兩種蒸散發(fā)模型在遼寧西部地區(qū)的適用性及對(duì)比分析

劉 佳，劉長(zhǎng)君

（遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧沈陽(yáng)110046）

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兩種蒸散發(fā)模型在遼寧西部地區(qū)的適用性及對(duì)比分析

劉 佳，劉長(zhǎng)君

（遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧沈陽(yáng)110046）

摘要：本文以遼西大凌河西支為研究流域，分別以P-M蒸散發(fā)模型和雙源蒸散發(fā)模型計(jì)算研究流域的蒸散發(fā)，并和流域內(nèi)哈巴氣水文站實(shí)測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。定量研究了不同蒸散發(fā)輸入對(duì)流域水文模擬精度的影響。研究結(jié)果表明：雙源蒸散發(fā)模型更適合于遼西地區(qū)的蒸散發(fā)模擬。研究成果對(duì)于遼西地區(qū)特別是無(wú)資料地區(qū)的蒸散發(fā)模擬具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：兩種蒸散發(fā)模型；適用性分析；水文模擬精度對(duì)比；遼寧西部地區(qū)

流域蒸散發(fā)是水量平衡方程中的重要輸入項(xiàng)，對(duì)于流域水文模擬至關(guān)重要。在有實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿的區(qū)域，常選用實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)作為水文模擬的輸入項(xiàng)，但是對(duì)于較大流域的水文模擬來(lái)說(shuō)，單點(diǎn)蒸發(fā)皿不能完全代表整個(gè)流域面的蒸散發(fā)，特別是在當(dāng)前分布式水文模型成為重要模擬工具，分布式水文模型需要流域內(nèi)所有單元計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)的蒸散發(fā)作為水文模擬的輸入，也有學(xué)者采用插值方法將單點(diǎn)的實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)插值到流域內(nèi)所有計(jì)算單元網(wǎng)格內(nèi)，但該插值方法不能考慮流域下墊面對(duì)流域蒸散發(fā)的影響，存在輸入誤差。鑒于此，許多分布式水文模型的蒸發(fā)輸入均采用蒸散發(fā)模型來(lái)模擬不同計(jì)算單元網(wǎng)格內(nèi)的蒸散發(fā)，但不同蒸散發(fā)模型在不同流域具有不同的適用性。為此，在選用蒸散發(fā)模型前，應(yīng)對(duì)選用的蒸散發(fā)模型進(jìn)行適用性分析。當(dāng)前，蒸散發(fā)模型運(yùn)用較多的為P-M蒸散發(fā)和雙源蒸散發(fā)模型，兩種蒸散發(fā)模型在我國(guó)不同流域都進(jìn)行過(guò)研究，并取得一定的研究成果［1］-［5］。但兩種蒸散發(fā)模型在遼寧西部地區(qū)的運(yùn)用成果還較少，特別是兩種蒸散發(fā)模型適用性分析及對(duì)比研究成果較少。而遼西地區(qū)的蒸散發(fā)量較大，但是實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿相比較少，對(duì)于遼西地區(qū)的水文模擬存在一定的誤差，為此，本文將當(dāng)前運(yùn)用較為廣泛的兩種蒸散發(fā)模型，模擬遼西地區(qū)大凌河西支流域蒸散發(fā)，并和哈巴氣實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，此外還定量分析兩種蒸散發(fā)模型輸入對(duì)流域水文模擬精度的影響，研究成果對(duì)于遼西地區(qū)的蒸散發(fā)模擬和水文模擬提供參考價(jià)值。

1　研究區(qū)域概況

本文選取遼寧西部大凌河西支流域作為研究流域，該流域主要位于遼寧西部朝陽(yáng)地區(qū)，流域氣候?yàn)榘霛駶?rùn)半干旱的過(guò)渡帶氣候，流域夏季干燥，冬季寒冷，流域風(fēng)速較大，使得遼西地區(qū)年蒸發(fā)量較大，遼西地區(qū)年蒸發(fā)量多在800～1000mm，使得遼寧西部地區(qū)成為水資源相對(duì)短缺的一個(gè)區(qū)域，因此對(duì)于這一區(qū)域的水文模擬來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)量輸入精度的高低至關(guān)重要，而僅依靠單點(diǎn)實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿容易造成水文模擬精度偏差，特別是在遼西無(wú)資料地區(qū)的水文模擬。

