大汶河流域陸面蒸發(fā)估算方法比較

楊敏芝+鐘平安+汪曼琳+尚艷麗+程傳民

摘要：區(qū)域陸面蒸散發(fā)的估算對(duì)于計(jì)算區(qū)域水資源總量，合理配置水資源具有重要意義。針對(duì)處于大汶河流域上游、受人類活動(dòng)影響較小的雪野水庫(kù)、黃前水庫(kù)、東周水庫(kù)控制子流域的實(shí)際特點(diǎn)，分別利用MODIS遙感方法、SWAT模型法、水面蒸發(fā)折算系數(shù)法對(duì)這三個(gè)子流域2000年一2008年的多年平均年陸面蒸發(fā)量及多年月平均陸面蒸發(fā)量進(jìn)行估算，并基于水量平衡方程，結(jié)合各子流域的同期降雨與天然徑流資料，對(duì)估算結(jié)果進(jìn)行了分析比較。結(jié)果表明：在大汶河流域內(nèi)，采用MODIS遙感方法估算實(shí)際陸面蒸散發(fā)的精度較低；水面蒸發(fā)折算系數(shù)法具有一定精度；SWAT模型法精度較高、適應(yīng)性較好，估算誤差僅在3%左右。研究結(jié)果可為半濕潤(rùn)區(qū)陸面蒸發(fā)估算方法的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：陸面蒸發(fā)；大汶河流域；MODIS遙感方法；SW-AT模型；折算系數(shù)法

中圖分類號(hào)：TV125 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）05-0050-06

陸面蒸發(fā)包括地表水體的水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)等，是區(qū)域內(nèi)各種下墊面條件下的總蒸發(fā)，同時(shí)也是地表熱量平衡和水量平衡方程的重要組成部分。蒸發(fā)是決定區(qū)域水資源量多寡的重要環(huán)節(jié)，二者的時(shí)空分布規(guī)律之間存在著密切聯(lián)系，因此陸面蒸發(fā)的計(jì)算在水資源研究中占有重要比重，對(duì)區(qū)域水資源優(yōu)化配置具有重要意義。

實(shí)際陸面蒸發(fā)量由于區(qū)域下墊面情況復(fù)雜等多重因素很難由儀器直接測(cè)出，且精度難以保證，因此尋求合適方法估算區(qū)域陸面蒸發(fā)量并增加估算結(jié)果的可信度顯得尤為重要，長(zhǎng)久以來(lái)一直是水文界研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。目前，基于不同原理的陸面蒸散發(fā)估算方法如FAO PenmawMonteith法、SPAC水分傳輸綜合模擬法、渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)法、蒸滲計(jì)觀測(cè)法等有很多，這些方法存在所需資料難以獲取且估算精度有限等問(wèn)題導(dǎo)致普適度不高，在實(shí)際應(yīng)用中受限較大。近年來(lái)，遙感技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)測(cè)方法無(wú)法滿足大區(qū)域要求、耗時(shí)長(zhǎng)、分辨率低的缺點(diǎn)，尤其是NASA發(fā)布的MODIS全球蒸散發(fā)產(chǎn)品MOD16，提供了高時(shí)空分辨率的陸地蒸散數(shù)據(jù)集，從而使從總體上把握整個(gè)區(qū)域系統(tǒng)的實(shí)際陸面蒸發(fā)量成為可能。同時(shí)，遙感技術(shù)也在分布式水文模型中得到了廣泛應(yīng)用，如SWAT模型能夠利用GIS和RS提供的空間數(shù)據(jù)信息與少量氣象資料對(duì)區(qū)域?qū)嶋H蒸散發(fā)進(jìn)行定量模擬，模型中的蒸散發(fā)模塊功能強(qiáng)大、物理基礎(chǔ)扎實(shí)，已被一些學(xué)者應(yīng)用于具體區(qū)域并取得了良好的估算效果。蒸發(fā)皿觀測(cè)法，即水面蒸發(fā)折算系數(shù)法，因其計(jì)算簡(jiǎn)單、資料易于獲取，也在一些地區(qū)得到了很好的應(yīng)用。

結(jié)合以往的一些研究，易知：由于對(duì)不同方法估算的蒸散發(fā)量的理解存在一定偏差，加上蒸散發(fā)的各種影響因子隨著氣候及下墊面條件的變化不確定性較大，在陸面蒸發(fā)的估算過(guò)程中往往會(huì)進(jìn)行不合理替代，從而因水量不平衡等問(wèn)題而導(dǎo)致深入研究受限。因此，在具體的氣候類型區(qū)對(duì)比研究不同方法的估算能力和適用性十分必要。鑒于此，本文將利用大汶河流域陸面過(guò)程綜合觀測(cè)資料，探討MODIS遙感方法、SWAT模型法、水面蒸發(fā)折算系數(shù)法在大汶河流域的適應(yīng)性，并根據(jù)水量平衡公式對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，以期為半濕潤(rùn)地區(qū)陸面蒸發(fā)研究方法的選擇提供一定的參考。1研究區(qū)域概況

