分布式雙源蒸散發(fā)模型的構建與運用研究

于嵐嵐

（遼寧省江河流域管理局，遼寧 沈陽110003）

0 引 言

蒸散發(fā)對于流域水循環(huán)的水量平衡方程來說，是一個重要的輸出項，蒸散發(fā)大小的合理計算將會直接影響整個流域的水量計算。流域蒸散發(fā)資料主要是通過個別蒸散發(fā)觀測資料獲得，以點代面，通過點觀測蒸散發(fā)資料，得到整個流域的蒸散發(fā)資料，特別是在水文模型的輸入中，不能考慮流域的地形、土地利用對流域蒸散發(fā)的影響，造成流域蒸散發(fā)輸入的誤差。此文選用分布式雙源蒸散發(fā)模型，以淮河上游息縣水文站以上區(qū)域為研究流域，基于流域數(shù)字高程數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)以及流域內(nèi)外附近8個氣象站點的氣象要素數(shù)據(jù)，計算了研究區(qū)域的蒸散發(fā)時空分布。

1 研究方法及資料準備

1.1 研究區(qū)域概況

選擇淮河上游息縣水文站以上流域作為研究區(qū)域，面積為10 190 km2。流域地處我國濕潤氣候與半干旱氣候過渡帶，淮南屬長江流域氣候，一般溫暖多雨，淮北屬黃河流域型氣候，寒冷少雨，流域年平均降水量800~1 400 mm，多年平均徑流深約為371 mm，年平均水面蒸發(fā)量為800～1 000 mm，流域內(nèi)主要的土地利用方式為耕地和林地。

1.2 雙源蒸散發(fā)模型

雙源蒸散發(fā)模型，是將植被冠層和土壤分別當做兩個相互獨立但又相互作用的2個通量源匯項，模型可以分別對土壤表層和植被冠層進行能量的平衡計算,模型計算方程如下所示：

1）植被冠層截留蒸發(fā)E（i被植被葉面截留的那部分水量的蒸發(fā)）

2）植被蒸騰能力計算（土壤含水量達到田間持水量時，植被葉面氣孔所能蒸發(fā)的水分）

3）土壤蒸發(fā)能力（土壤含水量到達田間持水量時，裸土或者植物冠層以下土壤所蒸發(fā)的水分）

其中：Rnc——植物冠層所能得到的太陽凈輻射量，W/m2；Rns——土壤表面所能獲得到的太陽凈輻射量，W/m2；G——土壤的熱通量，Wm2；γ——空氣中的濕度常數(shù)，KPa/℃；△——飽和水汽壓梯度，KPa/℃；ρ——平均空氣的密度，kg/m3；CP——空氣的比熱，1.013×10-3kJkg-1/℃，λ——蒸發(fā)的潛熱，MJ/kg；Wfr——潮濕冠層比例；rcp——土壤含水量達到田間持水量時的冠層總氣孔阻抗，s/m；rsp——土壤含水量達田間持水量時的土壤表面阻抗，s/m；ras——土壤的表面與植物冠層源匯高度之間的空間動力學阻抗，s/m；rac——植物冠層總邊界層的阻抗，s/m；D0——植物冠層源匯高度處的水汽壓強差，kPa。

1.3 模型數(shù)據(jù)處理

模型需要的數(shù)據(jù)包括以下幾項：

1）數(shù)字高程數(shù)據(jù)：數(shù)字高程數(shù)據(jù)選用美國國家地球物理中心提供的全球分辨率為1 km×1 km基礎地形數(shù)據(jù)，運用ARCGIS軟件結合流域邊界，可得到息縣水文站以上流域的數(shù)字高程圖。

2）土地利用數(shù)據(jù)：基于中國科學院提供的2000年全國空間分辨率為1 km×1 km土地利用圖，結合流域邊界，應用ArcGIS軟件進行切割，得到流域2000年的土地利用圖。

