城市背景下草地蒸散發及土壤水分變異特性
----以揚州區域性草地植被為例

周 欽，黃金柏，周亞明，黃涌增

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127)

城市化是當今世界發展的重要特性，任何一個國家或地區的發展都離不開這一變革，但同時它也會帶來相應的生態、氣候問題[1]。在城市化進程中，大量建筑物的建造導致原有的裸露地面、植被等被不透水或弱透水地面所覆蓋的面積不斷增加，城市在暴雨時易造成排水不暢、形成地面積水的局面。同時，城市擴展在很大程度上改變了城市下墊面的熱力性質和動力性質[2]，不僅對區域內的氣溫、降雨等氣候因素產生影響[3]，使城市產生熱島效應、雨島效應，也影響著水文過程中蒸散發的變化[4]。蒸散發是水文循環中重要的環節，是土壤水分和大氣層水分之間交換的媒介[5,6]，對其進行定量估算是評價區域耗水及土壤水分運移的基礎[7]。在城市化背景下，海綿城市理念越來越受到人們的關注。運用海綿城市理論，增加綠地植被，能夠有效加快雨水入滲，提高土壤的蓄水功能，從而能降低城市的洪澇災害風險，改善提升城市的生態水平[8]。

揚州市地處江蘇省西部，江淮下游，屬北亞熱帶濕潤氣候區[9]，年平均氣溫為15～18℃，多年平均降雨量達1 000 mm，且大部分降雨集中在5-9月[10]。相對集中的汛期對淺層地下水位帶來顯著的變化的同時可能造成城市內澇。近年來，揚州城市化發展加快，人口不斷增加，綠色植被逐漸減小。為揭示揚州城市化背景下草地植被蒸散發和土壤水分的季節性變化特性，本文選取揚州大學揚子津校區農水與水文生態實驗場及揚州大學江陽中路南校區草地植被為研究區，對氣象數據以及土壤水分進行觀測，利用原始的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式估算草地蒸散發量ET，利用FAO推薦的經修正的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式估算參考作物蒸散發量ET0，并推求草地植被的水分有效性參數。通過構建研究區小尺度土壤水分運動模型，對表層土壤水分進行模擬，研究結果以期為揚州城市化背景下草地植被的水分循環和基于發展綠色植被提升海綿城市建設水平提供部分基礎數據。

1 研究區概況及數據觀測

1.1 研究區概況

選取揚州大學揚子津校區農水與水文生態實驗場氣象站內草地P1(32°21′14.95″N，119°23′46.32″E)及揚州大學江陽路南校區草地植被P2(32°22′53.64″N，119°25′8.15″E)為研究區，兩點的寫真如圖1所示。

圖1 研究區P1、P2寫真

1.2 數據觀測

通過在P1、P2設置氣象站(型號：U30-NRC-10-S100-000；制造商：美國OnSet儀器設備公司；觀測點高程：14 m)對主要氣象數據如溫度、風速、相對濕度、太陽輻射量、降雨量等進行觀測；利用土壤水分計(型號：H21-002； 制造商：美國OnSet公司)對地面以下5、15及30 cm處的土壤水分進行觀測。 數據觀測的時間間隔均為1 h，觀測時段為2016年10月5日至2017年10月4日。在觀測時段內，不同深度的土壤水分數據存在時段性的缺失。

2 材料和方法

2.1 蒸散發計算

蒸散發是水循環的重要組成部分，也是水文模型的關鍵輸入因子[11]。蒸散發的準確推求，對進一步了解土壤水分運移及評價區域耗水具有重要意義[12]。本研究采用由聯合國糧農組織(FAO)推薦的經修正的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計算參考作物的蒸散發量ET0，采用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計算草地生長期的蒸散發量ET。采用ET與ET0的比值作為水分有效性參數(ma)，用來評價研究區水分有效性的季節變化。

(1)

(2)

ma=ET/ET0

(3)

式中：ET0為參考作物蒸散發量，mm/d；Δ為飽和水汽壓與溫度函數曲線在某時間點上的斜率，kPa/K；Rn為地表凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；es為不同溫度的飽和水汽壓，kPa；ea為實際的水汽壓，kPa；T為空氣溫度，℃；u為風速，m/s；γ為干濕溫度計常數，kPa/K；ET為草地蒸散發量，mm/d；ρ為空氣密度，kg/m3；ra為氣動阻抗，s/m；rs為表面阻抗，s/m；cp為空氣比熱，1.0×10-3MJ/(kg·K)；l為水的汽化潛熱，MJ/kg。式(1)、(2)中各因子的計算方法由式(4)～(13)進行確定。

(4)

(5)

γ=0.665×10-3P

(6)

(7)

l=2.50-0.002 4T

(8)

(9)

