李海濤，陳偉濤，陳邦松，鄒 毅，李文鵬

(1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北武漢 430074;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083;4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051)

蒸散量是水循環(huán)體系中的一個(gè)重要因素。在二十世紀(jì)八十年代之前，蒸散量研究只是局限于點(diǎn)或者很小的試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)，比較經(jīng)典的方法有蒸發(fā)皿［1］、渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)［2］、波文比［3］以及土壤水均衡法［4］等。對(duì)于區(qū)域水文模型，點(diǎn)源數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域蒸散量的技術(shù)得到了深入的研究和長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域蒸散量的技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用［5～6］。利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行蒸散量計(jì)算的模型較多，大致可分為四類［7］:①經(jīng)驗(yàn)公式直接估算法;②能量守恒殘差法;③確定模型法;④植被指數(shù)法。經(jīng)驗(yàn)公式直接估算法和植被指數(shù)都有其自身的假設(shè)條件和限制，而確定模型法較為復(fù)雜，需要的參數(shù)較多［8］。因此，目前應(yīng)用較多的為能量守恒殘差法。本文重點(diǎn)討論在能量守恒的前提下，通過(guò)恒定蒸發(fā)比計(jì)算區(qū)域蒸散量。

1 基本原理

對(duì)于某一瞬時(shí)條件下，地表能量守恒的表達(dá)式為:

式中:Rn——凈輻射通量/(W·m-2);

λE——湍流潛熱通量/(W·m-2);

H——湍流感熱通量/(W·m-2);

G0——土壤熱通量/(W·m-2)。

對(duì)于一天內(nèi)的蒸散量計(jì)算來(lái)說(shuō)，可以先假設(shè)蒸散量在一天之內(nèi)是一個(gè)隨時(shí)間呈正弦曲線的變化過(guò)程，通過(guò)蒸發(fā)比計(jì)算一天之內(nèi)的蒸散量。蒸發(fā)比的定義:

根據(jù)shuttleworth和Gurney等的研究成果，蒸發(fā)比在一天之內(nèi)為一常數(shù)［9］。Sugita和Brutaert等對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)和驗(yàn)證，也得到了同樣的結(jié)論［10］。Crago討論了蒸發(fā)比的影響因素，其中包括云量、濕度和溫度等［11］。

在日內(nèi)蒸發(fā)比恒定的條件下，一天內(nèi)的蒸散量:

蒸發(fā)比的確定可以利用Simplified Surface Energy Balance Index(S-SEBI)來(lái)計(jì)算［12］。

2 研究區(qū)概況

黑河流域位于我國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)，地跨青海、甘肅、內(nèi)蒙三省(圖1)。流域深居內(nèi)陸地區(qū)，平原區(qū)降水量少，蒸發(fā)量大，中游盆地(張掖、臨澤、等地區(qū))降水量 100～150 mm/a，蒸發(fā)量 1 400～1 600 mm/a。下游盆地(額濟(jì)納地區(qū))降水量減少至50 mm/a以下，蒸發(fā)量增至 2 200 mm/a 以上［13］。

圖1 黑河流域地理位置圖Fig.1 Location map of the Heihe River basin

黑河流域一直是我國(guó)水文地質(zhì)研究者們關(guān)注的重點(diǎn)流域，先后有大量的研究者在該流域從事水文地質(zhì)研究工作。其中，關(guān)于黑河流域蒸散發(fā)的研究成果有很多，主要集中在黑河流域上、中游地區(qū)的植被發(fā)育和農(nóng)田灌溉地區(qū)，如程春曉等開(kāi)展了黑河流域上中游植被蒸散發(fā)時(shí)空演變趨勢(shì)及其影響因子分析研究［14］;何磊等開(kāi)展了SEBS模型在黑河流域中游的應(yīng)用及參數(shù)敏感性分析研究［15］;王海波等開(kāi)展了基于遙感和Penman-Monteith模型的內(nèi)陸河流域不同生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)估算研究等［16］。本文旨在計(jì)算黑河流域全流域蒸散量，以期為后期蒸散量分離和水資源調(diào)控研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 基于NOAA衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和恒定蒸發(fā)比的蒸散量計(jì)算

本文采用的遙感數(shù)據(jù)為NOAA數(shù)據(jù)，1B級(jí)，分辨率為1 km。

基于恒定蒸發(fā)比條件下的蒸散量計(jì)算過(guò)程如圖2所示。其中 CH1，CH2，CH3，CH4，CH5 分別代表NOAA影像的第1～第5波段。

圖2 基于恒定蒸發(fā)比的蒸散量計(jì)算過(guò)程Fig.2 Procedure of evapotranspiration calculation based on constant evaporative fraction

