水文模型的蒸散发估计方法外文翻译资料

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水文模型的蒸散发估计方法

ZHAO Lingling 1,2 , * XIA Jun 1 , XU Chong-Yu 3 , WANG Zhonggen 1 , SOBKOWIAK Leszek 4

1. Key Laboratory of Water Cycle amp;amp; Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China;

2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;

3. Department of Geosciences, University of Oslo, Oslo, Norway;

4. Department of Hydrology and Water Management, Institute of Physical Geography and Environmental Planning, Adam Mickiewicz University, Poznan, Poland

摘要：实际的蒸发蒸腾是水文循环的一个关键过程，是一个连接陆地表面水平衡和陆地表面能量平衡的唯一术语。蒸发蒸腾作用在模拟气候变化的水文效应中扮演着重要的角色，对水文模型中的蒸散估计方法的评价是至关重要的。本文首先对水文模型的蒸散估计方法进行了总结，然后将其分为综合转化方法和分类收集方法。在水文模型中，通常采用综合转换方法，其中存在两种差异:一种是潜在的蒸发估计方法，另一种是用于定义潜在蒸发量与实际蒸散量之间的关系。由于Pen-Man-Monteith方法的信息要求较高，且已有数据的不确定性，在水文模型中广泛应用了计算潜力和实际蒸散量的简化经验方法。根据水文模型的复杂性，采用不同的蒸散量计算方法，讨论了最适宜的蒸散方法选择的重要性和难点。最后，指出了水文建模中蒸散量估算方法的发展趋势。

关键词:水文模型;实际蒸散发;潜在蒸散发;土壤可用水函数

1. 引言

蒸散发是水量平衡的关键环节，同时也是能量平衡的重要支出项，其准确估算，不仅对于研究全球气候变化和水资源评价等方面具有重要意义，而且对于农作物需水生产管理、旱情监测预测、水资源有效开发利用等方面具有十分重要的应用价值。流域蒸散发过程不可见且很难测量，需要通过测定与估算两种方法来确定。英国人E.哈雷于1694年首先应用蒸发器，测定流域内的水面蒸发量，开创了流域蒸发的测定。1802年道尔顿综合了风及空气温度和湿度对蒸散发的影响，提出了道尔顿蒸发定律，使得流域蒸发的理论有了明确的物理意义。

实测的方法有水文学法、微气象学法、植物生理学法和闪烁仪法。水文学法是以水量平衡原理为基础，测定流域总蒸散发或流域内部分区域的蒸散发，该方法要么测定的流域蒸散发量要么时间尺度较大，一般在年以上 (水量平衡法)，要么是测定区域较小，点尺度或小区 (蒸渗仪法和水分运动通量法)；微气象学法是根据能量平衡方程或空气动力学方程来测定流域内部分区域蒸散发量，要么由于该方法的假设前提在现实中难以实现，造成较大误差 (波文比能量平衡法，空气动力学方法)，要么仪器制造复杂，维修困难，成本高；植物生理学法通过测定植株的水分消耗量来确定流域内植株的蒸腾量，其流域代表性较差；闪烁仪法也存在流域代表性较差的不足。蒸散发估算方法众多，从水面蒸发估算到各种潜在蒸散发量再到实际蒸散发估算，但各种估算方法大部分是估算单一下垫面蒸散发量如水面、裸土、植被，且不考虑水量平衡，未能将蒸散发作为水文循环的重要过程，而是将其作为静态的量去估算。近年来发展起来的遥感方法可以估算流域尺度的蒸散发量，但基于当前的技术估算量很难达到时间尺度的要求，多为瞬时量，且易受外界条件干扰且精度不高。

基于水文模型估算实际蒸散发量，考虑了水量和能量两个方面的影响，且时间和空间尺度可以灵活控制，所以在水文模型中估算实际蒸散发量能够满足水资源评价水资源管理等的需求。而在现有的水文模型中蒸散发估算方法种类繁多，对资料输入要求也不尽相同，输出结果的准确性鲜有比较。本文对现有水文模型中蒸散发估算模块进行回顾，分析它们的不同点，并按照其估算原理对其进行分类，在此基础上回归模型本质，预估水文模型中蒸散发估算方法的发展方向。

