（水利工程专业论文）海河流域下垫面蒸散发研究.pdf

摘要 海河流域水资源短缺、水环境恶化，研究和利用蒸散发水对缓解海河流域水资源 危机具有重要意义。 本文对用s e b a l 模型( 种遥感反演田数据软件) 生成的2 0 0 2 年至2 0 0 5 年海河 流域l k m 分辨率参考蒸散和实际蒸散发成果，运用g i s 空间分析功能，基于不同的土 地覆盖利用分类，省市县不同尺度的行政分区和水资源三级分区及它们叠加的组合分 区，进行了分区统计，研究了海河流域参考蒸散和实际蒸散发量的时间和空间分布规 律i 对用s e b a l 模型生成的2 0 0 3 年至2 0 0 5 年天津三示范县3 0 m 分辨率参考蒸散、作 物散发和实际蒸散发进行了时空变化研究。研究结果表明，年内实际蒸散过程集中在 第七半月至第十九半月，即每年的四月下半月至十月上半月，五个月的蒸散量占全年 蒸散的比重达8 0 左右；年内区域蒸散分布北低南高，沿海大于平原、平原大于山区。 基于同一下垫面区域对3 0 m 和l k m 分辨率遥感反演蒸散发成果进行了验证评判， 两者月误差在1 9 之内，而年误差则在9 以内；对海河流域蒸散发进行了流域尺度的 验证，水量平衡计算蒸散发与相应年份的l k m 分辨率遥感反演田进行比较，两者的相 对误差在1 8 以内。由此验证了遥感反演蒸散发基本能反映各种土地覆盖利用类型实 际蒸散发情况，可为解决该地区的水资源问题提供参考依据。 关键词：水资源、蒸散发、海河流域、s e b a l 模型、遥感 a b s t r a c t b a ir i v e rb a s i ni sd i s t i n c to nt h ec o n f l i c to fw a t e rr e s o u r c ea n dw a t e r e n v i r o n m e n ti nc h i n a , r e s e a r c ha n du s ee v a p o t r a n s p i r a t i o nb e n e f i c i a lt ot h e s h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c ei nh a lr i v e rb a s i n u t i l i z i n gs p a t i a la n a l y s e ，t h er e s u l t sp r o d u c e db ys e b a lm o d e lt h es o f t w a r e d e t e r m i n i n ge v a p o t r a n s p i r a t i o nw i t hr e m o t es e n s i n g i nh a ir i v e rb a s in ， r e f e r e n c ea n da c t u a le t1k i l o m e t e rr e s o l u t i o ni nh a ir i v e rb a s i n ，t a k et o t a l a m o u n ta l i l o n gd i f f e r e n tp r o v i n c e s ，c i t i e s ，c o u n t r i e s ，w a t e rr e s o u r c et h r e e c l a s s e sr e g i o n ，l a n du s et y p e s ，a n du n i o n 7 t e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o n o fr e f e r e n c ea n da c t u a le ta r ea c h i e v e df r o m2 0 0 3t o2 0 0 5 s oi sr e f e r e n c e ，c r o p a n da c t u a le t 3 0m e t e rr e s o l u t i o na m o n gt h r e ed e m o n s t r a t i o nc o u n t i e si n t i a r l i j i n i ta c c o u n ta b o u tf o r8 0 i no n ey e a rv a r i a t i o no fa c t u a le ti nb a ib a s i n ，w h e n c o v e rf r o mt h e7 “t o1 9 。