大汶河流域位于山東省中部的泰山南麓，總流域面積為9 069 km²，是黃河下游重要支流。流域地屬溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均年降水量711 mm，其中6月-9月降雨量占年降雨量的75%。流域內(nèi)降水時(shí)空分布不均，東多西少，年際年內(nèi)分配不均，旱澇災(zāi)害較嚴(yán)重。

本文選取了大汶河流域上游受人為調(diào)蓄、消耗影響較小，能大致反映流域天然徑流情況的雪野水庫(kù)、黃前水庫(kù)以及東周水庫(kù)控制的三個(gè)閉合子流域。其中，雪野水庫(kù)位于萊蕪市北部，黃前水庫(kù)和東周水庫(kù)分別位于泰安市的東北部和東南部，見(jiàn)圖1。

2陸面蒸發(fā)量估算

2.1 M ODIS遙感方法

MODIS是中分辨率成像光譜儀（MODerate-resolution Imaging Spectroradiom eter）的簡(jiǎn)稱，作為新一代‘圖譜合一”的光學(xué)遙感儀器，其數(shù)據(jù)與產(chǎn)品已經(jīng)被越來(lái)越多地用于監(jiān)測(cè)地表能量平衡與水分狀況。MODIS搭載在兩顆太陽(yáng)同步極軌衛(wèi)星-Terra和Aqua上，為了獲取多波段的降雨、蒸發(fā)等水文數(shù)據(jù)，兩顆星相互配合每天或每?jī)商鞂?duì)地球表面進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，從而使人們更加深入地理解全球陸地、海洋和低層大氣內(nèi)水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

近年來(lái)美國(guó)國(guó)家航空航天局基于彭曼·蒙蒂斯模型結(jié)合MODIS遙感數(shù)據(jù)在蒸散發(fā)反演算法上取得了重大突破，并在地球觀測(cè)系統(tǒng)上發(fā)布了全球M ODIS陸地蒸散旬、月合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)系列（MODl6），它能夠提供模擬精度高達(dá)86%的地表蒸散量的特征參數(shù)，且能在NASA網(wǎng)站上免費(fèi)獲得，因此本文選用MODl6產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行大汶河流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的估算。

MODl6產(chǎn)品數(shù)據(jù)集提供了包括蒸散發(fā)（ET）、潛熱通量（LE）、潛在蒸散發(fā)（PET）和潛在潛熱通量（PLE）的信息，M ODl6蒸散發(fā)算法基于彭曼公式，計(jì)算時(shí)分別考慮了土壤表面蒸發(fā)、植被冠層截留水分蒸發(fā)和植物蒸騰量等因素。公式如下：

首先建立大汶河流域SWA T模型，根據(jù)雪野水庫(kù)、黃前水庫(kù)、東周水庫(kù)的實(shí)際經(jīng)緯度人工添加三個(gè)水庫(kù)控制點(diǎn)，根據(jù)加載的DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)劃分生成54個(gè)子流域，如圖2。在模型蒸散發(fā)模塊中輸入流域內(nèi)3個(gè)代表性氣象站泰安、泰山、淄川站的最高氣溫、最低氣溫與平均氣溫的數(shù)據(jù)，利用式（3）計(jì)算得出各子流域的逐月潛在蒸發(fā)量。得到潛在蒸發(fā)量之后，SWAT模型將計(jì)算植被冠層截留雨量蒸發(fā)、最大蒸騰量、最大升華量和最大土壤蒸發(fā)量，最后計(jì)算得出土壤的實(shí)際升華量和蒸發(fā)量，最終得到實(shí)際陸面蒸發(fā)量。本文選取了SWAT模型計(jì)算得到的大汶河流域中54個(gè)子流域2000年1月-2008年12月的逐月陸面蒸發(fā)資料，并計(jì)算得到三個(gè)水庫(kù)控制的子流域2000年-2008年多年平均年陸面蒸發(fā)量，見(jiàn)表1。endprint

2.3水面蒸發(fā)折算系數(shù)法

水面蒸發(fā)是供水充分條件下的蒸發(fā)，常用來(lái)作為反映蒸發(fā)能力的一個(gè)指標(biāo)，其與陸面蒸發(fā)相比具有不同熱力學(xué)性質(zhì)的蒸發(fā)面，但由于它們發(fā)生的氣候條件類似，因此兩者存在一定的關(guān)系，可由水面蒸發(fā)量乘一個(gè)折算系數(shù)間接求得陸面蒸發(fā)量，即

式中：E為陸面蒸發(fā)量；E₀為水面蒸發(fā)量；K為綜合陸面蒸發(fā)折算系數(shù)，與區(qū)域內(nèi)氣候條件、土壤特性、植被種類、植被覆蓋率等因素有關(guān)，取值在0～1之間。

