,PTWD-3A;水面蒸发传感器,ZFL1;多通道数据采集器,TRM-ZS2;以上设备均采购自锦州阳光气象科技有限公司。于 2021 年 11 月 5 日2023 年 5 月 1 日监测了察尔汗盐湖盐田的空气
9、温度、露点温度、相对湿度、风速、总辐射日累计等气象要素;并在 2#钠调池、2#光调池以及 2#光卤石池设立了自动气象远程数据采集系统,用于监测淡水、卤水蒸发量以及水温和水位的 变 化。数 据 采 集 间 隔 为 1 h,但 观 测 期 为2021.09.012021.10.19,2022.02.262023.04.05,2022.07.072022.09.18 时段的监测数据缺失,而2022.11.012023.05.01 期间的盐田蒸发量则为一月一测。此外,察尔汗盐湖补给河流格尔木河及其支流奈金河的逐日流量数据来源于青海省水利厅水资源测报中心。1.2分析方法采用 Spearman 相关分析方
10、法进行相关性分析。将空气温度、露点温度、相对湿度、风速、总辐射日累计、水温和蒸发量数据进行归一化处理,并建立了蒸发量与气象-水文要素的多元线性回归模型。采用逐步回归分析法进行变量引入,根据方差分析结果选择符合判据条件且对因变量影响最大的自变量进入回归模型。根据向前选择法则进入自变量,然后根据向后剔除法,将模型中 F 检验概率最小的且符合剔除判据条件的自变量剔除,重复进行直到模型中的自变量均符合进入的判据条件,模型外的自变量都不符合进入模型的判据为止。逐步回归分析法会从相关性很强的自变量中选择最显著的因子放入回归模型,避免多重共线性问题。本文采用 F 检验的概率作为判断标准,使用系统默认,进入模
11、型概率为小于 0.05,移出概率为大于 0.1。2结果与讨论2.1察尔汗盐湖盐田气象-水文因子变化特征分析结果显示,2021 年年均温度为 7.09,2022 年为 8.19,温度呈现上升趋势。其中,年平均温度增加了 1.1,夏季增加了约 0.8,冬季增加了约 1.2,主要气象因子随时间变化特征见图 1。相对湿度的变化与温度成反比关系,温度升高时,虽然蒸发加强使实际水汽压增大一些,但因饱和水汽压增大得更多,结果相对湿度反而减小;温度降低时则相反,相对湿度增大10。因此,相对湿度的年度化与气温的年变化相反,温暖季节小,寒冷季节大。总辐射日累计体现了一天内水平地表所接收到的太阳直接辐射和天空辐射程
12、度,一般与时间相关,太阳落山后不再变化11。其与温度呈正比关系,随着气温的变化,逐渐增加或降低。察尔汗盐田的风速集中在 27 m/s 之间,处于轻风、微风以及和风的状态。通过察尔汗盐田实时监测气象数据综合分析,我们发现相比于 2021 年,2022 年的温度呈现上升趋势,空气始终保持未饱和状态,温度与露点温度的变化相一致,与相对湿度呈反比,与总辐射日累计呈正比关系,说明影响察尔汗盐湖盐田的主要气象因素应该是环境温度。各盐田卤水温度在-1030 间变化,以 2#光调池的温度最高,光卤石池的温度最低。盐田水温与空气温度显著正相关(R2=0.989),但其变化幅度小于空气温度。由于风速增加会导致水温
13、增大12,研究发现水温和风速呈显著正相关关系(R2=0.802)。盐田水位以光卤石池的水位最高,其次是光调池,钠调池最低,各盐田水位基本上在一定的范围内波动,变幅不大(图 2)。各盐田淡水蒸发量基本保持一致,但卤水蒸发在不同盐田具有不同的变化。光调池、钠调池、光卤石池卤水密度逐渐增大,而卤石池蒸发水量要低于89盐湖研究第 32卷钠盐池、钠调池。各盐田年淡水蒸发量相差不大,约为4 400 mm/a,2#钠调池年卤水蒸发量为1 740.89 mm/a,光调池为 1 831.35 mm/a,光卤石池为 1 095.68 mm/a,淡水蒸发量明显高于卤水蒸发量,这也与其他研究的结果相一致4。假如气象条
