第一篇第四章蒸散发过程模拟

现代水文模型主讲教师：曾小凡[e-mail]孙怀卫[e-mail]赵娜[e-mail]第一章绪论第二章水循环过程与原理第三章降雨和入渗过程第四章蒸散发过程模拟第五章产汇流过程模拟第六章水文模型评估第一篇水文模型基础（8课时）蒸散发过程模拟《现代水文模型》蒸发散发蒸腾水面蒸发土壤蒸发植物散发实际蒸散发潜在蒸散发参考蒸散发主要内容蒸发现象及其控制条件1.水面蒸发2.土壤蒸发3.植物散发4.5.流域蒸散发6.我国蒸散发分布规律蒸发与散发是水文循环过程中自降水到达地面后由液态（或固态）转化为水汽返回大气的一个阶段。它是指水分子从物体表面即蒸发面,向大气逸散的现象。（一）蒸发的表示方法1、蒸发量在一定时段内水分经蒸发而散布于大气中的水量。以mm计2、蒸发（能）力--最大可能蒸发量蒸发力是在下垫面足够湿润条件下，保持水分充分供应时的蒸发量，又称为最大可能蒸发量(mm)3、蒸发速度单位时间内的蒸发量，表示蒸发强度(mm/d)§1蒸发现象及其控制条件蒸发面类型：水面蒸发冰雪蒸发土壤蒸发植物散发流域蒸散发陆面蒸发（二）蒸发的分类晾衣服供水条件——蒸发面上储存的水量多少能量条件——蒸发面上水分子获得能量的多少动力条件——蒸发面上空水汽输送的速度如何气象条件§2水面蒸发（1）水面蒸发的物理机制（2）水面蒸发的影响因素（3）水面蒸发的确定方法（4）水面蒸发的时空分布特征（1）水面蒸发的物理机制水面蒸发---最简单的蒸发方式---饱和蒸发面现象描述：当水面上一些水分子获得的能量大于水分子之间的内聚力时，就会突破水面而跃入空气之中水汽分子同时从空气中返回水面，称为凝结现象单位时间从单位蒸发面积逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值（当为正值时）称为蒸发率，通常用时段蒸发量表示，单位为mm/h,mm/d,mm/a等（2）影响因素思考题：①温度对蒸发量的影响中，气温与水温相比哪个影响更直接？②气压对蒸发有什么影响？③水面面积大小如何影响蒸发？④水面形状通过什么来影响水面蒸发？⑤水质如何影响蒸发？海水蒸发量大还是淡水蒸发量大？气象因素：太阳辐射温度湿度风速气压自然地理因素：位置、地形水面面积水面形状水质水深（3）水面蒸发的确定方法①实验观测法②理论方法③经验公式法20cm口径蒸发器E601蒸发器：面积3000cm2①实验观测法热量平衡法（基于能量守恒定律和蒸发需要消耗热量的概念而建立）②理论方法HaiHaoHeHHsRnHs=Rn-H-He+HaHs水体储热变量(J/min)Rn净辐射(J/min)H水体传导感热损失He蒸发耗热量Ha=Hai-Hao入出流热量差(J/min)空气动力学法（基于扩散理论导得的水面蒸发计算公式又称为空气动力学公式）背景资料：1802年，英国的道尔顿（Dalton）根据乱流扩散理论，综合考虑风速、空气温度、湿度对蒸发量的影响，提出了道尔顿模型，该模型对近代蒸发理论的创立起到了决定性的作用。WeeE21式中：E—水面蒸发量；e1—水面水汽压；e2—地面一定高度处水汽压；—风速函数。WSREP水量平衡法（基于水量平衡原理计算水面蒸发的公式）其中，蒸发、径流及储水量的变化都是未知数所以，在没有足够的水文观测资料时，无法采用水量平衡法计算水面蒸发③经验公式法大部分经验公式以道尔顿模型为基础Mayer,1942E=C(ews-ea)(1+u/10)式中E——水面蒸发ews——水面温度下的饱和水汽压ea——空气水汽压u——风速C——经验系数，一般取C=0.36（4）水面蒸发的时空分布特征注：蒸发面蒸发量，以北京站为例中国多年平均水面蒸发量空间分布图说明：该分布图由E601转换求到的多年平均水面蒸发。