h a l fm o n t hi ny e a r b e i n gs e c o n dh a l fa p r i lt of i r s t h a l fo c t o b e r e tr e l a t i v er e l a t i o n ：e ts o u t h e tn o r t h ，a n de ts e a b o a r d e t p l a i n e tm o u n t a i n o u sa r e ai ns p a t i a ld i s t r i b u t i o n 口o ft h et w or e s o l u t i o nh a v eal i t t l ed i f f e r e n c e ，m o n t h l ye r r o ri sw i t h i n 1 9 a n dy e a r l ye r r o ri sw i t h i n9 9 6 c o m p a r i s o nb e t w e e ne to fw a t e rb a l a n c ea n dr e m o t es e n s i n g ，t h e i re r r o r si s w i t h i n1 8 a c c o r d i n gt ot h i s ，a sw e l la st h es c e n ea n a l y s i sc o n c l u s i o no fv a r i a t i o no f g r o u n dd i s t r i c t s ，t or i s et h el e v e lo fq u a n t i t a t i v ec a p a c i t yo fi n t e g r a t e d m a n a g e m e n to fw a t e rr e s o u r c e si sf e a s i b l e k e yw o r d s ：w a t e rr e s o u r c e e v a p o t r a n s p i r a t i o n h a ir i v e rb a s i ns e b a l m o d e lr s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年4 月多日 河海大学、中国水利水电科学研究院、中国科学技术信息研究 所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人 所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分 内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：盖溶痞 2 0 0 7 年4 月多日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国水资源总量为2 8 0 0 0 万亿立方米，居世界第六位，但人均只有2 3 0 0 立 方米，约为世界人均水平的四分之一，从人均上讲，是世界1 3 个最贫水国家之 一。水资源总量少，还存在水量年际、年内变化大和区域分布不均的特点，大部 分地区年径流变差系数c v 值在0 6 以上，汛期连续4 个月降水量占全年总量的 7 0 左右，全国水资源的8 l 集中在长江流域及以南地区，该地区耕地面积仅 占全国的3 6 。伴随我国人口增长，经济发展和生活水平的提高，人均水资源 的相对减少和用水需求的进一步扩大这一矛盾更趋尖锐。 如上说明，我国存在严重的水危机，水资源的资源稀缺性加剧，资源竞争性 加剧。如何加强水的科学管理和合理利用，保障国民经济的可持续发展，支撑和 谐社会建设，是摆在我们面前的紧迫问题。为解决这一问题，当前，水利专家们 已把眼光从狭义的可利用水资源转向了整个陆地水循环的可利用量，水管理的理 念也从供水管理转向了需水管理和用水的全过程管理。 土壤植物大气系统( s p a c ) 中水的运动最为活跃，而植被蒸腾、土壤蒸发( 简 称蒸散发，又称e t ) 是研究s p a c 水热平衡的关键因子，是控制全球陆表水分循 环的重要水文过程。e t 是水资源管理中最重要的控制要素之一，也是最难以准 确测定和评价的参数。因此，e t 问题的研究，一直是农学、气象、水文、土壤 以及自然地理等相关学科、领域共同关注的重要课题【l l ，现已成为国际水文计划 f i h p ) 、国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 、世界气候研究计划( w c r p ) 、联合国环境 计划o n e p ) 、全球水量与能量平衡计划( g e w e x ) 等国际性项目的重要研究内容 之一。 李立科，王兆华等，认为蒸发水是西部开发的新水源翻。詹志明等通过陇西 黄土高原陆面蒸散发的遥感研究得出结论，区域水分的平衡与合理使用已成为保 1 河海大学工程硕士专业学位论文一海河流域下垫面蒸散发研究 持生态平衡、保障战略开发的关键环节 3 1 。榆林城以北的毛乌素沙漠地区和榆林 城以南的丘陵沟壑区对比试验，证明减少蒸发，开发蒸发水，是个量大的新水源 【4 】。因此，缺水地区节约用水，研究蒸散发势在必行。 海河流域是我国重要的工业基地和高新技术产业基地和我国三大粮食生产 基地之一。但该区域存在水资源紧缺，有河道断流、湿地萎缩、地下水严重超采、 水污染和生态环境恶化等我国水资源危机几乎所有的问题，是缺水矛盾最为突出 的区域。而海河流域空气干燥，下垫面复杂又使蒸散发的研究变得困难，本人结 合世行支持的g e f 海河项目，尝试以海河流域为研究区域计算e t 及其时空变 化特征。 