14、件恒定,则蒸发主要取决于卤水浓度。如美国大盐湖的淡水蒸发量为1 500 mm/a,而卤水蒸发量仅有 600 mm/a12,智利的阿塔卡马盐湖淡水蒸发量为 3 780 mm/a,卤水蒸发量约 1 075 mm/a8。本研究得到的淡水、卤水蒸发量高于其他地区的蒸发量,可能是因为察尔汗盐湖位于极度干旱的柴达木盆地,日照丰富,且近年温度明显上升13,导致蒸发量增大。2.2不同时间尺度下蒸发量与气象因子的关系不同时间尺度下盐田蒸发量受到不同气象-水文因子的影响。以 2#钠调池、光调池和光卤石池为图1察尔汗盐田观测期间气象因子的变化Fig.1The variance of meteorological e
15、lement during observation period in salt ponds of the Qarhan Salt Lake90张西营,等:不同时间尺度下气象-水文要素变化对察尔汗盐湖盐田蒸发作用的影响第1期图2观测期间察尔汗盐湖各盐田中水温(a/e)、水位(b/f)、淡水蒸发量(c/g)、卤水蒸发量(d/h)的逐日和逐月变化Fig.2Daily and monthly variations of water temperature(a/e),water depth(b/f),freshwater evaporation(c/g)andbrine evaporation(d/h
16、)in Qarhan Salt Lake fields during observation period91盐湖研究第 32卷例分析了逐小时、日、月尺度下淡水、卤水蒸发量与气象-水文因子间的相关性,并做逐步回归分析,利用气象因子拟合蒸发量并与观测值比较,得到不同时间尺度下对盐田蒸发影响最强烈的气象-水文因素(表 1,2,3)。研究结果显示,逐小时尺度下淡水蒸发量与空气温度、露点温度、水温和风速呈显著正相关关系,与相对湿度呈显著负相关关系,影响盐田淡水蒸发量的主要因素是水温。逐日与逐小时尺度的相关性类似,但是相关程度明显大幅度提升,主要影响因素是太阳辐射。奈金河和格尔木河流量与蒸发量相关性小于
17、 0.1,因此未作分析。逐月与日尺度的相关性类似,除露点温度与风速外,其他因素的相关程度有所降低,其中总辐射日累计在逐月尺度的相关性远远低于日尺度,逐月尺度下淡水蒸发量的主要影响因素是露点温度。露点温度升高 1 C 可以解释为大气含水量增加 7%14。因此在长时间尺度下露点温度增加,导致空气中水汽含量增加,使得淡水蒸发量增加9。不同季节的气象-水文因素对淡水蒸发量具有不同的影响,在春季和秋季的主要因素是风速,夏季和冬季主要是太阳辐射。卤水蒸发量与空气温度、露点温度、水温和风速呈显著正相关关系,与相对湿度呈显著负相关关系。逐小时尺度下空气温度、露点温度和水温与钠调池卤水蒸发量相关性最强,其次是光
18、卤石池,与光调池相关程度最低;相对湿度和风速与光卤石池相关程度最高,其次是钠调池,与光调池相关程度最低。不同功能的盐田对不同气象因子的相关程度可能与其卤水密度以及水位相关,有研究发现太阳辐射对低密度卤水的蒸发影响更为显著7,因此低密度的钠调池蒸发水量与气温的相关程度高于光调池和光卤石池,而钠调池是三个盐田中水位最小的,因此其蒸发量更容易受到太阳辐射、环境温度等气象因素的影响15,16。逐日、月卤水蒸发的相关性与逐小时相似,在各个盐田的变化规律也相同。逐小时和月尺度下影响盐田卤水蒸发量的主要因素是空气温度,逐日尺度下是太阳辐射。除此之外,不同季节下气象-水文因子对卤水蒸发量的影响不同,春季和秋季
19、的主要影响因素是空气温度和风速,夏季和冬季是太阳辐射。采用逐步回归分析法对逐小时、日、月蒸发量与气象-水文数据建立多元线性回归模型,得到的结果表示为,逐小时尺度下:淡水蒸发量,Y=0.337 XT-0.159 XRH+0.326 Xv-0.070;2#钠调池,Y=0.446 XT-0.397 XRH+0.448 Xv+0.022;2#光调池,Y=0.191 XT-0.263 XRH+0.225 Xv+0.1832#光卤石池,Y=0.201 XT-0.184XRH+0.211Xv+0.239。逐日尺度下:淡水蒸发量,Y=0.440 XT-0.147 XRH+0.349 Xv+0.041XQ-0.