2 水文模型的蒸散发估计方法

水文循环模拟中流域蒸散发的确定通常有两种方法：一是分别确定流域内的水面蒸发、土壤蒸发、植被蒸腾，之后对三种蒸发进行综合，获取流域蒸散发量；二是将潜在蒸散发量通过土壤可用水函数获取流域蒸散发量。第一种方法先预估各类蒸发，然后按照流域下垫面种类汇总得到流域总蒸散发，本文将这种方法称为分类汇总法；第二种方法直接按照流域下垫面的土壤供水情况 (土壤湿度) 将潜在蒸散发折算为流域总蒸散发，本文将这种方法称为整体折算法。从常见的水文模型蒸散发估算方法汇总(表1)可看出，集总式概念性水文模型、系统模型、松散的分布式水文模型一般采用整体折算方法来估算流域蒸散发量。具有物理机制紧密耦合的分布式水文模型一般采用分类汇总法估算流域蒸散发量。

表1水文模型中应用中选择的蒸散估计方法(HM)

3 整体折算法的区别

整体折算法估算流域蒸散发量，简单易行，资料输入少，适应性强。对各个水文模型中整体折算法分析发现，它们的不同点有两个：一是潜在蒸散发估算方法不同，根据数据的详实程度，选取不同的潜在蒸散发估算方法；二是折算函数不同，折算函数虽然基本都是土壤干燥程度的函数，但其复杂程度存在很大差别。以下两部分将对这两个不同点进行论述。

3.1 常用土壤可用水函数

概念性水文模型中的实际蒸散发通常作为潜 在蒸散发量和土壤可用水量的函数，用实际土壤含水量除以土壤田间持水量表征土壤的湿润程度，当土壤含水量大于限制蒸散发土壤含水量时，蒸散发仅受气象因素的影响，水分就以最大蒸发速率散失，随着土壤含水量的减少，蒸散发速率也减少，直到土壤含水量为凋萎含水量时，或者说是土壤缺水量达到最大，此时蒸散发仅受供水条件的限制，蒸散发速率趋于零。土壤水分提取函数的基本公式是(1)：

SMT是实际的土壤含水量;SMC是田间持水量。

Mintz(1985)，Mintz和沃克(1993)总结了 对水文模拟中常用的土壤可用水函数进行总结，表 2 中列出了常用的土壤可用水函数。实际蒸散发与潜在蒸散发的比值随土壤可用水的变化关系如图 1a 所示，其变化形状与土壤类型有关，还与植被的叶面积指数或是植被的生长阶段有关，但这种关系很难界定[20]。图1b给出的土壤可用水函数的曲线，这几种曲线分别根据表1中公式(7)-(12)绘制。

3.2 常用潜在蒸散量估计方法

在水文循环模拟中，潜在蒸散发量通常作为一个重要输入量，而选取不同的潜在蒸散发估算方法对水文模型的模拟精度有一定的影响，1996年Marie和Goran[25]
分析不同潜在蒸散发估算方法对HBV模型模拟精度的影响发现，采用温度校正过的Penman方法提高了模型的模拟精度，而Priestley-Taylor方法比校正的Penman方法要优，效果最好的是考虑土壤热通量的Priestley-Taylor方法，该方法通过改善潜在蒸散发量在冬天出现负值的不合理情况提高模型的精度。潜在蒸散发量估算方法较多，按其估算机理可以分为基于能量的潜在蒸散发估算方法、基于温度的潜在蒸散发估算方法和基于空气动力学方法的潜在蒸散发估算方法。基于能量的潜在蒸散发估算方法是以能量平衡原理为基础计算蒸散发能力，许崇育[26]2000年对现存常用的8种基于能量的潜在蒸散发估算方法进行比较分析，其中包括：Turc (1961), Makkink (1957), Jensen and Haise (1963), Hargreaves (1975), Doorenbos and Pruitt (1977), McGuinness and Bordne (1972), Abtew (1996) and Priestley and Taylor(1972)的方法。结果表明：以 Penman-Monteith 方法估算量为基准，Makkink、Priestley and Taylor和Abtew能获得比较好的估算效果。在气象资料有限的情况下，许多学者提出不同的基于温度的潜在蒸散发估算方法，许崇育等2001年对7种常用的基于温度的潜在蒸散发估算方法进行比较研究表明[27]，Blaney-Criddle方法、Hargreaves方法和Thornthwaite方法
估算效果较好。基于空气动力学的潜在蒸散发估算方法是一个最为古老的估算自由水面蒸散发的方法，该方法主要考虑气压差和风速的影响[28]。1802年道尔顿提出的第一个潜在蒸散发估算方法和1948彭曼公式就是以空气动力学为基础的。