(10)

z0m=0.123Hc

(11)

z0h=0.1z0m

(12)

式中：P為大氣壓強，kPa；Hc為作物高度，計算時為草地植被覆蓋下的植物平均計算高度，取0.12 m；d為零平面置換高度，m；z為氣象觀測高度，m；z0m為動量傳遞的粗糙長度，m；z0h為熱和水汽的粗糙長度，m；k為von Karman’s常數(0.41)。

利用公式(2)，基于0～30 cm的平均土壤水分θ的變動過程來率定表面阻抗rs[13]，近似的得到土壤水分θ與表面阻抗rs的關系函數如下：

rs=26 498 exp(-4.784θ)

(13)

式中：θ為表層土壤平均含水量，cm3/cm3。

2.2 土壤水分模型的構建

2.2.1 基礎方程式

利用Richards方程構建研究區一維土壤水分運動模型，如下：

(14)

式中：θ為土壤體積含水量，cm3/cm3；t為時間因子；z為垂向空間因子；D(θ)為土壤水分擴散率，cm2/d；K(θ)為土壤導水率，cm/d。

2.2.2 算法建立

為了保證求解的精度，采用有限差分方法來對所建立的土壤水分運動方程進行數值算法的擬定。利用有限差分方法，對式(15)在時間和空間上進行離散，以1 d為時間步長(Δt)，垂向取10 cm(Δz)的土壤為第一層，對其土壤含水量進行計算。差分格式如下：

(15)

2.2.3 參數率定

為了實現模型參數的準確率定，對兩點土壤進行多次采樣，并進行物理性分析。分析的主要內容為土壤的機械組成及土壤物性，根據實驗結果推求出土壤密度、土壤孔隙率等土壤物理性參數，實現模型中基本參數的確定；通過簡易滲透實驗，推求出土壤水分的垂向滲透系數[15]；利用激光粒度分析儀(Mastersizer 3000E)篩選土壤顆粒級配(黏粒、粉粒、砂粒的百分含量)并通過美國農業部土壤質地分類三角坐標圖分析研究區土壤質地(粉壤土)[16]。最終確定的模型主要參數及顆粒級配如表1所示。

3 結果及分析

3.1 蒸散發計算結果

參考作物蒸散發計算時段為2016年10月5日至2017年10月4日。由圖2可以看出，P1、P2兩點ET0曲線幾乎重合，計算時段內，兩點的年ET0為1 115.0 mm(略低于年降雨量1 200 mm)，均值為3.0 mm，最小值發生在2016年12月26日，為0.2 mm，當日溫度僅為7 ℃，太陽輻射量為8.7 W/m2；最大值發生在2017年7月16日，約為7.7 mm，當天溫度高達33.6 ℃，太陽輻射量為258 W/m2。從全年來看，ET0的季節性變化趨勢明顯，12月至2月兩點的ET0多在0.1～3.0 mm/d之間，變動幅度較小，處于全年較低水平，其主要原因是在此期間，影響蒸散發量的主要氣象因子溫度、太陽輻射量、風速等在一年內都處于較低水平；5-9月兩點的ET0變化范圍大部分處于2.0～8.0 mm/d之間，變動幅度較大，處于全年較高水平，主要原因在于上述氣象因子在一年中高于其他月份，且水分供應也較充足。

圖2 P1、P2參考作物蒸散發(2016-10-05-2017-10-04)

圖3 P1、P2生長期內蒸散發量(2017-07-01-2017-09-30)

由于部分土壤水分數據缺失，ET計算時段為2017年7-9月，該時段處于草地植被的生長期內，在時間上占據了當地雨季(6-9月)的大部分時間。ET的計算結果如圖3所示，計算時段內，兩點的日平均蒸散發量在1.4 mm/d左右，P1點ET計算結果最大值為4.4 mm/d(2017-09-16)，最小值為0.05 mm/d(2017-09-24)，在此計算時段內，草地的總蒸散發量為129.7 mm，占同期降雨量的24.2%；P2點ET計算結果最大值為4.4 mm/d(2017-09-16)，最小值為0.05 mm/d(2017-09-24)，草地的總蒸散發量為122.2 mm，占同期降雨量的22.9%，兩點的蒸散發量約占同期降雨量的1/4。

蒸散發不僅受外界環境的影響，還受控于土壤水分的含量。草地蒸散發ET對集中降雨的反應很靈敏，在集中降雨發生后，ET常會出現較大的值，其原因是雨后土壤含水量較高，且對蒸散發有較大影響的氣象因子常處于較高水平，如氣溫較高、太陽輻射量集中等，所以ET顯著。在計算期內的大部分時間點上，P2的ET略低于P1的ET，原因在于P2的表面阻抗rs高于P1，而表面阻抗受土壤水分含量的影響，土壤含水量越小，表面阻抗越大。因此土壤含水量的大小決定了蒸散發過程中可用于蒸散發的水分狀況。

