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華北平原地區土壤蒸散發計算模型研究論文

發布日期:2024-01-12 06:13:25來源:土木工程網責任編輯:江曉畢


導讀:
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土壤蒸散發量的計算,在墑情預報、降雨徑流計算及水資源評價中都占有重要的地位。利用水力式土壤蒸發器及其配套的氣象、輻射、水面蒸發儀器觀測資料,綜合考慮“土壤―植物―大氣”系統中的各個因素對土壤
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 摘要:土壤蒸散發量的計算,在墑情預報、降雨徑流計算及水資源評價中都占有重要的地位。利用水力式土壤蒸發器及其配套的氣象、輻射、水面蒸發儀器觀測資料,綜合考慮“土壤―植物―大氣”系統中的各個因素對土壤蒸散的影響,建立了適于黑龍港流域的土壤散量計算模型。

  關鍵詞:土壤蒸散發 含水率 土壤―植物―大氣系統 地熱傳導

  1、 土壤蒸散發影響因素

  土壤蒸散發包括土壤蒸發和植物蒸發(散發),是半干旱半濕潤的黑龍港地區水文循環主要的支出項。近幾十年來由于人類對大自然改造能力的大幅度提高,土壤蒸散發量在水文循環中的比例大幅度提高,局部地區、部分年份的蒸散發量甚至大于降水量―深層地下水開采量、外流域引水量的一部分也消耗于蒸散發。區域蒸散發量的主要影響因素有土壤、氣象、作物三個方面。

  1.1 土壤因素

  影響土壤蒸散發的土壤因素可分為土壤含水量、地下水埋深、土壤質地及結構、土壤色澤與地表特征。

 ?。?) 土壤含水量

  土壤含水量是影響土壤水分蒸發的主要因素。土壤含水量高時,土壤蒸發實質上接近自由水面蒸發,蒸發率比較穩定。隨著土壤含水量減少,非飽和滲透系數降低,補給蒸發的水分響應減少。當土壤含水量減少至非飽和滲透系數接近零時,土壤蒸發全部以水汽擴散方式進行。

 ?。?) 地下水埋深

  地下水埋深越淺,土壤蒸發量越大。如果地下水面接近地面,其蒸發量甚至大于光滑水面的蒸發量。因為蒸發表面面積增大了、反射率減少了。

 ?。?) 土壤質地及結構

  土壤質地及結構關系孔隙的數量、體積及其連通性,也影響到非飽和滲透系數。根據水分在非飽和土壤移動情況,各種土壤的非飽和滲透系數的大小為:粘土>輕粘土>細砂壤土>沙土。設粘土土壤(直徑小于0.07mm)的蒸發量為100%,則直徑0.25~0.5mm的土壤蒸發量為81%,而直徑1.0~2.0mm的土壤為22.2%.

 ?。?)土壤色澤及地表特征

  土壤色澤影響土壤吸收太陽輻射,因而影響于土壤溫度和蒸發。土壤顏色愈深,蒸發量越大。黃色土壤的蒸發量比白色的大7%,棕色土壤的蒸發量比白色的大19%,黑色土壤的蒸發量比白色的大32%(對太陽光的反射率不同)。

  由于風的紊動作用,高地的土壤蒸發量較谷地和盆地的大,粗糙地面的蒸發量較平滑地面的大。地表坡向不同,吸熱也有差異。15°的南向斜坡的土壤蒸發量作為100%,則東向斜坡的蒸發量為86%,北向斜坡為71%.[1]

  1.2 氣象因素

  主要包括輻射與氣溫、濕度、風和降水方式四個方面內容

 ?。?)輻射與溫度

  連續蒸發必需有連續供給汽化潛熱的能量,太陽輻射是汽化潛熱能量的來源,黑龍港流域天文輻射量較小,但是晴天的機會多,獲得太陽的能量多,所以土壤蒸發量大于天文輻射大,但是經常陰天的南方地區。氣溫和地溫對于蒸發的影響很直接,氣溫決定空氣中飽和水汽含量和水汽擴散的快慢,地溫決定土壤中水分子的活躍程度,因此氣溫和地溫越高,土壤蒸發越強烈。

 ?。?)空氣濕度

  大氣的相對濕度是影響蒸發的重要因素。當溫度為17℃~18℃,平均相對濕度從91%降到75%,日蒸發量從2.5mm增至6.3mm.在大氣中水汽接近飽和的季節,土壤蒸發速度較小。此外地面以上的濕度梯度越大,土壤蒸發越強烈。

 ?。?) 風速

  風使接近土壤表面的空氣連續不斷地被擾動,將接近飽和的空氣帶走,以較干燥空氣代替。風速越大,蒸發作用越強。當風速為5.4m/s時,從100m3方形土柱中蒸發的水量為7.8g/小時,而當風速為0時,蒸發量僅為0.3g/小時。[2]

 ?。?) 降水方式

  土壤中可供蒸發的水分與降水的數量、降水方式有關。降水量多,蒸發量大。同量的降水如果分成幾次小雨降下來,蒸發也多。

  1.3 植物類別和生長期

 ?。?)植物品種

  仙人掌、松樹等針葉植物的蒸散發量小,南方的大葉植物蒸散發量相對較大。同一種植物,因為遺傳因素、種植密度、生長狀況不同蒸散發量不同。

 ?。?)植物的生長階段

  植物生長初期,苗小生長慢,葉面面積小,土壤蒸散發以土壤蒸發為主。隨著植物生長,葉面積增大以及氣溫升高,植物散發逐步占主導地位,蒸散發總量增加。生長后期,由于植株衰老,散發能力降低,蒸散發總量減少。

  2、 土壤蒸散量(Et)計算模型的建立

  土壤蒸散是涉及“土壤―植物―大氣”系統的比較復雜的物理過程。其計算模型可用下式建立:

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 ?。?)

  式中:

  ――反映大氣和植物因素的陸面蒸散能力;

  ――反映土壤因素的以土壤有效含水量為指標的一個函數;

  ――用修正后彭曼公式計算得到的土壤足夠濕潤情況下的土壤蒸散量,它反映大氣因素;

  Q――地熱傳導修正量;

  R――反映植物因素的植物散發系數;

  下面就上述各個量的確定方法分別討論:

  2.1 陸面蒸散能力(Em)的計算。

  用衡水水文實驗站20平方米蒸發量代表自然水體的蒸發量E0與彭曼公式計算得到的蒸發值E計相比較,發現其差值很有規律:E計4~8月份系統偏大、9月到次年2月系統偏小。用回歸分析方程及相關系數;

  4―8月: 相關系系數r=0.943 (3)

  9―次年2月: 相關系系數r=0.920 (4)

  式中E計為本站資料代入彭曼公式計算值。

  彭曼公式開始主要用于水面蒸發計算,但公式的基本假定也適用植被地段表面的情況,即當土壤表面有充分水分供應時,可以得出主要取決于氣象條件的可能蒸發值。兩者不同之處在于下墊面差別,可用反射率這個參數反映。

  2.1.1地熱傳導(Q)的確定

  彭曼公式在推導過程中,忽略了地熱傳導。然而土壤的熱量與植物生長有密切聯系,白天地表面得到輻射熱量,一部分向地表以下的土層傳導并匯集在土壤中,夜間它又成為表面熱源增大蒸發。一年中的溫暖季節土壤吸收和儲存熱量,到寒冷季節則把熱量釋放出去。

  如果把土壤分為耕作層和較深的土層(0―40厘米為耕作層,40―160厘米為下層),土壤熱通量的計算式為:

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