1 2 研究区域概况 地理位置：海河流域位于东经1 1 2 。1 2 0 。、北纬3 5 。4 3 。之间，西以 山西高原与黄河流域接界，北以蒙古高原与内陆河接界，南界黄河，东临渤海。 行政区划包括北京、天津两市全部，河北省绝大部分，山西省东部，河南省、山 东省北部，内蒙古自治区和辽宁省- - d , 部分，流域总面积3 2 0 万k m 2 。 地形地貌：海河流域总的地势是西北高东南低，大致分高原、山地及平原三 种地貌类型。西部为山西高原和太行山区，北部为蒙古高原和燕山山区，东部和 东南部为广阔平原。流域山地和平原近乎直接相交，丘陵过渡段甚短。 气候特征：海河流域属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，冬季盛行 北风和西北风，夏季多东南风，春季干旱多风沙。按1 9 5 6 2 0 0 0 年降水系列， 流域多年平均降雨量5 3 5 m m 。降雨时空分布呈明显的地带性、季节性和年际差 异。夏季暴雨集中，冬春雨雪稀少，具有春早、秋涝、晚秋又旱的特点。降雨年 际变化大，存在连续丰枯的变化规律。流域年平均气温在1 5 1 4 c ，年平均相 对湿度5 0 7 0 ，年水面蒸发量介于8 5 0 1 3 0 0 m m 之间。年内四季分明，寒暖 适中，日照充足，适宜许多植物生长。 农业：海河流域土地、光热资源丰富，适于农作物生长，是我国三大粮食生 产基地之一。2 0 0 0 年农业总产值2 6 5 5 亿元，耕地面积1 7 3 7 6 万亩。主要粮食作 2 第一章绪论 物有小麦、大麦、玉米、高梁、水稻、豆类等，经济作物以棉花、油料、麻类、 烟叶为主。2 0 0 0 年有效灌溉面积1 1 1 0 3 万亩，占耕地面积的6 4 ，实际灌溉面 积1 0 1 6 3 万亩，粮食总产量4 5 7 6 万t ，人均粮食占有量3 6 2 k g 。 水资源总量少：海河流域当地水资源总量3 7 0 亿m 3 ，仅占全国水资源总量 的1 3 ，属于资源性严重缺水地区，并且水资源量还有因流域下垫面变化而继 续减少的趋势。 水污染严重：有7 2 的河流水质劣于i 类，形成了4 9 条严重污染的河流， 有7 6 的浅层地下水水质劣于i i i 类。 水资源开发程度过高导致生态环境恶化：海河流域总供用水量4 0 2 亿m 3 ， 流域水资源开发利用率达9 8 ，耗水率达7 0 ，开发利用率远远超出国际公认 的4 0 上限。水资源过度开发造成生态环境的严重恶化：平原2 1 条主要河流有 6 0 的河道干涸，干涸长度超过2 0 0 0 k m ；平原1 2 个主要湿地水面面积比2 0 世 纪5 0 年代减少六分之五，自洋淀多次面临干涸；河口因缺少入海水量生态恶化， 泥沙淤积严重；平原浅层地下水超采量达4 2 亿m 3 ，超采面积达6 万k m 2 ；平原 深层承压水开采量3 8 亿m 3 ，超采面积5 6 万k m 2 ；主要泉水出水量较5 0 年代减 少一半，部分泉水消失；一些地区出现环境地质灾害。海河流域生态环境恶化形 势十分严重。 缺水、水污染和生态环境恶化的根本原因是经济社会发展对水的需求大大超 过流域水资源和水环境承载能力，当前用水量中有三分之一( 约1 3 0 亿m 3 ) 是 依靠过度开发地表水、超采地下水等牺牲生态环境措施获得的，依靠牺牲生态环 境，勉强支持着流域经济社会的发展。 1 3 国内外研究现状 根据蒸发蒸腾机理，蒸散发( e v a p o t r a n s p i a t i o n ，简称e t ) 共分五类：第一类 是植物的冠层截留蒸发量，即被植被冠层截留后直接蒸发返回大气中的那一部分 降水；第二类是植被蒸腾量，即植被通过吸收土壤水和潜水来满足自身生长需要 的水分；第三类是地表截留蒸发量，即降水到地表但未入渗到土壤，而直接蒸发 3 河海大学工程硕士专业学位论文一海河流域下垫面蒸散发研究 返回大气那一部分水分，主要是陆面填洼的水分；第四类是土面蒸发，即土壤水 直接通过地表进行的蒸发，水分来源包括两部分，一是土壤水存量的蒸发。二是 地下水上行蒸发通量即潜水蒸发；第五类为水面蒸发。即降水降落到水面后返回 大气中的那一部分降水1 2 ”。 1 3 1 水面蒸发研究现状 水面蒸发是指自然状态下，水分转化为气态逸出水面的过程。水面蒸发量是 区域e t 计算的基础，可以直接作为地表水体的e t ，多年来一直是学者们研究 的重要课题。目前使用的计算公式中，一是用研究区域观测站点资料，乘以经验 分析取得的纯经验公式，比较准确，但只代表研究区域实际情况，在区域的扩展 方面受到局限：二是用气象资料间接估算蒸发量，为半经验公式，如水量平衡法、 水热平衡法、彭曼法【5 l 、t u r k 经验公式和水汽输送法等。这些公式都不能适用于 象海河流域3 2 万平方公里这样的大尺度范围，目前还没有合适的公式解决这个 问题【6 7 1 。 1 3 2 土壤蒸发研究现状 土壤蒸发是土壤中的水分以水汽形式逸入大气的现象。土壤是大陆上最广范 的下垫面，是种植耕作的基础，具有吸收、保持和输送水分的能力，土壤水的蒸 发过程较水面蒸发复杂。