水面蒸發(fā)量一般可由E601型蒸發(fā)皿觀測(cè)值代替，本文采用的數(shù)據(jù)是雪野水庫(kù)、黃前水庫(kù)、東周水庫(kù)2000年1月-2008年12月的E601型蒸發(fā)皿蒸散發(fā)資料，利用易于獲得的水面蒸發(fā)量對(duì)大汶河流域陸面蒸發(fā)量進(jìn)行估算，從而建立陸面蒸發(fā)與水面蒸發(fā)的關(guān)系。

為了避免自證，本文選取1980年-1999年資料數(shù)率參數(shù)K，并將優(yōu)選的參數(shù)移植到2000年-2008年與其他兩種方法比較。K值優(yōu)選采用年徑流殘差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)，具體公式如下：

利用1980年-1999年的多年降雨、水面蒸發(fā)及天然徑流資料，雪野水庫(kù)、黃前水庫(kù)、東周水庫(kù)控制的三個(gè)子流域均能得出一個(gè)折算系數(shù)，分別為：0.76、0.70、0.47。率定期年徑流過(guò)程對(duì)比見(jiàn)圖3，由圖可知，三個(gè)子流域的估算徑流與天然徑流擬合情況良好。

利用每個(gè)子流域算出的折算系數(shù)乘2000年-2008年的多年平均年水面蒸發(fā)量，從而求得2000年-2008年多年平均年陸面蒸發(fā)量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

4結(jié)果比較

為了驗(yàn)證區(qū)域蒸散發(fā)估算結(jié)果，選取了大汶河流域2000年-2008年的降水和實(shí)測(cè)徑流資料，結(jié)合上文通過(guò)MODIS遙感數(shù)據(jù)、SWAT模型以及綜合陸面蒸發(fā)折算系數(shù)估算的子流域多年平均年陸面蒸發(fā)量，運(yùn)用水量平衡公式評(píng)估三種方法的估算精度：

式中：R為多年平均年徑流量；P為多年平均年降水量；E為多年平均年陸面蒸發(fā)量；以上各項(xiàng)以水深mm計(jì)。

分別計(jì)算利用三種方法得到的三個(gè)子流域2000年-2008年的多年平均年徑流量與多年平均年天然徑流量的絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差，結(jié)果比較見(jiàn)表3。水庫(kù)控制子流域2000年-2008年多年平均月徑流過(guò)程對(duì)比見(jiàn)圖4。

由表3和圖4可看出，不同子流域的結(jié)果是一致的，即利用SWAT模型計(jì)算得出的多年平均年徑流量與多年平均年天然徑流量的相對(duì)誤差均為最小，誤差值集中在3%左右；MODIS遙感方法計(jì)算的相對(duì)誤差最大，三個(gè)子流域的平均值為29.4%；水面蒸發(fā)折算系數(shù)法計(jì)算的相對(duì)誤差較小，平均值為9.5%。表明在大汶河流域，SWAT模型估算的陸面蒸發(fā)精度最高，水面蒸發(fā)折算系數(shù)法次之，在實(shí)際工作中可以采用這兩種方法估算此流域的陸面蒸發(fā)。

5結(jié)論

區(qū)域陸面蒸散發(fā)的準(zhǔn)確估算對(duì)區(qū)域水資源優(yōu)化配置有一定參考價(jià)值。本文以大汶河流域的三個(gè)子流域?yàn)槔龑?duì)MODIS遙感方法、SWAT模型法、水面蒸發(fā)折算系數(shù)法對(duì)陸面蒸散發(fā)的估算效果進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，得出以下主要結(jié)論。

（1）由于區(qū)域下墊面條件復(fù)雜，格點(diǎn)內(nèi)蒸散發(fā)差異較大，因此利用MODIS全球蒸散發(fā)產(chǎn)品MOD16產(chǎn)品估算小區(qū)域陸面蒸發(fā)應(yīng)當(dāng)慎重，依據(jù)其評(píng)價(jià)區(qū)域天然徑流量可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差。未來(lái)遙感技術(shù)應(yīng)致力于增加衛(wèi)星數(shù)量，實(shí)現(xiàn)多源遙感數(shù)據(jù)的融合，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)于較小空間范圍的監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品精度。

（21利用水面蒸發(fā)折算系數(shù)法估算區(qū)域陸面蒸發(fā)具有一定精度，由于信息易于獲取，在缺乏詳細(xì)氣象資料時(shí)，可作為可選的方法，但由于K的區(qū)域性較強(qiáng)，應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)率定。

（3）SWAT模型估算流域?qū)嶋H陸面蒸散發(fā)的相對(duì)誤差僅在3%左右，表明模型中的Hargreaves法在大汶河流域的應(yīng)用效果好，只需要結(jié)合少量氣象資料即可估算出高精度的流域?qū)嶋H陸面蒸散量。endprint