20、109;2#钠调池,Y=0.348 XT-0.279 XRH+0.342 Xv+0.053 XQ-0.028;2#光调池,Y=0.279XT-0.352 XRH+0.294 Xv+0.099 XQ;表1逐小时尺度下气象-水文因子与盐田淡水/卤水蒸发量的相关性Table 1The correlation between meteorological andhydrological factors and brine/freshwater evaporation insalt ponds on hourly scale相关性r淡水蒸发量2#钠调池卤水蒸发量2#光调池卤水蒸发量2#光卤石池卤水蒸发量
21、空气温度0.7080.7110.7080.756露点温度0.6330.5510.4600.546相对湿度-0.473-0.560-0.582-0.551风速0.5640.5000.4550.508水温0.7200.7240.6610.712表3逐月尺度下气象-水文因子与盐田淡水/卤水蒸发量的相关性Table 3The correlation between meteorological and hydrological factors and brine/freshwater evaporationin salt ponds on monthly scale相关性r淡水蒸发量2#钠调池卤水蒸发
22、量2#光调池卤水蒸发量2#光卤石池卤水蒸发量空气温度0.8080.8080.8050.794露点温度0.8170.8110.8010.794相对湿度-0.598-0.616-0.636-0.618风速0.7640.7810.7920.730总辐射日累计0.5210.5400.5410.536水温0.7970.7730.7390.786表2逐日尺度下气象-水文因子与盐田淡水/卤水蒸发量的相关性Table 2The correlation between meteorological and hydrological factors and brine/freshwater evaporation
23、in salt ponds on daily scale相关性r淡水蒸发量2#钠调池卤水蒸发量2#光调池卤水蒸发量2#光卤石池卤水蒸发量空气温度0.8810.8620.8020.853露点温度0.8020.7340.6500.735相对湿度-0.543-0.631-0.659-0.612风速0.6380.6020.5470.606总辐射日累计0.9870.9840.9210.967水温0.8620.8410.7930.83992张西营,等:不同时间尺度下气象-水文要素变化对察尔汗盐湖盐田蒸发作用的影响第1期2#光卤石池,Y=0.369 XT-0.267 XRH+0.350 Xv+0.077 X
24、Q-0.045。逐月尺度下:淡水蒸发量,Y=0.969 XT+0.672 XQ-0.764;2#钠调池,Y=0.835 XT+0.713 XQ-0.685;2#光调池,Y=0.890 XT+0.678 XQ-0.620;2#光卤石池,Y=0.921 XT+0.711 XQ-0.733;式中,XT为空气温度,XRH为相对湿度,Xv为风速,XQ为总辐射日累计。为避免多重共线性问题,根据相关性分析结果,选择了相关性最显著的因子放入回归模型。空气温度、露点温度、水温之间具有很高的相关性,因此只有空气温度被保留。在逐小时、日尺度下,淡水蒸发量与温度、相对湿度、风速和太阳辐射关系显著,逐月尺度下,与温度和
25、太阳辐射关系显著。多元回归模型的相关系数分别为 R时2=0.763、R日2=0.851、R月2=0.929,Nash 效 率 系 数 NSE时=0.763、NSE日=0.857、NSE月=0.944,说明回归模型总体效果较好。而逐月尺度的拟合程度远远好于逐小时、日尺度,但与逐月淡水蒸发量相关的只有空气温度和太阳辐射,可能是因为温度和辐射对于蒸发量的影响存在累积效应17,因此时间尺度越长,它们所产生的影响也越大。该模型说明淡水蒸发量的变化主要取决于环境中温度的变化,其中还掺杂着相对湿度和风速的影50403020100-10403020100-102#钠调池卤水蒸发量/(mm/d)2#光调池卤水蒸
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