3.2 水分有效性評價

將同期ET和ET0的比值定義為水分有效性參數(ma=ET/ET0)，用來評價研究區的水分有效性。圖4所示為計算時段內P1、P2ma的變化情況。ma的曲線形狀與ET曲線形狀相似，主要受ET的影響。ma處于0.02～0.94之間，最小值為分別為0.03、0.02，均發生于8月1日，當日風速處于計算時段內的最大值(3.3 m/s)，由于長時間沒有降雨，且因強烈的蒸發作用，土壤水分含量較低；ma最大值分別為0.94、0.93(ET分別為0.88、0.86，ET0為0.93)，均發生于9月27日，由于當天的降雨強度較大，土壤含水量顯著增加，較高的土壤含水量為蒸散發提供了相對充足的水分，從而導致當日的蒸散發量與潛在蒸散發量接近。

圖4 P1、P2水分有效性參數ma(2017-07-01-2017-09-30)

在8、9月份，ma多處于較高水平，原因在于雨季的降雨量相對集中，土壤中的雨水入滲量增加，同時氣象因子中對蒸散發產生主要影響的氣溫、太陽輻射量都處于較高水平，導致ET較大，在這些時刻，ma也出現較大的值。由此可知，ET的變化影響著水分有效性參數ma的變化。計算時段內，P1、P2兩點的ma平均值分別為0.39、0.37，P1點略高于P2點。

3.3 土壤水分模擬結果

由圖5、圖6可知，7-9月的降雨量為536.5 mm，占全年降雨量的44.7%，最大一次降雨發生在9月24日(降雨量：101.2 mm)。土壤含水量對降雨的反應很靈敏，在集中降雨發生期間，表層土壤含水量在短時間內顯著增加(9月24日)，含水量峰值出現時間與降雨時間有很好的一致性；在無雨或少雨的情況下，土壤水分含量呈逐漸降低的趨勢。

計算時段內P1、P2土壤水分模擬結果曲線分別如圖5、圖6所示。計算時段內兩點表層土壤含水量(0～10 cm)實測值與計算值曲線之間的契合度很高，模擬值很好地再現了土壤水分觀測值的變化過程。在無降雨時段，土壤水分的計算值與實測值之間的絕對誤差很小，僅在±0.02范圍以內，且計算值一般小于實測值；降雨產生階段，計算值與實測值之間的誤差波動較大，絕對誤差在±0.05之間，原因在于模型僅考慮了土壤水分的垂向收支過程，當表層土壤含水量較高時，水分會發生橫向擴散，從而對計算點的模擬精度產生較大影響。

圖5 P1點第一層土壤水分模擬結果(2017-07-01-2017-09-30)

圖6 P2點第一層土壤水分模擬結果(2017-07-01-2017-09-30)

3.4 模型檢驗

利用均方根誤差(RMSE)及納什效率系數(NSE)對模型的實用性及效率等加以檢驗。RMSE是用來評價模型的計算精度，此值越接近于0，表示模型的模擬精度越高；NSE表示模型運行效率的高低，此值越接近于1，表示模擬結果越接近觀測結果，模型可信度高。

(16)

(17)

表2 模型檢驗參數值

由表2可知，P1、P2兩點表層土壤水分的實測序列與計算序列的均方根誤差(RMSE)分別為0.012、0.021，顯示出模型的可靠性，能較好地模擬不同下墊面土壤水分動態變化過程；從納什效率系數(NSE)來看，P1點的NSE為0.830， P2點的NSE為0.928，模型運行效率較高。

4 結 語

本文選取揚州大學揚子津校區農水與水文生態試驗場(P1)與江陽中路南校區草坪(P2)為研究區，推求了潛在蒸散發量(2016-10-05-2017-10-04)、草地蒸散發量(2017-07-01-2017-09-31)并對水分有效性進行了評價，構建了一維表層土壤水分模擬模型并對模型的實用性進行檢驗，得出主要結論如下。

(1)2016年10月5日至2017年10月4日， P1、P2的年ET0累積值為1 115.0 mm，略低于同期降雨量，且具有明顯的季節性變化；2017年7月1日至2017年9月30日，P1、P2的ET累積值分別為129.7、122.2 mm，略低于同期降雨量的25%；同期P1、P2的水分有效性參數(ma)分別為0.39、0.37。

(2) 構建的一維土壤水分計算模型的RMSE小于0.025，NSE在0.80以上，說明模型的計算精度較高且具有較高的運行效率。

研究成果以期為城市化背景下草地植被的土壤水分循環及土壤水分的繼續研究提供研究基礎。