3）氣象資料：收集流域附近武漢站2000—2010年凈。收集了流域內(nèi)外附近8個氣象站2000—2010年日平均氣溫、日平均水汽壓以及日平均風速。

4）蒸發(fā)資料：收集了流域內(nèi)息縣蒸發(fā)站2000—2010年實測蒸發(fā)皿蒸發(fā)資料。

2 模型計算結果檢驗與分析

基于已構建的考慮植被葉面積指數(shù)動態(tài)變化的雙源蒸散發(fā)模型，該研究計算了淮河息縣以上流域內(nèi)13 588個柵格單元2000—2010年的逐日蒸散發(fā)能力，選擇2個年份繪制了息縣站日計算蒸散發(fā)能力與實測蒸發(fā)皿蒸發(fā)日過程對比圖，見圖1。從圖1中可以看出計算的蒸散發(fā)能力和蒸發(fā)皿蒸發(fā)量波動趨勢基本一致。

圖1 息縣站2001年和2010年蒸發(fā)皿與雙源蒸散發(fā)日過程比較圖

2.1 日尺度相關性分析

為進一步檢驗分布式雙源蒸散發(fā)模型計算的蒸散發(fā)能力與蒸發(fā)皿實測蒸發(fā)資料在時間上的相似性和一致性，通過建立實測蒸發(fā)皿蒸發(fā)與計算的蒸散發(fā)能力一元線性回歸模型和相關性的分析來進行檢驗。

在息縣流域內(nèi)共有3個蒸發(fā)站，分別為南灣站、石山口站以及息縣站，基于這3個蒸發(fā)站所在柵格單元2000—2010年的逐日蒸散發(fā)能力計算結果，建立這3個站實測蒸發(fā)皿與計算蒸散發(fā)能力之間的一元回歸方程，并采用F檢驗］對實測蒸發(fā)皿和計算蒸散發(fā)能力之間的線性擬合程度進行了檢驗，結果見表1。

表1 蒸發(fā)皿日資料與所在柵格單元日蒸散發(fā)能力回歸分析

從表1中可以看出，3個站的日蒸發(fā)皿蒸發(fā)資料與其所在網(wǎng)格計算的蒸散發(fā)能力回歸方程都通過顯著性水平a=0.01的F檢驗，其建立的回歸方程的斜率都是正數(shù)，表明計算的日蒸散發(fā)能力與各站的蒸發(fā)皿蒸發(fā)呈現(xiàn)正相關性。

2.2 蒸散發(fā)空間分布計算

基于流域內(nèi)各柵格日蒸發(fā)能力計算成果，并統(tǒng)計了各柵格年蒸發(fā)能力計算成果，并繪制息縣以上流域2000—2010年的年均蒸散發(fā)能力空間分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，蒸散發(fā)量空間分布大體和高程分布具有一定的相似性，海拔較高的區(qū)域，氣溫較低，對蒸散發(fā)需求較低，因此蒸散發(fā)相對較小；而在海拔較低的區(qū)域，氣溫相對較高，蒸散發(fā)較為強烈，蒸散發(fā)量相對較大。成蒸散發(fā)量在700～1 000 mm的區(qū)域主要集中在海拔較低的區(qū)域，而蒸散發(fā)量在400～1 700 mm的區(qū)域主要集中在海拔較高的區(qū)域。

3 結 論

通過在淮河上游息縣水文站以上區(qū)域構建分布式雙源蒸散發(fā)模型，基于研究區(qū)域數(shù)字高程、土地利用數(shù)據(jù)、以及研究區(qū)內(nèi)外附近8個氣象站點2000—2010年氣象要素數(shù)據(jù)，運用該模型計算了淮河息縣以上流域2000—2010年日蒸散發(fā)能力，并結合流域內(nèi)實則蒸發(fā)資料對模型計算結果進行了檢驗，檢驗結果表明計算的蒸散發(fā)能力和實測的蒸發(fā)皿蒸發(fā)在時間上具有較好的相似性和一致性，模型可用來計算研究區(qū)域的蒸散發(fā)能力。

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