目前，土壤蒸发量的计算方法有器测法：即用土壤蒸发 器、称重器或墒情观测仪等测量器具直接测定土壤含水量的变化，但由于天气变 化的偶然性、土壤组成的不均匀性和影响因素的复杂性影响，器测法受到局限很 大，一般只用于蒸发规律的研究；间接计算法：即从土壤蒸发的机理规律出发， 以水量平衡、热量平衡、紊流扩散理论为基础，建立的推估公式【8 9 】。 1 3 3 植物散发研究现状 植物根系依靠渗透压从水中或土壤中吸收水分，受到根细胞生理作用产生的 根压和蒸腾拉力的作用将水分输送到叶面，最后通过开放的叶面气孔逸出到大气 中，这个过程称为植物的散发或蒸腾一_ o 】。这是一个更为复杂的物理一生理过程， 受土壤质地、生长环境、植物生理结构和大气状况的影响。目前的计算方法有直 接测定法：它包括器测法、坑测法及棵枝稳重法等，适用于理论研究；另有分析 4 第一章绪论 估算法：包括水文学法、微气象学法、植物生理学法和s p a c 水分传输模拟法以 及各种模型等，是一种普遍使用并用于e t 统计的方法：当今，植物的光合和蒸 腾的模拟已经从经验模型发展到生理生态过程模型的时代，出现了对植物叶片和 群体生理生态过程的模拟模型。 1 3 4 流域盯研究现状 流域e t 是研究流域内水面蒸发、土壤蒸发、植被冠层截流水蒸发和植物散 发的总和。其计算思路有两种：一是单独计算流域内各单项计算e t ，再叠加土 类和植被以加权求和统计；二是对流域进行综合研究，并根据水量平衡、能量平 衡、经验模式、互补相关和遥感探测等方法，计算流域总e t 水量【3 1 2 1 。现在一 般采用第二种思路【1 3 1 。 1 3 4 1 水文学法 水文学法是基于一定区域面积和土体深度在某一时段内的水量平衡，间接测 定总e t ，故又可称为“水量平衡法”m 。 1 3 4 2 微气象学法 微气象学法是随着电子计算机技术、气象仪器的不断发展，数据的自动化采 集与运算系统的日益先进，该方法已成为较为常见的e t 计算方法，主要包括： 能量平衡法、空气动力学法、能量平衡和空气动力学联合公式法、能量平衡一空 气动力学阻抗联合法、涡度相关法、红外遥感法及各种根据气象学因子模拟研究 的方法等 1 4 1 。 ( t ) 能量平衡法 能量平衡法，即波文比一能量平衡法( b r e b ) ，该方法的物理概念明确、计 算方法简单，对大气层没有特别的要求和限制。b r e b 最基本的假设条件是：空 气动量扩散系数、热量扩散系数和水汽湍流扩散系数相等，所以，只有在开阔、 均一的下垫面情况下，才能保证有较高的精度 1 5j | 6 1 。 ( 2 ) 空气动力学法 5 河海大学工程硕士专业学位论文一海河流域下垫面蒸散发研究 空气动力学法又可称紊流扩散学法，是由m m w a i 和h o l z r a a n 于1 9 3 9 年基于地面边界层梯度扩散理论首次提出的。认为：近地面层温度、水气压和风 速等各种物理属性的垂直梯度，受大气传导性制约，可根据温度、湿度和风速的 梯度及廓线方程，求解出潜热和热通量。对下垫面及气体稳定度要求严格，只有 在湍流涡度尺度比梯度差异的空间尺度小得多的条件下，梯度扩散理论才能成立 1 1 7 1 。故在平流逆温的非均匀下垫面、粗糙度很大的植物覆盖以及在植物冠层内 部情况下，该理论不适用。因而，该方法很难在实际工作中得到推广应用【2 。1 8 1 。 ( 3 ) 能量平衡一空气动力学综合法 p e n m a n 于1 9 4 8 年将能量平衡原理和空气动力学原理结合起来，首次提出著 名的p c n m 趾公式，用以计算潜在蒸发量【1 9 】。尔后，于1 9 5 3 年又提出植物单叶 气孔的蒸腾计算模式。c o v e y 于1 9 5 9 年将气孔阻抗的概念推广到整个植被冠层 表面，m o n t e i m 于1 9 6 5 年在p e n m a n 和c o v e y 工作的基础上，提出了冠层e t 计 算模式，即著名的p e n m a n m o n t e 浊模式口- m 模式) 。该模式全面考虑影响e t 的大气物理特性和植被的生理特性，具有很好的物理依据，能比较清楚地了解 e t 的变化过程及其影响机制，为非饱和下垫面e t 的研究开辟了新的途径，现 已得到了广泛研究与应用p 2 0 】。 ( 4 ) 涡度相关法 涡度相关法是一种可用特制的涡动通量仪直接测算下垫面显热和潜热的湍 流脉动值，而求得植被e t 的方法。相比其它微气象法，其物理理论最为完善和 可靠，且测量精度很高。但不能解释e t 的物理过程和影响机制，且其硬件系统 昂贵，观测技术复杂。因此，目前，涡度相关法还不能作为e t 的常规计算方法。 在我国采用这种方法测算作物或林木e t 的研究工作并不很多”7 】。 ( 5 ) 红外遥感法 红外遥感法是利用遥感遥测技术计算植被e t 的方法。它是一种通过植被的 光谱特性、红外信息结合微气象参数来计算e t 的方法【4 】。此法既克服了微气象 学法因下垫面几何结构和物理属性的水平非均匀性，而难以将“点”上观测资料 应用到“面”上的局限性，也克服了水量平衡法在时间分辨率上的缺陷，故该方 法具有广泛的应用前景【3 1 朋】。 6 第一章绪论 1 3 4 3 植物生理学方法 植物生理学法，主要用于测定植株的一部分或整体的蒸腾耗水量，可作为一 种分析植株与水分关系的辅助方法。主要包括：快速称重法、气孔计法、风室法、 同位素示踪法、热脉冲法和整树容器法等。