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土壤蒸发数学模型的建立及其试验验证

李红星  
【摘要】: 土壤蒸发定量计算方法在水利、水文、农业、生态、环境、地理、气象等方面有广泛的应用基础。彭曼把能量平衡、质量输送两个方法综合起来得出了可能蒸发公式,但在土壤湿润不足情况下,特别是干旱时期,可能蒸发的计算公式不能给出正确的实际蒸发量结果,故可能蒸发计算方法的应用也受到一定的限制。因此推导出一种适用于计算土壤蒸发全过程的公式是必要的。 本文以土壤蒸发的定量计算为研究对象,从土壤-大气连续系统出发,以能量平衡和质量输送两个方法作为理论基础,在引入参考蒸发面的基础上,通过数学建模研究土壤蒸发的计算模型,取得了以下几个方面的进展: 1)引入并完善了参考蒸发面的概念:参考蒸发面是指在相同气象条件下具有稳定的蒸发状态的蒸发源。文中所引入的参考蒸发面有:风干土表面,代表了相同气象条件下土壤蒸发的下限,其蒸发在任何气象条件下都为零;饱和土壤表面,代表了相同气象条件下土壤蒸发的上限,其蒸发在任何气象条件下都为土壤的可能最大蒸发;水面,代表了相同气象条件下水分蒸发的上限,其蒸发在任何气象条件下为所有研究关于水分蒸发的上限。参考蒸发面不仅规定了蒸发的范围,而且当存在多种蒸发面时,可以通过数学变形抵消掉能量平衡方程和质量输送方程中的相同项,以达到简化方程的目的。 2)通过验证土壤温度日变化模型,提出如下结论: I、由式T?=0.5(Tmax+Tmin)估算各特征表面的平均温度和由式δT =0.5(Tmax-Tmin)来估算各特征表面温度日变化的振幅所产生的误差很小。如果不能得到连续的温度日变化数据,可由上述方法分别计算特征表面的平均温度和温度日变化的振幅。 II、各特征表面温度与其平均温度相等的时刻取值范围为:8.5to10。 3)建立了计算土壤蒸发量的三种数学模型,分别为:以水面蒸发为参考推求土壤蒸发量的数学模型(模型一)、基于风干土和饱和土壤表面温度计算土壤实际蒸发量的数学模型(模型二)和以饱和土壤为参考推求土壤实际蒸发量的数学模型(模型三)。模型一是以水面为参考蒸发面,所需参数为水面的日蒸发量、风速、水面日最高温度及日平均温度、蒸发土壤表面日最高温度及日平均温度。模型二是以风干土表面和饱和土壤表面为参考蒸发面,所需参数为饱和土壤蒸发量和风干土、饱和土壤和蒸发土壤等三种土壤表面的日最高温度。模型三是以饱和土壤表面为参考蒸发面,所需参数为饱和土壤的日蒸发量、风速、饱和土壤表面日最高温度及日平均温度、蒸发土壤表面日最高温度及日平均温度。 4)对三种计算土壤蒸发的数学模型进行试验验证后发现,模型一、模型二和模型三的计算值与实测值的相关系数分别为0.88,0.95和0.94,模型二与实测值的相关性最高。并得到以下结论: I、模型所引入的参考蒸发面避开了蒸发过程复杂的物理本质,使得对土壤蒸发的计算变得简单易行。 II、试验结果表明运用这些模型估算土壤实际蒸发不仅需要参数少,而且结果准确。 III、随着遥感测温技术的发展,这些模型在计算大面积范围的土壤实际蒸发时,将会体现出一定的优越性。 IV、由于该模型简单易行,便于计算多个区域蒸发,可用于研究蒸发的空间变异性。


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