2　研究方法及所需資料

2.1 研究方法

本文選用P-M蒸散發(fā)模型和雙源蒸散發(fā)模型作為流域蒸散發(fā)模擬模型，P-M蒸散發(fā)計(jì)算模型為：

式（1）中：LE為流域的潛在蒸散發(fā)量，mm；Δ為水汽壓梯度，KPa/℃；Rn為流域熱能通量，W/ m2；G為土壤熱能通量，W/m2；CP為比熱值；Ta為平均氣溫，℃；es（Ta）-ea為飽和水汽壓梯度，KPa/℃；r為干濕常數(shù)；ra為空氣動(dòng)力學(xué)阻抗，單位為s/m；rs為陸面表明阻抗，s/m。

雙源蒸散發(fā)模型同時(shí)考慮植被和土壤蒸散發(fā)，單獨(dú)計(jì)算土壤和植被的蒸散發(fā)，作為最后總的蒸散發(fā)，考慮文章篇幅原因，雙源蒸散發(fā)模型計(jì)算原理可詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)［6］。此外，為考慮不同蒸發(fā)輸入對(duì)大凌河西支流域水文模擬精度的影響，運(yùn)用適合于遼西地區(qū)水文模擬的垂向混合產(chǎn)流模型［7］來(lái)模擬不同蒸發(fā)輸入下的水文模擬。

2.2 研究所需資料

P-M蒸散發(fā)模型需要的資料主要為氣象資料，收集流域內(nèi)朝陽(yáng)氣象站1954～2012年氣象數(shù)據(jù)，其中氣象數(shù)據(jù)包括大氣壓強(qiáng)、日最高、最低氣溫、日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速的氣象數(shù)據(jù)。雙源蒸散發(fā)模型由于同時(shí)考慮土壤和植被的蒸散發(fā)，因此需要流域的下墊面信息數(shù)據(jù)，包括流域的土地利用/覆被，同時(shí)也需要流域氣象數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)和P-M蒸散發(fā)所需氣象數(shù)據(jù)一致，流域的土地利用/覆被數(shù)據(jù)下載來(lái)源，見(jiàn)參考文獻(xiàn)［7］。為對(duì)比不同蒸散發(fā)模型計(jì)算的蒸散發(fā)和實(shí)測(cè)蒸散發(fā)的相關(guān)性，收集了流域內(nèi)哈巴氣1954～2012年實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)數(shù)據(jù)，此外，為定量分析不同蒸發(fā)輸入對(duì)大凌河西支流域水文模擬精度的影響，收集哈巴氣2000～2010年水文數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析。

3　不同蒸散發(fā)計(jì)算模型的對(duì)比分析

3.1 不同蒸散發(fā)模型和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿相關(guān)性分析

為定量分析不同蒸發(fā)模型在大凌河西支流域的蒸散發(fā)模擬和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)的相關(guān)性，運(yùn)用兩種蒸散發(fā)模型分別計(jì)算大凌河西支流域1954～2012年潛在蒸散發(fā)量，并分別和哈巴氣實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1中左側(cè)為雙源蒸散發(fā)模型和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)之間的相關(guān)關(guān)系圖，從圖中可以看出，雙源蒸散發(fā)模型計(jì)算的潛在蒸散發(fā)量和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)較為集中，相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R到達(dá)0.76，屬于高度相關(guān)，而如圖1右側(cè)P-M蒸散發(fā)模型計(jì)算的潛在蒸散發(fā)和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)相關(guān)圖可看出，P-M公式計(jì)算的潛在蒸散發(fā)和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)點(diǎn)較為分散，相關(guān)性弱于雙源蒸散發(fā)模型和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿的相關(guān)性，P-M公式和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿相關(guān)系數(shù)R為0.58，呈現(xiàn)中等相關(guān)性。這主要是因?yàn)殡p源蒸散發(fā)模型同時(shí)考慮土地利用/覆被和土壤蒸散發(fā)，而P-M公式主要考慮氣象條件對(duì)流域蒸散發(fā)的影響，而在實(shí)際情況中，土地利用/覆被和土壤對(duì)流域蒸散發(fā)的影響時(shí)不可忽略的，因此，同時(shí)考慮土地利用/覆被和土壤蒸散發(fā)的雙源蒸散發(fā)模型和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿相關(guān)性好于P-M蒸散發(fā)模型和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿的相關(guān)性，更適合于遼西地區(qū)的蒸散發(fā)模擬。