目前，在我国，该方法是一种测定或 计算树木蒸腾的常用方法。其主要缺点是：因样本的代表性问题，难以准确地用 单棵或数棵植株的蒸腾量推算出大面积植株的总蒸腾量瞄2 2 。 1 3 4 4 土壤一植物一大气连续体( s p a c ) 水分传输综合模拟法 s p a c 水分传输综合模拟法是根据p h i l i p ( 1 9 6 6 ) 提出较为完整的土壤植物 一大气连续体( s p a c ) 概念，对e t 的物理与生物机制的动态模拟，计算植被e t 耗水量脚。在s p a c 中，由于统一了能量关系，为分析和研究水分运移、能量转 化的动态过程提供了方便，对e t 的物理与生物机制、农林业生产、水资源的合 理利用与节水农业的发展起到了十分重要的作用。但由于植物在s p a c 系统中受 太阳辐射瞰2 引、大气温度、大气中c 0 2 浓度、土壤水和土壤中的养分等诸多因 素的影响，使得精确描述s p a c 系统水分的传输显得非常复杂，而且目前对s p a c 系统的研究中并没有把植物作为一个实体进行研究，而是简单地概化处理。因此， 目前的研究还是比较有限的，有待于大量的进一步地深入研究。 综上，国内学者依据上述方法，还进一步开展了不同土壤水分条件下种植地 耗水规律研究1 2 “，土壤质地对潜水蒸发的影响1 6 2 4 1 ，潜水蒸发的埋深极限的研 究障钔、人工控制有限供水对种植物根系生长及土壤水分利用的影响【3 0 1 ，胁迫供 水对作物生长和土地e t 的影响叫”1 ，水量丰早的e t 规律研究，不同光照条 件下作物蒸腾量计算的研究口1 1 等。 1 3 5 水文模型 分布式水文模型始终是水资源研究的重要手段与方法之一，计算e t 是分布 式水文模型的重要用途之一。对一个对流域下垫面按河流水系进行子流域划分。 进而进行用下垫面性质分类的水文响应单元划分，用分布式水文模型模拟水循环 过程，算出流域e t 。 基于遥感的反演e t 的模型是近来发展起步的又一种计算模型。 河海大学工程硕士专业学位论文海河流域下垫面蒸散发研究 1 3 5 1 国外的分布式水文模型 目前代表性的模型有：s w a t 模型、s h e 模型、w m s 模型、t o p m o d e l 模 型、i h d m 模型等。 ( 1 ) m 咂s h e 模型 s y s t e mh y d r o l o g i q u ee u r o p e e n ( s h e ) 是在欧共体的资助下，由英国水文研究 所、法国s o g r e a c h 咨询公司和丹麦水力学研究所联合研制开发的 5 】。在s h e 模型中，流域在平面上被划分成许多矩形网格，这样便于处理模型参数、降雨输 入以及水文响应的空间分布性；在垂直面上，则划分成几个水平层，以便处理不 同层次的土壤水运动问题。s h e 模型为研究人类活动对于流域的产流、产沙及 水质等影响问题提供了理想化的工具。 m 珏江s h e 模型则是由丹麦水力学研究所在s h e 模型基础上发展起来的的 流域整体水循环模拟软件系统。m i k es h e 模型的缺点是对资料完备性和详细度 要求较高，不适用于资料基础较差的流域整体水循环模拟分析。 ( 2 ) s w 盯模型 s w 盯模型。s w a t 的全称是s o i l & w a t e ra s s e s s m e n tt o o l ，即土壤与水分 评价工具，是由美国农业部( u s d a ) 组织开发的流域分布式水文模型。s w a t 模型是以a r e v i e w g i s 为开发平台的区域农业生产管理与评价模型【3 3 。s w a t 模 型不同于传统的作物生长管理模型，它适用于具有不同的土壤类型、不同的土地 覆盖利用方式和管理条件下的复杂大流域。它能够利用g i s 和r s 提供的空间数 据信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程，包括水、沙、化学物质和 杀虫剂的输移与转化过程。它主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质 的长期影响，不适用于模拟具体的单一洪水过程。 从模型结构看，s w a t 属于第二类分布式水文模型，即在每一个网格单元( 或 子流域) 上应用传统的概念性模型来推求净雨，再进行汇流演算，最后求得出口 断面流量。它明显不同于s h e 模型等第一类分布式水文模型，即应用数值分析 来建立相邻网格单元之间的时空关系。从建模技术看，s w a t 采用先进的模块化 设计思路，水循环的每一个环节对应一个子模块，十分方便模型的扩展和应用。 在运行方式上，s w a t 采用独特的命令代码控制方式，用来控制水流在子流域间 8 第一章绪论 和河网中的演进过程，这种控制方式使得添加水库的调蓄作用变得异常简单。 s w a t 的功能十分强大，还能够用来模拟和分析水土流失、非点源污染、农业管 理等问题。s w a t 模型包括了作物生长、水分平衡、养分循环、土壤侵蚀与沉积 等过程，可以对农业生产中作物产量与长势、农业生产对水土环境的影响等进行 模拟、评价与预测。