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华北平原地区土壤蒸散发计算模型研究_生命环境论文 生命环境论文 摘要:土壤蒸散发量的计算,在墒情预报、降雨径流计算及水资源评价中都占有重要的地位。利用水力式土壤蒸发器及其配套的气象、辐射、水面蒸发仪器观测资料,综合考虑“土壤—植物—大气”系统中的各个因素对土壤蒸散的影响,建立了适于黑龙港流域的土壤散量计算模型。 关键词:土壤蒸散发 含水率 土壤—植物—大气系统 地热传导 1、 土壤蒸散发影响因素 土壤蒸散发包括土壤蒸发和植物蒸发(散发),是半干旱半湿润的黑龙港地区水文循环主要的支出项。近几十年来由于人类对大自然改造能力的大幅度提高,土壤蒸散发量在水文循环中的比例大幅度提高,局部地区、部分年份的蒸散发量甚至大于降水量—深层地下水开采量、外流域引水量的一部分也消耗于蒸散发。区域蒸散发量的主要影响因素有土壤、气象、作物三个方面。 1.1 土壤因素 影响土壤蒸散发的土壤因素可分为土壤含水量、地下水埋深、土壤质地及结构、土壤色泽与地表特征。 (1) 土壤含水量 土壤含水量是影响土壤水分蒸发的主要因素。土壤含水量高时,土壤蒸发实质上接近自由水面蒸发,蒸发率比较稳定。随着土壤含水量减少,非饱和渗透系数降低,补给蒸发的水分响应减少。当土壤含水量减少至非饱和渗透系数接近零时,土壤蒸发全部以水汽扩散方式进行。 (2) 地下水埋深 地下水埋深越浅,土壤蒸发量越大。如果地下水面接近地面,其蒸发量甚至大于光滑水面的蒸发量。因为蒸发表面面积增大了、反射率减少了。 (3) 土壤质地及结构 土壤质地及结构关系孔隙的数量、体积及其连通性,也影响到非饱和渗透系数。根据水分在非饱和土壤移动情况,各种土壤的非饱和渗透系数的大小为:粘土轻粘土细砂壤土沙土。设粘土土壤(直径小于0.07)的蒸发量为100%,则直径0.25~0.5的土壤蒸发量为81%,而直径1.0~2.0的土壤为22.2%. (4)土壤色泽及地表特征 土壤色泽影响土壤吸收太阳辐射,因而影响于土壤温度和蒸发。土壤颜色愈深,蒸发量越大。黄色土壤的蒸发量比白色的大7%,棕色土壤的蒸发量比白色的大19%,黑色土壤的蒸发量比白色的大32%(对太阳光的反射率不同)。 由于风的紊动作用,高地的土壤蒸发量较谷地和盆地的大,粗糙地面的蒸发量较平滑地面的大。地表坡向不同,吸热也有差异。15°的南向斜坡的土壤蒸发量作为100%,则东向斜坡的蒸发量为86%,北向斜坡为71%.[1] 1.2 气象因素 主要包括辐射与气温、湿度、风和降水方式四个方面内容 (1)辐射与温度 连续蒸发必需有连续供给汽化潜热的能量,太阳辐射是汽化潜热能量的,黑龙港流域天文辐射量较小,但是晴天的机会多,获得太阳的能量多,所以土壤蒸发量大于天文辐射大,但是经常阴天的南方地区。气温和地温对于蒸发的影响很直接,气温决定空气中饱和水汽含量和水汽扩散的快慢,地温决定土壤中水分子的活跃程度,因此气温和地温越高,土壤蒸发越强烈。 (2)空气湿度 大气的相对湿度是影响蒸发的重要因素。当温度为17℃~18℃,平均相对湿度从91%降到75%,日蒸发量从2.5增至6.3.在大气中水汽接近饱和的季节,土壤蒸发速度较小。此外地面以上的湿度梯度越大,土壤蒸发越强烈。 (3) 风速 风使接近土壤表面的空气连续不断地被扰动,将接近饱和的空气带走,以较干燥空气代替。风速越大,蒸发作用越强。当风速为5.4/s时,从1003方形土柱中蒸发的水量为7.8g/小时,而当风速为0时,蒸发量仅为0.3g/小时。[2] (4) 降水方式 土壤中可供蒸发的水分与降水的数量、降水方式有关。降水量多,蒸发量大。同量的降水如果分成几次小雨降下来,蒸发也多。 1.3 植物类别和生长期 (1)植物品种 仙人掌、松树等针叶植物的蒸散发量小,南方的大叶植物蒸散发量相对较大。同一种植物,因为遗传因素、种植密度、生长状况不同蒸散发量不同。 (2)植物的生长阶段 植物生长初期,苗小生长慢,叶面面积小,土壤蒸散发以土壤蒸发为主。随着植物生长,叶面积增大以及气温升高,植物散发逐步占主导地位,蒸散发总量增加。生长后期,由于植株衰老,散发能力降低,蒸散发总量减少。 2、 土壤蒸散量(Et)计算模型的建立 土壤蒸散是涉及“土壤—植物—大气”系统的比较复杂的物理过程。其计算模型可用下式建立: (1) (2) 式中: ——反映大气和植物因素的陆面蒸散能力; ——反映土壤因素的以土壤有效含水量为指标的一个函数; ——用修正后彭曼公式计算得到的土壤足够湿润情况下的土壤蒸散量,它反映大气因素; Q——地热传导修正量; R——反映植物因素的植物散发系数; 下面就上述各个量的确定方法分别讨论: 2