1000-1200600-800600-80060020001600-2000800-10001400-16001200-1400800-1000800-10001000-1200§3土壤蒸发1土壤蒸发过程毛管断裂含水量(3)田间持水量(2)(1)E/Em第一阶段土壤含水量超过田间持水量第二阶段土壤含水量介于田间持水量与毛管断裂含水量之间第三阶段土壤含水量小于等于毛管断裂含水量①土壤含水量W田：土壤中存在着自由重力水，土层中毛细管上下沟通，供水充分，土壤蒸发只受气象条件的影响。蒸发量大而稳定。②W断WW田：土壤中毛细管的连续状态将逐渐受到破坏，土层内部由毛细管作用上升到表面的水分也将逐渐减少，蒸发量与气象因素和土壤含水量有关。③WW断，这时毛管水不再连续，毛管向土壤表面输送水分的机制遭到破坏，水分只能以膜状水形式或气态水形式向上层土壤表面移动。§3土壤蒸发2影响土壤蒸发的因素气象因素日照、温度、湿度、风速等土壤特性土壤孔隙性供水条件土壤含水量、地下水位地下水位的影响：地下水埋深越大，蒸发率越小。确定土壤蒸发量的方法也有器测法、经验公式法、水量平衡法、热量平衡法等。3土壤蒸发量的确定1.器测法用以测定土壤蒸发量的仪器很多。常用的有苏联ГГИ-500型土壤蒸发器以及大型蒸渗仪。2.经验公式法土壤蒸发经验公式的建立原理与水面蒸发相同，所以其公式的结构亦相似。E土=Ds(es’-ea)式中，E土为土壤蒸发量；Ds为反映气温、湿度、风等外界条件的质量交换系数；es’为土壤表面水汽压，当表土饱和时，es’等于饱和水汽压；ea为大气水汽压。§4植物散发1、散发现象植物从土壤中吸取水分，然后输送到茎和叶面，大部分水分从叶面和茎逸散到空气中，这就是散发现象。§4植物散发2影响植物散发的因素温度日照（直射、散射；白天、夜间10%）土壤含水量（凋萎系数）植物生理特性（种类和生长阶段）气温（1.5℃）土温§5流域蒸散发流域蒸散发：流域上不同蒸发面（水面、裸土、岩石、植被等）的蒸发和散发总称为流域蒸散发。（一般，流域内水面占的比重不大，所以土壤蒸发和植物散发是流域蒸散发决定性部分。）1流域蒸散发的影响因素影响土壤蒸发和植物散发的因素即是影响流域总蒸发的因素。综合起来，影响因素包括：（1）气象条件（日照、温度、湿度、风速等）；（2）流域内土壤含水量；（3）流域内土壤、植被分布；（4）地形、地貌。§5流域蒸散发1.0(3)(2)(1)E/Emba(1)a，E=Em（注:af)供水充分，蒸散发量大而稳定。(2)ba，E=()Em（注:bm)供水不充分，蒸散发量随的减小而减小。(3)b，E=CEm，C=0.05~0.102流域蒸散发规律§5流域蒸散发3流域蒸散发的计算方法1.0E/EmWbWaWbmabmabaamWWCE)(11,§5流域蒸散发4流域蒸散发能力的计算器蒸发的换算系数。流域蒸散发能力与蒸发—蒸发的换算系数；水面蒸发与蒸发器观测—蒸发的换算系数；流域蒸散发能力与水面—蒸发器蒸发。—水面蒸发；—流域蒸散发能力；—KKKEEEEKEKKEKEwwm§5流域蒸散发5流域蒸散发的空间变化一般而言，随高程增加，流域蒸散发能力会有所减小流域上各处土壤、植被一般不完全相同，土壤含水量空间分布也不均匀，因此，为考虑它们对流域蒸散发的影响，可分区进行流域蒸散发计算。分布式水文模型§5流域蒸散发流域总蒸散发量的估算方法估算流域蒸散发量的方法可概括为三类:(1)基于彭曼假设的方法，(2)基于互补理论的方法，(3)基于水热耦合平衡的方法。通常采用的方法是基于彭曼假设的方法，即认为流域实际蒸散发量与潜在蒸发量成正比，根据潜在蒸发量和流域内土壤及植被情况来估算。