改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型潛在蒸發(fā)計(jì)算對(duì)比研究

溫笑寒

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

蒸發(fā)是水文循環(huán)和水量平衡的重要組成部分，作為水文模型以及區(qū)域水資源平衡計(jì)算的重要輸入項(xiàng)，蒸發(fā)對(duì)于水文模型和水資源平衡計(jì)算的精準(zhǔn)程度十分重要[1]。近年來(lái)，對(duì)于區(qū)域蒸發(fā)計(jì)算在國(guó)內(nèi)許多區(qū)域取得較多的研究成果[2- 8]，其中雙源蒸發(fā)計(jì)算模型由于可綜合考慮土壤和植被的蒸發(fā)，區(qū)域潛在蒸發(fā)計(jì)算效果較好。但傳統(tǒng)雙源蒸發(fā)模型由于在植被蒸發(fā)計(jì)算時(shí)一般考慮植物冠層截留蒸發(fā)影響，而對(duì)冠層蒸騰計(jì)算存在局限，使其在一些植被覆蓋率較高的區(qū)域潛在蒸發(fā)計(jì)算精度不高。為此有學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題，提出植物冠層蒸騰能力計(jì)算方程，對(duì)傳統(tǒng)雙源蒸發(fā)模型進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)一些區(qū)域的應(yīng)用效果對(duì)比[9- 15]，其潛在蒸發(fā)計(jì)算精度較傳統(tǒng)蒸發(fā)模型有所改善。但改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型在遼寧地區(qū)還未得到應(yīng)用，尤其是遼寧的東部山丘區(qū)，該區(qū)域植被覆蓋度較高，傳統(tǒng)蒸發(fā)模型大都不能考慮植物蒸發(fā)、蒸騰作用，為此本文引入改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型，以本溪山丘區(qū)為具體實(shí)例，結(jié)合該區(qū)域蒸發(fā)站點(diǎn)實(shí)測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型在本溪山丘區(qū)蒸發(fā)的計(jì)算精度。研究成果對(duì)于遼寧東部山丘區(qū)蒸發(fā)計(jì)算具有重要的參考價(jià)值。

1 改進(jìn)雙源蒸發(fā)模型計(jì)算原理

改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型綜合考慮土壤蒸發(fā)、植物冠層截留蒸發(fā)、植物冠層蒸騰對(duì)區(qū)域潛在蒸發(fā)計(jì)算的影響，其主要蒸發(fā)計(jì)算框架如圖1所示，各蒸發(fā)項(xiàng)計(jì)算方程分別為：

圖1 改進(jìn)雙源蒸發(fā)模型計(jì)算框圖

(1)植被冠層截留蒸發(fā)Ei：

(1)

(2)植被蒸騰能力EPC：

(2)

(3)土壤蒸發(fā)能力EPS：

(3)

2 模型應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

本文以遼東山丘區(qū)為具體實(shí)例，遼東山地丘陵多為山地暗棕色和棕色森林土，土層厚度通常在0.5～1.0m左右。植被覆蓋良好，本溪市平均森林覆蓋率在69%以上，自然植被為闊葉林與針葉混合林，多柞木林，地面枯枝落葉層較厚，土壤侵蝕輕微，河谷較狹窄，有淤土、山地砂石土。坡耕地占總耕地面積60%以上，地塊小，土層薄。區(qū)域內(nèi)屬溫帶氣候，受季風(fēng)影響較重，多年潛在蒸發(fā)量在800～1300mm之間。

2.2 模型數(shù)據(jù)及主要參數(shù)

改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型需要植被分布、土壤類型分布以及氣象數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。模型蒸發(fā)計(jì)算參數(shù)主要采用參考文獻(xiàn)[15]進(jìn)行確定，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 研究數(shù)據(jù)類型及來(lái)源

表2 模型蒸發(fā)計(jì)算主要參數(shù)

2.3 年尺度計(jì)算值對(duì)比

結(jié)合本溪山丘區(qū)南甸蒸發(fā)數(shù)據(jù)，蒸發(fā)折算系數(shù)取值為0.91，轉(zhuǎn)換成區(qū)域蒸發(fā)值后，分別采用改進(jìn)前后的雙源蒸發(fā)模型對(duì)區(qū)域年尺度潛在蒸發(fā)進(jìn)行計(jì)算，年尺度相關(guān)系數(shù)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)前后雙源蒸發(fā)模型潛在蒸發(fā)計(jì)算值和蒸發(fā)皿蒸發(fā)之間的關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