s w a t 系统开发完成以后，在美国已经应用到多个区域性或 全国性的农业生产过程模拟和环境影响评价项目，例如美国全国水土流失的模拟 与评价，取得了良好案例。s w a t 模型的良好性能在国际上也受到广泛关注，在 欧盟、澳大利亚、加拿大、印度等国已经开始应用【3 3 】。 ( 3 ) t o p m o d e l 模型 1 9 8 6 年b e v e n 在他和k i r b b y 的时期工作基础上提出的t o p m o d e l ( t o p g r a p h y b a s e dh y d r o l o g i c a lm o d e l ) 模型【6 。t o p m o d e l 以地形和土壤为基础的半分 布式水文模型，在集总式和分布式流域水文模型之间起到了承上启下的作用。该 模型基于d e m 推求地形指数( l n a t a n l 3 ) 或土壤一地形指数i n ( a f f t a n l 3 ) ) 来反 映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，描述水流趋势。模型基于重力 排水作用径流沿坡向运动原理，模拟径流产生的变动产流面积概念，尤其是模拟 地表或地下饱和水源面积的变动。t o p m o d e l 模型结构比较简单，物理概念明 确，优选参数少，充分利用了容易获取的地形资料，而且与观测的物理水文过程 有密切联系。该模型已被应用到各个研究方面，但在干旱半干旱地区水文模拟效 率较低。 ( 4 ) w m s 模型 w m s ( w a t e r s h e dm o d e l i n gs y s t e m ) 模型系统是美国b r i g h a my o u n g 大学环 境模型研究实验室( e m r l ) 开发的专业水文模拟处理软件，提供水文模拟全过 程的工具嘲。包括流域、子流域的自动生成、几何参数的计算、水文参数( 如汇 流时间、降雨深等) 的计算等，并能实现模拟结果的可视化。w m s 可以使用矢 量地图、d e m 、t i n 等格式的数据来进行地形分析和水文模拟。嵌入了多种传 统的概念性水文模型，包括h e c 1 、n f f 、t r - 2 0 、t r - 5 5 、r a t i o n a lm e t h o d 、 h s p f 等，根据自动提取的流域参数进行水文模拟，可以用于洪水预报、水库设 计、城市规划等。 ( 5 ) s w m m 模型 9 河海大学工程硕士专业学位论文一海河流域下垫面蒸散发研究 s w m m ( s t o r m w a t e r m a n a g e m e n t m o d e l ) 是在美国环保署资助下，由梅特 卡夫有限公司( m e t c a l f & e d d y ，i n c ) 、水资源工程师有限公司( w a t e rr e s o u r c e s e n f i n e e r si n e ) 、佛罗里达大学( u n i v e r s i t yo ff l o u i d a ) 等三家单位联合开发的 1 7 1 。该模型是一个动态的降雨一径流模拟模型，可以进行城市地区某一单位的事 件或者长期的水质和水量的模拟，已被广泛用于下水道和暴雨洪水的研究 3 1 1 。 1 3 5 2 国内的分布式水文模型 国内分布式水文模型的开发虽然起步晚，但发展迅速，先后开发出了针对我 国特定流域的水文模型系统，如中国水科院的二元水循环模型( w e p ) 、清华大 学的分布式水文模型、数字流域模型等。 ( 1 ) w e p 模型 w e p 模型( w a t e ra n de n e r g yt r a n s f e rp r o c e s s ) 是中国水科院水资源研究所 开发的分布式水文模型。模型基于水量平衡和能量平衡的原理，耦合了水循环过 程和能量交换过程，模拟了降雨、入渗、蒸发蒸腾、积雪融雪、坡面汇流、土壤 中流、河道径流、地下水运动等过程，可用于短期洪水预报、长系列水文系列计 算和水资源评价等方面，已在日本、韩国和我国黑河、黄河等多个流域得到验证 和应用。由该模型与集总式水资源配置模型( r o w a s ) 耦合形成的二元水资源 水环境管理模型d w e m m ( d u a l i s t i cw a t e ra n de n v i r o n m e n tm a n a g e m e n tm o d e l ) ， 已成功模拟了黄河流域天然水循环过程和人工侧支水循环过程构成的“二元”水 循环系统【2 ”。 ( 2 ) 数字流域模型 由清华大学研制的数字流域模型，从流域水文与泥沙过程的角度，以子流域 和坡面为基本计算单元，通过模拟坡面产流、产沙，再到河道的汇流计算，水库 调度。该模型成功地实现了大流域数字化模型系统的建立，实现了多项数字流域 的关键技术的开发，包括d e m 数据存取、遥感信息解译与降雨量分布等；在技 术上开发了计算机集群并行计算，解决了分布式模型的计算区域面积、参数获取、 时间与空间4 方面的制约。该模型包括服务器端和客户端两部分，一般用户只需 要在客户端配置模型参数即可完成特定功能的模拟。 