改進的雙源蒸發模型潛在蒸發計算對比研究

溫笑寒

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

蒸發是水文循環和水量平衡的重要組成部分，作為水文模型以及區域水資源平衡計算的重要輸入項，蒸發對于水文模型和水資源平衡計算的精準程度十分重要[1]。近年來，對于區域蒸發計算在國內許多區域取得較多的研究成果[2- 8]，其中雙源蒸發計算模型由于可綜合考慮土壤和植被的蒸發，區域潛在蒸發計算效果較好。但傳統雙源蒸發模型由于在植被蒸發計算時一般考慮植物冠層截留蒸發影響，而對冠層蒸騰計算存在局限，使其在一些植被覆蓋率較高的區域潛在蒸發計算精度不高。為此有學者針對該問題，提出植物冠層蒸騰能力計算方程，對傳統雙源蒸發模型進行改進，通過一些區域的應用效果對比[9- 15]，其潛在蒸發計算精度較傳統蒸發模型有所改善。但改進的雙源蒸發模型在遼寧地區還未得到應用，尤其是遼寧的東部山丘區，該區域植被覆蓋度較高，傳統蒸發模型大都不能考慮植物蒸發、蒸騰作用，為此本文引入改進的雙源蒸發模型，以本溪山丘區為具體實例，結合該區域蒸發站點實測蒸發數據，對比分析改進的雙源蒸發模型在本溪山丘區蒸發的計算精度。研究成果對于遼寧東部山丘區蒸發計算具有重要的參考價值。

1 改進雙源蒸發模型計算原理

改進的雙源蒸發模型綜合考慮土壤蒸發、植物冠層截留蒸發、植物冠層蒸騰對區域潛在蒸發計算的影響，其主要蒸發計算框架如圖1所示，各蒸發項計算方程分別為：

圖1 改進雙源蒸發模型計算框圖

(1)植被冠層截留蒸發Ei：

(1)

(2)植被蒸騰能力EPC：

(2)

(3)土壤蒸發能力EPS：

(3)

2 模型應用

2.1 區域概況

本文以遼東山丘區為具體實例，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。區域內屬溫帶氣候，受季風影響較重，多年潛在蒸發量在800～1300mm之間。

2.2 模型數據及主要參數

改進的雙源蒸發模型需要植被分布、土壤類型分布以及氣象數據，各數據來源見表1。模型蒸發計算參數主要采用參考文獻[15]進行確定，計算參數見表2。

表1 研究數據類型及來源

表2 模型蒸發計算主要參數

2.3 年尺度計算值對比

結合本溪山丘區南甸蒸發數據，蒸發折算系數取值為0.91，轉換成區域蒸發值后，分別采用改進前后的雙源蒸發模型對區域年尺度潛在蒸發進行計算，年尺度相關系數如圖2所示。

圖2 改進前后雙源蒸發模型潛在蒸發計算值和蒸發皿蒸發之間的關聯分析結果

改進后的雙源蒸發模型相關度可達到0.56，相比于改進前的雙源蒸發模型其相關度提高0.20，這主要是因為本溪山丘區植被覆蓋度較高，除考慮其植被冠層截留蒸發外，其植物冠層蒸騰量也較大，而傳統雙源蒸發模型最初主要是考慮農作物蒸發影響，因此對于植被覆蓋度較高的區域，計算有所局限。而改進的雙源蒸發模型考慮了植物冠層蒸騰能力對區域蒸發影響，總體提高了年蒸發計算的相關度。

2.4 季節計算值對比

在改進前后雙源蒸發模型年蒸發相關度對比程度上，綜合對比了不同季節改進前后雙源蒸發模型計算值和觀測值之間的相關度，結果分別如圖3—4所示。

圖3 不同季節改進前雙源蒸發模型計算相關度分析

改進的雙源蒸發模型在不同季節較傳統雙源蒸發模型計算精度均有所改善。夏季由于植被覆蓋度較高，改進前后的雙源蒸發模型計算關聯度均高于0.5，冬季由于植被覆蓋度較低，傳統雙源蒸發模型關聯度僅為0.1，而改進后的雙源蒸發模型可達到0.41，這主要是因為改進的雙源蒸發模型由于主要考慮植物冠層截留蒸發影響，而遼東在冬季，其主要為降雪，其植物冠層截留量較低，因此其相關度較低，而改進的雙源蒸發模型由于綜合考慮植物冠層截留和蒸騰影響，其冬季計算相關度明顯提高。春季和秋季同樣由于植被覆蓋度較低，改進的雙源蒸發模型較傳統模型的關聯度均有所提高。

圖4 不同季節改進前雙源蒸發模型計算相關度分析

2.5 月蒸發計算分析

分別采用改進前后的雙源蒸發模型對不同月份的潛在蒸發進行計算，并和各月份蒸發觀測值進行逐月對比，計算值見表3。

表3 不同月份改進前后雙源蒸發模型計算值

從計算結果可看出，改進的雙源蒸發模型在不同月份下的蒸發計算值均高于傳統雙源蒸發模型，這主要是因為改進的雙源蒸發模型相比于傳統雙源蒸發模型，綜合考慮了植物冠層蒸騰量，使得其蒸發計算量有所增加。在各月份蒸發分布而言，夏季的6—9月改進的雙源蒸發模型和傳統蒸發模型計算值總體較為接近，且和蒸發皿觀測值之間的吻合度也較好，這主要是因為本溪山丘區，夏季降水量較大，使得其植物冠層截留蒸發量也較高，因此改進前后的雙源蒸發模型在夏季的6—9月份蒸發量較為接近。而進入秋季和冬季，隨著植被覆蓋度的降低及降水量的銳減，改進前后雙源蒸發模型和蒸發皿觀測值之間的誤差有所加大。

3 結論

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

(2)本文主要對植被蒸騰阻抗參數進行了設定，對于遼東地區，其土壤阻抗值建議值500sm-1，遼西植被較為稀疏的區域，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有關，不同季節其葉面積指數不同，而本文未根據不同季節設置其植物冠層反照率，存在局限，在后期研究中還需要對不同季節設置其植物冠層反照率，從而進一步提高潛在蒸發計算精度。