§5流域蒸散发(1)基于彭曼假设（Penman’shypothesis）的方法0EaE式中，为经验系数，与流域下垫面条件如土壤含水量、植被等有关，并且随季节而变化。最简单的方法：分类计算法：将流域按植被（或土地利用）分类计算，在按面积加权平均。000()()cEEEfEEfKE水体：裸地：植被：§5流域蒸散发(2)基于互补理论（Complementarytheory）的方法基于Bouchet假设的蒸发互补理论则认为流域的蒸发能力（潜在蒸发）与实际蒸散发成互补关系，即:wEEE20该方法适用于非湿润地区。§5流域蒸散发(3)基于水热耦合平衡（Coupledwater-energybalance）的方法Budyko（1974）提出了建立水热耦合平衡方程的构想，认为年实际蒸散发量与年降水量的比值是年降水与年潜在蒸发量比值的函数，即：0/(/)EPFEP傅抱璞（1981）在Budyko假设的基础上，导出了水热耦合平衡方程的解析表达式如下：/10011PEPEPE§6我国蒸散发分布规律1、我国北方雨量少，温度低，平均年总蒸发量一般在50~500mm之间南方雨量多，温度高，平均年总蒸发量一般在400~900mm之间。（部分地区，如台湾有高达1000mm的）2、受地形影响，不同地区即使年降水量接近相同，而蒸发量都可能不同。在山区，降水不易滞留，迅速形成径流，减少蒸发的机会。而平原地区则相反。3、与地质和土壤因素有关。4、蒸发的时空分布（一）空间分布：赤道大两极小海南、广东：年平均1400mm西北：年平均2000mm高山：700mm平原：700mm（二）时间上的变化特点夏季冬季中午凌晨海南岛东部1000mm塔里木盆地、柴塔木盆地：25mm陆面蒸发量的低值区陆面蒸发量的高值区300mm0EP式中，E0～年蒸发能力；P～年降雨量。1.0，即蒸发能力超过降水量，说明该地区气候偏于干旱；反之，1.0，则气候湿润。年蒸发能力与年降水量之比反映气候干湿程度，称为干旱指数：干旱指数与降水分带的关系气候分带年降水量（mm）年径流深（mm）干旱指数（）十分湿润带16008000.5湿润带800~1600200~8000.5~1.0半湿润带400~80050~2001~3半干旱带200~40010~503~7干旱带200107讨论与思考:1、为什么说有时候土壤也是饱和蒸发面？2、蒸发量在什么情况下等于蒸发能力？3、影响蒸发的因素有哪些？水文模型中的蒸散发估算方法1.数据下载中国气象数据网2.数据预处理参照说明文件，整理成标准数据集3.选取适当方法，计算潜在蒸散发4.分析计算结果，比较不同方法的差异基于能量的方法基于温度的方法以上公式中参数含义及算法见参考文献[27]基于空气动力学的方法综合法Example-505101520251815222936435057647178859299106113120127134141148155162169176183190197204211218225232239246253260267274281288295302309316323330337344351358ET1ET2ET4ET5ET6ET7ET3ET8结果检验形式：提交报告要求：参考论文“基于辐射的潜在蒸散量估算方法适用性分析”内容主要包括：1.研究目的与意义（ET的重要性）2.研究区及数据（气候概况及数据长度）3.研究方法（列出所选公式）4.研究结果（以图表形式比较差异）5.总结与讨论（收获、感想，可选）注意事项1.时间节点：下周末之前交到助教处2.请务必认真完成，评分结果计入平时成绩3.小组内部成员分工合作，统筹安排