1 0 第一章绪论 1 3 5 3 遥感反演e t 模型 ( 1 ) s e b a l 模型 荷兰w a t e r w a t c h 公司开发的s e b a l ( s u r f a c ee n e r g yb a l a n c ea l g o r i t h m sf o r l a n d ) 模型软件【3 8 】，模型基于地表能量平衡方程，对e t 的计算是基于单个像元， 其计算结果以栅格图的形式可视化显示。运用卫星遥感资料结合地面气象观测资 料用s e b a l 模型反演e t 己在国内外多个流域内进行了验证，目前被广泛采用 作为遥感计算e t 的重要方、法【1 0 1 。 ( 2 ) r s i s 模型 专为m o d i s 遥感数据准备的地表热量平衡通量解译软件翻。作为e t 反演 还需在大量的气象水文观测资料基础上，自行编制程序运行。 ( 3 ) s e b s 模型 基于能量平衡的s e b s 模型，可在缺少地面参数的情况下进行遥感e t 反演， 但用于黄河三角洲区域反演e t 偏列3 6 1 。 1 4 本文研究重点 e t 的监测对流域水资源管理、区域水资源利用规划和社会经济可持续发展 研究至关重要。海河流域蒸腾蒸发量( 简称e t ) 控制与分配在整个g e f 项目中 占有重要位置，本人对其中相关问题进行了重点研究。本人作为中国水利水电科 学研究院水资源所的“西部之光”访问学者，参加了该所参与的海河g e f 项目的 天津i w e m p 规划编制工作，承担了海河流域e t 的分析评价工作，在项目中，我 综合运用已掌握的数学分析、水文专业、数据库操作、计算机程序设计、g i s 地 理信息系统分析和遥感航测知识，借助v i s u a lb a s i c 语言编程、e x e l 电子表 格、s o l 数据库、m a p i n f o 软件、a r c v i e w 软件、a r c g i s 软件、e n v i 和e r d a s 等 操作软件，进行了遥感分析海河流域e t 值的统计工作。遥感反演海河流域e t 的研究内容如下，技术路线如图1 1 描述。 ( 1 ) 遥感反演海河流域e t ； ( 2 ) 通过全流域的水量平衡来进行流域级验证； 1 1 河海大学工程硕士专业学位论文一海河流域下垫面燕教发研究 ( 3 ) 为了研究遥感反演e t 的空间尺度，又进行了天津三县的小尺度遥感反演 e t ，并在天津三县的范围进行了两种分辨率遥感反演e t 结果评价； ( 4 ) 文章的最后简述了自己的工作感想。 海河流 域土地 覆盖利 用类型 图 海河流 域行政 区图 海河流 域水量 平衡e t h o d i s 数据 气象数 据 海河流 域 1 k i n e t 海河流 域i k m 区域土 地覆盖 利用类 型e t 流域级 遥感e t 验证 天津三 县 3 0 m e t 天津三 县3 0 m 区域土 地覆盖 利用类 型e t 1 k i n 与 3 0 m 空 间尺度 评价 图1 1 海河流域e t 研究流程图 1 2 t h 数据 天津三 县土地 覆盖利 用类型 图 天津三 县行政 区图 第二章海河流域蒸散发研究技术框架 第二章海河流域蒸散发研究技术框架 利用遥感技术反演流域e t 用于流域水管理的研究，发挥了卫星遥感监测的 时效性、经济合理性和实用性；通过遥感反演的e t ，在水管理方面的应用前景 广阔阳。 2 1 技术路线 本文研究采用本文1 3 4 节流域e t 的计算方法的第二种思路，即1 3 4 2 段叙述的红外遥感法。首先计算参考蒸散发( 下垫面充分供水时的蒸散发) ，其 次进行农作物蒸散发和实际蒸散发的估算。分析工具是应用1 3 5 3 段的s e b a l 模型软件，通过对模型的应用研究，了解目前研究方法的适用性。 用基于l k m 分辨率的m o d i s 数据遥感反演海河流域e t ，用基于3 0 m 分辨 率的t m 数据遥感反演天津三示范县e t ，对两种分辨率遥感反演e t 结果进行 对比，研究空间尺度变化对遥感反演e t 的影响程度。 用海河流域的水量平衡分析e t 与遥感反演海河流域e t 进行总量验证，研 究遥感反演e t 的准确程度。 对s e b a l 模型分析得到的流域e t 结果进行不同尺度的行政区域、水资源 分区、土地覆盖利用类型及相互组合区域的统计，研究e t 的空间分布规律。 2 2 模型原理与方法 s e b a l 模型软件基于地表能量平衡方程，应用遥感影像收集到的可见光和 近红外波段，估算地表比辐射率、地面冠层密度和行星反照率，应用热红外波段 信息提取温度场数据，对大区域范围进行e t 计算口9 1 。鉴于遥感影像提供的只是 瞬时的信息，s e b a l 模型计算结果是影像获取时瞬间的e t ，然后通过外推站点 河海大学工程硕士专业学位论文一海河流域下垫面蒸散发研究 可以获得当天的e t ，应用于作物可以推算出整个作物整个生长季节的总e t 。 s e b a l 模型的原理基础如图2 1 所示，如下列举其原理过程。 图2 1s e b a l 模型遥感反演e t 运行机理图 地表能量平衡方程如式( 2 1 ) 所示。 