圖1　P-M蒸散發(fā)模型、雙源蒸散發(fā)計(jì)算模型與實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)相關(guān)關(guān)系圖

3.2 不同蒸散輸入對(duì)水文模擬的影響

為定量?jī)煞N蒸發(fā)模型模擬的蒸發(fā)對(duì)流域水文模擬精度的影響，運(yùn)用垂向混合產(chǎn)流模型基于兩種蒸散模型模擬的2001～2010年蒸散發(fā)作為蒸發(fā)輸入，模擬不同蒸散發(fā)的水文模擬精度，成果見(jiàn)表1。

表1　不同蒸散發(fā)輸入對(duì)水文模擬精度影響

從表1中可以看出，兩種蒸散發(fā)模型作為模型輸入模擬的精度都較好，模擬的徑流深相對(duì)誤差均小于10%，其中雙源蒸散發(fā)模型的徑流深相對(duì)誤差更佳，小于5%，其中P-M蒸散發(fā)模型模擬的徑流深相對(duì)誤差最大值為9.59%，徑流深相對(duì)誤差最小值為6.29%，雙源蒸散發(fā)模型徑流深相對(duì)誤差最大值為-4.32%，徑流深相對(duì)誤差最小值為2.80%，可見(jiàn)，雙源蒸散發(fā)作為水文模擬蒸發(fā)輸入其模擬的徑流深相對(duì)誤差更小，從模擬的徑流深相對(duì)誤差也可以看出，雙源蒸散發(fā)模擬的徑流深相對(duì)誤差平均值為3.72%，而P-M蒸散發(fā)模型模擬的徑流深相對(duì)誤差的平均值為8.16%，雙源蒸散發(fā)模擬的徑流深相對(duì)誤差精度相比于P-M蒸散發(fā)模型，誤差減少4.44%。同樣從反映流量過(guò)程模擬好壞的重要指標(biāo)確定性系數(shù)也可以看出，P-M蒸散發(fā)模型模擬的流量過(guò)程確定性系數(shù)在0.6～0.7之間，而雙源蒸散發(fā)模型模擬的流量過(guò)程確定性系數(shù)各年份均高達(dá)0.8～0.9之間，雙源蒸散發(fā)模型作為蒸發(fā)輸入模擬的流量過(guò)程擬合度好于P-M蒸散發(fā)模型，從兩種蒸散發(fā)模型作為蒸發(fā)輸入的流量過(guò)程確定性系數(shù)的均值也可看出，雙源蒸散發(fā)模型作為蒸發(fā)輸入的確定系數(shù)均值相比于P-M蒸散發(fā)模型提高了0.183。

4　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)比了兩種蒸散發(fā)模型在遼寧西部地區(qū)大凌河西支流域的適用性及對(duì)水文模擬精度的影響，研究取得以下結(jié)論。

（1）雙源蒸散發(fā)模型更適合于遼寧西部地區(qū)的蒸發(fā)模擬，其和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿蒸發(fā)相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.76，好于P-M蒸散發(fā)模型和實(shí)測(cè)蒸發(fā)皿的相關(guān)系數(shù)；

（2）兩種蒸散發(fā)模型均可用來(lái)作為遼寧西部地區(qū)水文模擬的蒸發(fā)輸入，雙源蒸散發(fā)模型模擬徑流深相對(duì)誤差相比于P-M蒸散發(fā)模型減少4.44%，流量過(guò)程確定性系數(shù)提高0.183，更適合于遼寧西部地區(qū)水文模擬的蒸發(fā)輸入。

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作者簡(jiǎn)介：劉 佳（1982年—），女，工程師。

收稿日期：2015-08-03

中圖分類(lèi)號(hào)：TV125；P426

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）02-0038-03

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.014