改进的双源蒸发模型潜在蒸发计算对比研究

温笑寒

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

蒸发是水文循环和水量平衡的重要组成部分，作为水文模型以及区域水资源平衡计算的重要输入项，蒸发对于水文模型和水资源平衡计算的精准程度十分重要[1]。近年来，对于区域蒸发计算在国内许多区域取得较多的研究成果[2- 8]，其中双源蒸发计算模型由于可综合考虑土壤和植被的蒸发，区域潜在蒸发计算效果较好。但传统双源蒸发模型由于在植被蒸发计算时一般考虑植物冠层截留蒸发影响，而对冠层蒸腾计算存在局限，使其在一些植被覆盖率较高的区域潜在蒸发计算精度不高。为此有学者针对该问题，提出植物冠层蒸腾能力计算方程，对传统双源蒸发模型进行改进，通过一些区域的应用效果对比[9- 15]，其潜在蒸发计算精度较传统蒸发模型有所改善。但改进的双源蒸发模型在辽宁地区还未得到应用，尤其是辽宁的东部山丘区，该区域植被覆盖度较高，传统蒸发模型大都不能考虑植物蒸发、蒸腾作用，为此本文引入改进的双源蒸发模型，以本溪山丘区为具体实例，结合该区域蒸发站点实测蒸发数据，对比分析改进的双源蒸发模型在本溪山丘区蒸发的计算精度。研究成果对于辽宁东部山丘区蒸发计算具有重要的参考价值。

1 改进双源蒸发模型计算原理

改进的双源蒸发模型综合考虑土壤蒸发、植物冠层截留蒸发、植物冠层蒸腾对区域潜在蒸发计算的影响，其主要蒸发计算框架如图1所示，各蒸发项计算方程分别为：

图1 改进双源蒸发模型计算框图

(1)植被冠层截留蒸发Ei：

(1)

(2)植被蒸腾能力EPC：

(2)

(3)土壤蒸发能力EPS：

(3)

2 模型应用

2.1 区域概况

本文以辽东山丘区为具体实例，辽东山地丘陵多为山地暗棕色和棕色森林土，土层厚度通常在0.5～1.0m左右。植被覆盖良好，本溪市平均森林覆盖率在69%以上，自然植被为阔叶林与针叶混合林，多柞木林，地面枯枝落叶层较厚，土壤侵蚀轻微，河谷较狭窄，有淤土、山地砂石土。坡耕地占总耕地面积60%以上，地块小，土层薄。区域内属温带气候，受季风影响较重，多年潜在蒸发量在800～1300mm之间。

2.2 模型数据及主要参数

改进的双源蒸发模型需要植被分布、土壤类型分布以及气象数据，各数据来源见表1。模型蒸发计算参数主要采用参考文献[15]进行确定，计算参数见表2。

表1 研究数据类型及来源

表2 模型蒸发计算主要参数

2.3 年尺度计算值对比

结合本溪山丘区南甸蒸发数据，蒸发折算系数取值为0.91，转换成区域蒸发值后，分别采用改进前后的双源蒸发模型对区域年尺度潜在蒸发进行计算，年尺度相关系数如图2所示。

图2 改进前后双源蒸发模型潜在蒸发计算值和蒸发皿蒸发之间的关联分析结果

改进后的双源蒸发模型相关度可达到0.56，相比于改进前的双源蒸发模型其相关度提高0.20，这主要是因为本溪山丘区植被覆盖度较高，除考虑其植被冠层截留蒸发外，其植物冠层蒸腾量也较大，而传统双源蒸发模型最初主要是考虑农作物蒸发影响，因此对于植被覆盖度较高的区域，计算有所局限。而改进的双源蒸发模型考虑了植物冠层蒸腾能力对区域蒸发影响，总体提高了年蒸发计算的相关度。

2.4 季节计算值对比

在改进前后双源蒸发模型年蒸发相关度对比程度上，综合对比了不同季节改进前后双源蒸发模型计算值和观测值之间的相关度，结果分别如图3—4所示。

图3 不同季节改进前双源蒸发模型计算相关度分析

改进的双源蒸发模型在不同季节较传统双源蒸发模型计算精度均有所改善。夏季由于植被覆盖度较高，改进前后的双源蒸发模型计算关联度均高于0.5，冬季由于植被覆盖度较低，传统双源蒸发模型关联度仅为0.1，而改进后的双源蒸发模型可达到0.41，这主要是因为改进的双源蒸发模型由于主要考虑植物冠层截留蒸发影响，而辽东在冬季，其主要为降雪，其植物冠层截留量较低，因此其相关度较低，而改进的双源蒸发模型由于综合考虑植物冠层截留和蒸腾影响，其冬季计算相关度明显提高。春季和秋季同样由于植被覆盖度较低，改进的双源蒸发模型较传统模型的关联度均有所提高。

图4 不同季节改进前双源蒸发模型计算相关度分析

2.5 月蒸发计算分析

分别采用改进前后的双源蒸发模型对不同月份的潜在蒸发进行计算，并和各月份蒸发观测值进行逐月对比，计算值见表3。

表3 不同月份改进前后双源蒸发模型计算值

从计算结果可看出，改进的双源蒸发模型在不同月份下的蒸发计算值均高于传统双源蒸发模型，这主要是因为改进的双源蒸发模型相比于传统双源蒸发模型，综合考虑了植物冠层蒸腾量，使得其蒸发计算量有所增加。在各月份蒸发分布而言，夏季的6—9月改进的双源蒸发模型和传统蒸发模型计算值总体较为接近，且和蒸发皿观测值之间的吻合度也较好，这主要是因为本溪山丘区，夏季降水量较大，使得其植物冠层截留蒸发量也较高，因此改进前后的双源蒸发模型在夏季的6—9月份蒸发量较为接近。而进入秋季和冬季，随着植被覆盖度的降低及降水量的锐减，改进前后双源蒸发模型和蒸发皿观测值之间的误差有所加大。

3 结论

(1)改进前后双源蒸发模型在夏季计算精度较为接近，而在秋、冬季由于植物覆盖度及降水量减少，其计算精度差异明显，建议在水资源评价中枯水期水量平衡分析应采用改进的双源模型进行计算。

(2)本文主要对植被蒸腾阻抗参数进行了设定，对于辽东地区，其土壤阻抗值建议值500sm-1，辽西植被较为稀疏的区域，其土壤阻抗值建议值为800sm-1。

(3)植物冠层反照率主要和叶面积指数有关，不同季节其叶面积指数不同，而本文未根据不同季节设置其植物冠层反照率，存在局限，在后期研究中还需要对不同季节设置其植物冠层反照率，从而进一步提高潜在蒸发计算精度。