两种蒸散发模型在辽宁西部地区的适用性及对比分析

刘 佳，刘长君

（辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳110046）



两种蒸散发模型在辽宁西部地区的适用性及对比分析

刘 佳，刘长君

（辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳110046）

摘要：本文以辽西大凌河西支为研究流域，分别以P-M蒸散发模型和双源蒸散发模型计算研究流域的蒸散发，并和流域内哈巴气水文站实测蒸发数据进行对比分析。定量研究了不同蒸散发输入对流域水文模拟精度的影响。研究结果表明：双源蒸散发模型更适合于辽西地区的蒸散发模拟。研究成果对于辽西地区特别是无资料地区的蒸散发模拟具有参考价值。

关键词：两种蒸散发模型；适用性分析；水文模拟精度对比；辽宁西部地区

流域蒸散发是水量平衡方程中的重要输入项，对于流域水文模拟至关重要。在有实测蒸发皿的区域，常选用实测蒸发皿蒸发作为水文模拟的输入项，但是对于较大流域的水文模拟来说，单点蒸发皿不能完全代表整个流域面的蒸散发，特别是在当前分布式水文模型成为重要模拟工具，分布式水文模型需要流域内所有单元计算网格内的蒸散发作为水文模拟的输入，也有学者采用插值方法将单点的实测蒸发皿蒸发插值到流域内所有计算单元网格内，但该插值方法不能考虑流域下垫面对流域蒸散发的影响，存在输入误差。鉴于此，许多分布式水文模型的蒸发输入均采用蒸散发模型来模拟不同计算单元网格内的蒸散发，但不同蒸散发模型在不同流域具有不同的适用性。为此，在选用蒸散发模型前，应对选用的蒸散发模型进行适用性分析。当前，蒸散发模型运用较多的为P-M蒸散发和双源蒸散发模型，两种蒸散发模型在我国不同流域都进行过研究，并取得一定的研究成果［1］-［5］。但两种蒸散发模型在辽宁西部地区的运用成果还较少，特别是两种蒸散发模型适用性分析及对比研究成果较少。而辽西地区的蒸散发量较大，但是实测蒸发皿相比较少，对于辽西地区的水文模拟存在一定的误差，为此，本文将当前运用较为广泛的两种蒸散发模型，模拟辽西地区大凌河西支流域蒸散发，并和哈巴气实测蒸发皿蒸发数据进行对比分析，此外还定量分析两种蒸散发模型输入对流域水文模拟精度的影响，研究成果对于辽西地区的蒸散发模拟和水文模拟提供参考价值。

1　研究区域概况

本文选取辽宁西部大凌河西支流域作为研究流域，该流域主要位于辽宁西部朝阳地区，流域气候为半湿润半干旱的过渡带气候，流域夏季干燥，冬季寒冷，流域风速较大，使得辽西地区年蒸发量较大，辽西地区年蒸发量多在800～1000mm，使得辽宁西部地区成为水资源相对短缺的一个区域，因此对于这一区域的水文模拟来说，蒸发量输入精度的高低至关重要，而仅依靠单点实测蒸发皿容易造成水文模拟精度偏差，特别是在辽西无资料地区的水文模拟。

2　研究方法及所需资料

2.1 研究方法

本文选用P-M蒸散发模型和双源蒸散发模型作为流域蒸散发模拟模型，P-M蒸散发计算模型为：

式（1）中：LE为流域的潜在蒸散发量，mm；Δ为水汽压梯度，KPa/℃；Rn为流域热能通量，W/ m2；G为土壤热能通量，W/m2；CP为比热值；Ta为平均气温，℃；es（Ta）-ea为饱和水汽压梯度，KPa/℃；r为干湿常数；ra为空气动力学阻抗，单位为s/m；rs为陆面表明阻抗，s/m。

双源蒸散发模型同时考虑植被和土壤蒸散发，单独计算土壤和植被的蒸散发，作为最后总的蒸散发，考虑文章篇幅原因，双源蒸散发模型计算原理可详见参考文献［6］。此外，为考虑不同蒸发输入对大凌河西支流域水文模拟精度的影响，运用适合于辽西地区水文模拟的垂向混合产流模型［7］来模拟不同蒸发输入下的水文模拟。

2.2 研究所需资料

P-M蒸散发模型需要的资料主要为气象资料，收集流域内朝阳气象站1954～2012年气象数据，其中气象数据包括大气压强、日最高、最低气温、日平均气温、日照时数、平均风速的气象数据。双源蒸散发模型由于同时考虑土壤和植被的蒸散发，因此需要流域的下垫面信息数据，包括流域的土地利用/覆被，同时也需要流域气象数据，气象数据和P-M蒸散发所需气象数据一致，流域的土地利用/覆被数据下载来源，见参考文献［7］。为对比不同蒸散发模型计算的蒸散发和实测蒸散发的相关性，收集了流域内哈巴气1954～2012年实测蒸发皿蒸发数据，此外，为定量分析不同蒸发输入对大凌河西支流域水文模拟精度的影响，收集哈巴气2000～2010年水文数据，进行对比分析。