r n g = - l e + h ( 2 1 ) 其中r n 是地表净辐射j 强( w m 2 ) ，l e 是潜热通量( w ，1 2 ) ，g 是土壤热通 量( 、，m 2 ) ，h 是显热通量( w m 2 ) 。具体各个分量的计算方法概述如下。 2 2 1 地表净辐射通量r n 地表净辐射通量( s u r f a c en e tr a d i a t i o n ，r n ) 是指地表实际获得的净辐射能 量，是地面能量、物质输送与交换过程中的原动力，是驱动水气逸出地表的能源。 1 4 第二章海河流域蒸散发研究技术框架 它由所有的入射能量与所有出射能量的差值，用式( 2 2 ) 来计算。 r n 2 ( 1 一日) r = ( m ) + r l ( m ) 一r l ( 。“。一( 1 一占。) r l ( m ) ( 2 2 ) 其中r n 是地表净辐射通量，r s ( m ) 是入射短波辐射，a 是地表反射率( 无量纲) 【4 2 4 4 1 ，r 1 4 i ) 是入射的长波辐射h 6 l ，r l ( o u t ) 是反射的地表长波辐射，eo 是地表比辐 射系数( 无量纲) 【4 4 硝】。 2 2 2 土壤热通量g 土壤热通量( t h es o i lh e a tf l u x ，g ) 也称土壤热交换，指的是由于传导作用而 存储在土壤和植被中的那部分能量。取决于地表特征( 地面植被覆盖率) 和土壤 含水量等【4 6 4 7 1 ，用式( 2 3 ) 所示的经验公式来计算。 g r n = t s a ( o 0 0 3 8 + 0 0 0 7 4 a 2 ) ( 卜0 9 8 n d v l 4 ) f 2 3 、 其中，t s 是表面温度( 度) ，a 是表面反射率，n d v i 是归一化植被指数 4 9 1 。 2 2 3 显热通量h 显热通量( t h es e n s i b l eh e a tf l u x ，h ) 也称感热，指的是由于传导和对流作用 地球表面交换到大气中的那部分能量。可用式( 2 4 ) 计算。 h = ( p c 。，d t ) r 女 ( 2 4 ) 其中，p 是空气的密度( 1 2 9 k g m 3 ) ，c p 是空气定压比热( 1 0 0 4 j k g k ) ，d t 是在2 个高度处( z l 和z 2 分别为蒸散发表面和参考层面高度) 的温度差( t 1 t 2 ) ，r a h 是空气动力阻抗r m s 1 【3 9 】。 显热通量h 是一个关于温度梯度、表面粗糙度和风速的函数。计算方程( 2 4 1 很难求解，因为其中有2 个未知的变量d t 和r 血。为了解决这个问题，s e b a l 模型采用了2 个点( “c o l d ”点和“h o t ”点) 作为边界条件并引入m o n i n - o b u k h o v 理论【1 2 】通过迭代过程对方程进行求解，要使迭代方程有稳定的结果，输入的边 界条件代表性要求高。“c o l d ”点是指影像中水分供应充足、e t 很大、植被覆盖 度很高且温度很低的那个像元，这一点的e t 等于潜在e t ；“h o t ”点是指位于 很干燥的未种植任何植被的闲置农田的像元，这个点可以被认为e t 为零。记录 下这2 个点的坐标，根据其坐标可以分别查得这2 个点的表面温度t s ，净辐射 1 5 河海大学工程硕士专业学位论文一海河流域下垫面蒸散发研究 通量r n 和土壤热通量g 。实际反演e t 时，为免除温度、地形和下垫面情况的 空间差异性，冷热点进行了分区选择，把水体作为冷点，利用地面观测数据标定 水体的热通量、冷点的显热，按式( 2 5 ) 进行计算显热能量。 h c o l d = i h - g - l e - c o l d ( 2 5 ) 2 2 4 瞬时e t 外推全天 根据公式( 2 1 ) ，在己知地表净辐射通量r n 、土壤热通量g 和显热通量h 情 况下，可计算出潜热通量l e 。根据式( 2 6 ) 可以计算出瞬时的蒸散发量e t i 。t i 帅1 。 占：3 6 0 0 竽 ( 2 6 ) 其中， 是蒸发潜热佗4 9 1 0 6w m 2 i m m ) 。 e t r 是日水面蒸发量：潜在蒸散发系数e t r f 定义为每个像元的瞬时蒸散发 与由气象数据计算的潜在蒸散的比值。e t r f 的计算如式( 2 7 ) 所示，与作物系数 k c 很相似，用于计算1 天( 或更长时间) 的e t 。 醯r f = e t g t , ( 2 7 ) 最后，1 天的蒸散发量e t d 。可由式( 2 8 ) 来计算。 e i 姆2e t f e z 2 4 ( 2 8 ) 其中e t r 2 4 是影像获得当天的潜在蒸散发，即充分供水时蒸发能力。 s e b a l 模型运行的具体流程见图2 2 。模型调试结果发现，s e b a l 模型在 计算地势平坦及植被覆盖度较高的区域的e t 时有着较高的计算精度，但在地形 起伏较大的区域e t 时，结果与地面观测场的观测资料有出入【4 1 1 ，因此，加入了 对照d e m 高程数字模型对山区阴影进行修正的过程。 1 6 第二章海河流域蒸散发研究技术框架 2 。3 基础数据准备 图2 2s e b a l 模型运行流程图 2 3 1 运行s e b a l 模型的基础数据 气象数据采用5