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      分布式雙源蒸散發(fā)模型的構建與運用研究

      2015-11-11 09:15:06于嵐嵐
      東北水利水電 2015年1期
      關鍵詞:蒸發(fā)皿息縣雙源

      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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