3　不同蒸散发计算模型的对比分析

3.1 不同蒸散发模型和实测蒸发皿相关性分析

为定量分析不同蒸发模型在大凌河西支流域的蒸散发模拟和实测蒸发皿蒸发的相关性，运用两种蒸散发模型分别计算大凌河西支流域1954～2012年潜在蒸散发量，并分别和哈巴气实测蒸发皿蒸发进行相关性分析，结果见图1。

图1中左侧为双源蒸散发模型和实测蒸发皿蒸发之间的相关关系图，从图中可以看出，双源蒸散发模型计算的潜在蒸散发量和实测蒸发皿蒸发较为集中，相关性较好，相关系数R到达0.76，属于高度相关，而如图1右侧P-M蒸散发模型计算的潜在蒸散发和实测蒸发皿蒸发相关图可看出，P-M公式计算的潜在蒸散发和实测蒸发皿蒸发点较为分散，相关性弱于双源蒸散发模型和实测蒸发皿的相关性，P-M公式和实测蒸发皿相关系数R为0.58，呈现中等相关性。这主要是因为双源蒸散发模型同时考虑土地利用/覆被和土壤蒸散发，而P-M公式主要考虑气象条件对流域蒸散发的影响，而在实际情况中，土地利用/覆被和土壤对流域蒸散发的影响时不可忽略的，因此，同时考虑土地利用/覆被和土壤蒸散发的双源蒸散发模型和实测蒸发皿相关性好于P-M蒸散发模型和实测蒸发皿的相关性，更适合于辽西地区的蒸散发模拟。

图1　P-M蒸散发模型、双源蒸散发计算模型与实测蒸发皿蒸发相关关系图

3.2 不同蒸散输入对水文模拟的影响

为定量两种蒸发模型模拟的蒸发对流域水文模拟精度的影响，运用垂向混合产流模型基于两种蒸散模型模拟的2001～2010年蒸散发作为蒸发输入，模拟不同蒸散发的水文模拟精度，成果见表1。

表1　不同蒸散发输入对水文模拟精度影响

从表1中可以看出，两种蒸散发模型作为模型输入模拟的精度都较好，模拟的径流深相对误差均小于10%，其中双源蒸散发模型的径流深相对误差更佳，小于5%，其中P-M蒸散发模型模拟的径流深相对误差最大值为9.59%，径流深相对误差最小值为6.29%，双源蒸散发模型径流深相对误差最大值为-4.32%，径流深相对误差最小值为2.80%，可见，双源蒸散发作为水文模拟蒸发输入其模拟的径流深相对误差更小，从模拟的径流深相对误差也可以看出，双源蒸散发模拟的径流深相对误差平均值为3.72%，而P-M蒸散发模型模拟的径流深相对误差的平均值为8.16%，双源蒸散发模拟的径流深相对误差精度相比于P-M蒸散发模型，误差减少4.44%。同样从反映流量过程模拟好坏的重要指标确定性系数也可以看出，P-M蒸散发模型模拟的流量过程确定性系数在0.6～0.7之间，而双源蒸散发模型模拟的流量过程确定性系数各年份均高达0.8～0.9之间，双源蒸散发模型作为蒸发输入模拟的流量过程拟合度好于P-M蒸散发模型，从两种蒸散发模型作为蒸发输入的流量过程确定性系数的均值也可看出，双源蒸散发模型作为蒸发输入的确定系数均值相比于P-M蒸散发模型提高了0.183。

4　结语

本文对比了两种蒸散发模型在辽宁西部地区大凌河西支流域的适用性及对水文模拟精度的影响，研究取得以下结论。

（1）双源蒸散发模型更适合于辽宁西部地区的蒸发模拟，其和实测蒸发皿蒸发相关系数高达0.76，好于P-M蒸散发模型和实测蒸发皿的相关系数；

（2）两种蒸散发模型均可用来作为辽宁西部地区水文模拟的蒸发输入，双源蒸散发模型模拟径流深相对误差相比于P-M蒸散发模型减少4.44%，流量过程确定性系数提高0.183，更适合于辽宁西部地区水文模拟的蒸发输入。

参考文献

［1］俞健.于什盖水库蒸发与渗漏量分析［J］.水利规划与设计，2014（07）：45-47.

［2］王积强，陆旭，刘巽民.中国水面蒸发器的发展简史与相关技术问题探讨［J］.水利技术监督，2011（03）：9-11.

［3］方生，代文元.华北平原有咸水区雨洪控制利用［J］.水利规划与设计，2003（01）：32-38.

［4］袁克光.水源取水的合理性分析及对环境影响研究［J］.水利规划与设计，2015（02）：35-37.

［5］于岚岚.分布式双源蒸散发模型的构建与运用研究［J］.东北水利水电，2015（01）：35-37.

［6］蔡琳，柳志亮.分布式双源蒸散发模型及其在南广河流域运用研究［J］.水资源与水工程学报，2014（03）：226-229.

［7］王庆平，沈国华，王红艳.垂向混合产流模型在不同地区的应用与改进［J］.节水灌溉，2012（05）：11-15.

［8］土地利用数据：http：//westdc.westgis.ac.cn/data/1cad1a63-ca8d-431a-b2b2-45d9916d860d/.

作者简介：刘 佳（1982年—），女，工程师。

收稿日期：2015-08-03

中图分类号：TV125；P426

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）02-0038-03

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.014