改進(jìn)后的雙源蒸發(fā)模型相關(guān)度可達(dá)到0.56，相比于改進(jìn)前的雙源蒸發(fā)模型其相關(guān)度提高0.20，這主要是因?yàn)楸鞠角饏^(qū)植被覆蓋度較高，除考慮其植被冠層截留蒸發(fā)外，其植物冠層蒸騰量也較大，而傳統(tǒng)雙源蒸發(fā)模型最初主要是考慮農(nóng)作物蒸發(fā)影響，因此對(duì)于植被覆蓋度較高的區(qū)域，計(jì)算有所局限。而改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型考慮了植物冠層蒸騰能力對(duì)區(qū)域蒸發(fā)影響，總體提高了年蒸發(fā)計(jì)算的相關(guān)度。

2.4 季節(jié)計(jì)算值對(duì)比

在改進(jìn)前后雙源蒸發(fā)模型年蒸發(fā)相關(guān)度對(duì)比程度上，綜合對(duì)比了不同季節(jié)改進(jìn)前后雙源蒸發(fā)模型計(jì)算值和觀測(cè)值之間的相關(guān)度，結(jié)果分別如圖3—4所示。

圖3 不同季節(jié)改進(jìn)前雙源蒸發(fā)模型計(jì)算相關(guān)度分析

改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型在不同季節(jié)較傳統(tǒng)雙源蒸發(fā)模型計(jì)算精度均有所改善。夏季由于植被覆蓋度較高，改進(jìn)前后的雙源蒸發(fā)模型計(jì)算關(guān)聯(lián)度均高于0.5，冬季由于植被覆蓋度較低，傳統(tǒng)雙源蒸發(fā)模型關(guān)聯(lián)度僅為0.1，而改進(jìn)后的雙源蒸發(fā)模型可達(dá)到0.41，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的雙源蒸發(fā)模型由于主要考慮植物冠層截留蒸發(fā)影響，而遼東在冬季，其主要為降雪，其植物冠層截留量較低，因此其相關(guān)度較低，而改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型由于綜合考慮植物冠層截留和蒸騰影響，其冬季計(jì)算相關(guān)度明顯提高。春季和秋季同樣由于植被覆蓋度較低，改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型較傳統(tǒng)模型的關(guān)聯(lián)度均有所提高。

圖4 不同季節(jié)改進(jìn)前雙源蒸發(fā)模型計(jì)算相關(guān)度分析

2.5 月蒸發(fā)計(jì)算分析

分別采用改進(jìn)前后的雙源蒸發(fā)模型對(duì)不同月份的潛在蒸發(fā)進(jìn)行計(jì)算，并和各月份蒸發(fā)觀測(cè)值進(jìn)行逐月對(duì)比，計(jì)算值見(jiàn)表3。

表3 不同月份改進(jìn)前后雙源蒸發(fā)模型計(jì)算值

從計(jì)算結(jié)果可看出，改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型在不同月份下的蒸發(fā)計(jì)算值均高于傳統(tǒng)雙源蒸發(fā)模型，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的雙源蒸發(fā)模型相比于傳統(tǒng)雙源蒸發(fā)模型，綜合考慮了植物冠層蒸騰量，使得其蒸發(fā)計(jì)算量有所增加。在各月份蒸發(fā)分布而言，夏季的6—9月改進(jìn)的雙源蒸發(fā)模型和傳統(tǒng)蒸發(fā)模型計(jì)算值總體較為接近，且和蒸發(fā)皿觀測(cè)值之間的吻合度也較好，這主要是因?yàn)楸鞠角饏^(qū)，夏季降水量較大，使得其植物冠層截留蒸發(fā)量也較高，因此改進(jìn)前后的雙源蒸發(fā)模型在夏季的6—9月份蒸發(fā)量較為接近。而進(jìn)入秋季和冬季，隨著植被覆蓋度的降低及降水量的銳減，改進(jìn)前后雙源蒸發(fā)模型和蒸發(fā)皿觀測(cè)值之間的誤差有所加大。

3 結(jié)論

(1)改進(jìn)前后雙源蒸發(fā)模型在夏季計(jì)算精度較為接近，而在秋、冬季由于植物覆蓋度及降水量減少，其計(jì)算精度差異明顯，建議在水資源評(píng)價(jià)中枯水期水量平衡分析應(yīng)采用改進(jìn)的雙源模型進(jìn)行計(jì)算。

(2)本文主要對(duì)植被蒸騰阻抗參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，對(duì)于遼東地區(qū)，其土壤阻抗值建議值500sm-1，遼西植被較為稀疏的區(qū)域，其土壤阻抗值建議值為800sm-1。

(3)植物冠層反照率主要和葉面積指數(shù)有關(guān)，不同季節(jié)其葉面積指數(shù)不同，而本文未根據(jù)不同季節(jié)設(shè)置其植物冠層反照率，存在局限，在后期研究中還需要對(duì)不同季節(jié)設(shè)置其植物冠層反照率，從而進(jìn)一步提高潛在蒸發(fā)計(jì)算精度。