表2 实际和潜在蒸散发关系

4 方法的敏感性和发展趋势

4.1 潜在蒸散发估计方法的敏感性

有许多方法来估计潜在的蒸散量。其中，由于它的物理机制，Penman-Monteith方法在气候敏感性分析中被广泛应用于评估气候变化对潜在蒸散量的影响（Xie，2007; Sun et al。，2009; Zhang et al。，2010; Liu et al。 Liu et al。，2011; Li et al。，2011）和水文循环的模拟。然而，研究水文循环模拟对潜在蒸散量的敏感性表明，Penman-Monteith方法并不是估算潜在蒸散量的最好方法。1972年，Parmele等人使用3个模型对9个流域进行检验，分析了潜在蒸散量误差对水文模型效率的影响。所得结果表明当潜在蒸散量误差小于20％时，潜在蒸散对径流模拟的影响可忽略不计。 Paturel等人（1995）和Nandakumar等人（1997）发现降水误差的敏感性小于潜在蒸散量的误差。1992年Andersson等人比较了HBV模型对7种潜在蒸散方法的敏感性，发现基于温度的方法稍微提高了水文模型的准确性，但是平均序列Penman-Monteith方法比时间序列准确性更好。 Andreassian等人（2004）也得到了与Andersson相同的结果。2005年Qudin等人对世界308个流域进行了4个集中水文模型对27种潜在蒸散方法的敏感性分析。 结果表明，基于能量和温度的潜在蒸散估算方法比Penman-Monteith方法能够更好保证水文模型的有效性。2007年Kannan等人分析了SWAT-2000模型对基于温度的Hargreaves方法和Penman-Monteith方法的灵敏度。 结果表明，与Penman-Monteith方法相比，Hargreaves方法的应用产生了更好的径流模拟。

图1 Eta和ETp之间的非线性关系

对于长期平均而言简化经验公式的水文循环模拟比Penman-Monteith方法更好的原因：研究人员认为Penman-Monteith方法需要许多数据，其中许多参数难以获得。 许多概念性水文模型对Penman-Monteith方法的数据输入过于敏感，而使其不适用于水文模型。 一些科学家认为，水文模型的输入和参数的不确定性使得模型具有一定的容错性，因此不能利用Penman-Monteith方法。

我们认为描述水文过程的大多数概念性水文模型不能兼容Pen-man-Monteith方法中详细蒸散过程水平。现有的土壤水分函数不能准确地估算土壤水分，因此Penman-Monteith方法的优点受到不准确土壤水分提取功能的限制。 另一方面，Penman-Monteith方法需要详细的天气信息，但实际上往往很难找到相关的观测数据，为了满足投入需求要通过各种经验公式转换，这必然导致众多的不确定性。在这种情况下，简化的经验公式的数据要求较少、计算过程简单，同时达到所要求的精度水平。

4.2 发展趋势

模型是对客观现实的事物的某些特征与内在联系,所作的一种模拟或抽象，水文模型是对自然界中复杂水循环过程的一种抽象。建立水文模型一方面用于研究水文循环的自然规律，这类模型通过各类实验和数学方程逼近现实过程，对现实水文机理过程刻画更为准确，同时模型也更为复杂，例如SHE模型。另一方面是为解决某一现实问题而构建的模型，根据现实情况，为使问题更方便、快捷的解决，通常对问题解决不是很重要的过程做一些简化，这类模型趋于更加简单实用。水文模型中蒸散发的估算与此发展相一致，由于目的不同向简单实用化和复杂机理化两个方向发展，上文中的整体折算法朝着简单实用化方向发展，该方法根据实验和经验关系对蒸散发的物理机理进行简化，力求从复杂的机理过程中寻找简单的方法来解决实际问题，注重蒸散发量的变化过程与各要素之间的简单关系；而分类汇总法朝着复杂机理化方向发展，在估算蒸散发量的同时，更注重蒸散发过程机理的刻画，该方法通常用复杂方程描述各类蒸散发中的水量和能量转化过程从而推求蒸散发量，模型力求对现实机理过程刻画的准确性，随着研究的深入，模型越来越复杂。

5 结论

蒸散发在水量平衡中起着重要作用。植物截留、地面填洼水量及土壤蓄水量的消退都消耗于蒸散发。据资料统计，在湿润地区的年蒸散发量约占年降水量的50%，干旱地区约占90%。因为流域蒸散发量的观测十分困难，且易受外界干扰，所以通常采用间接的方法来推求。基于水文循环模拟估算流域蒸散发量，对变化环境下适应性水资源评价、管理有重要意义。而现存水文模型种类繁多，其蒸散发估算方法也不尽相同。本文从以下几个方面进行综述。
(1)本文对常用水

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