3.1 反照率

行星反照率的計(jì)算公式為:

其中，c1、c2、c3 的取值分別為 0.035、0.545、0.32。

通過(guò)式(5)將行星反照率轉(zhuǎn)化為地表反照率。

式中:c4——行星反照率與地表反照率的偏移量，通常為行星反照率的最小值;

c5——短波輻射率，通常取0.5。

3.2 溫度

溫度T的計(jì)算公式:

其中，C42=0.39，C4=2.34，C45=-0.78，C5=-1.34，C52=0.39，offset=0.56。

3.3 蒸發(fā)比

根據(jù)Roerink等提出的方法［12］，蒸發(fā)比是通過(guò)繪制反射率與溫度的散點(diǎn)圖分析得來(lái)的。

該方法假設(shè)位于直線BC的點(diǎn)為完全濕潤(rùn)點(diǎn)或者水體，位于斜線AB的點(diǎn)為干燥點(diǎn)或潛熱通量為零。對(duì)于某一個(gè)像素P來(lái)說(shuō)，該點(diǎn)的蒸發(fā)比:?

3.4 日凈輻射

日地表輻射(Kday)計(jì)算公式為:

圖3 蒸發(fā)比計(jì)算示意圖Fig.3 Sketch map for calculating evaporative fraction

式中:E0——日校正系數(shù)，常數(shù);

da——日偏角;

dn——儒略日;

GSC——日輻射常數(shù)，0.0820(MJ)

任何一個(gè)理論的傳播都離不開(kāi)大眾媒介，“人類有了某種媒介才有可能從事與之相適應(yīng)的傳播和其他社會(huì)活動(dòng)?！丙溈吮R漢說(shuō)：“正是傳播媒介在形式上的特性——它在多種多樣的物質(zhì)條件下一再重現(xiàn)——而不是特定的訊息內(nèi)容，構(gòu)成了傳播媒介的歷史行為功效?！保?］148“媒介是理論傳播的助推器和重要載體。傳播媒介大致有兩種含義：第一，它指信息傳遞的載體、渠道、中介物、工具或技術(shù)手段；第二，它指從事信息的采集、加工制作或傳播的社會(huì)組織?！保?］147

Δ——日太陽(yáng)斜角，常數(shù);

Ws——日出偏角;

φ——像素點(diǎn)的緯度。

日地表短波輻射計(jì)算公式為:

式中:as、bs——均為常數(shù)，as=0.25，bs=0.50;

N——日照時(shí)長(zhǎng)。

日地表長(zhǎng)波輻射計(jì)算公式:

式中:ae、be——常數(shù)，分別取值 0.34，-0.14;

Tmean——平均氣溫(根據(jù)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算)。

日凈輻射計(jì)算公式:

式中:c1——地表反照率轉(zhuǎn)換系數(shù)(可見(jiàn)光波段日平均

反照率與瞬時(shí)反照率的比值)，取值1.1。

3.5 日蒸散量計(jì)算

根據(jù)式(7)和式(18)的計(jì)算結(jié)果，利用式(3)計(jì)算蒸散量。采用2011年度成像的NOAA數(shù)據(jù)計(jì)算蒸散量，每月選擇1景云量小于5%的數(shù)據(jù)，具體成像時(shí)間見(jiàn)表1。在計(jì)算過(guò)程中，主要采用位于張掖地區(qū)的高臺(tái)氣象站數(shù)據(jù)，由國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心提供。

圖4為黑河流域平原區(qū)2011年2月16日蒸散量分布圖。

圖4 黑河流域平原區(qū)2011年2月16日蒸散量分布圖Fig.4 Evapotranspiration map in February 16，2011 in the Heihe River basin

4 基于penman-monteith公式的蒸散量計(jì)算

Penman-monteith公式是一種蒸散量計(jì)算的傳統(tǒng)公式:

式中:ET0——蒸散量/(mm·d-1);

G——土壤熱通量/(MJ·m-2·d-1);

Δ——飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線斜率/(kPa·℃-1);

γ——干濕表常數(shù)/(kPa·℃-1);

Tmean——平均溫度/(℃);

Rn——凈輻射通量/(MJ·m-2·d-1);

ea——實(shí)際水汽壓/(kPa);

es——飽和水汽壓/(kPa);

u2——距離地面2 m高處的風(fēng)速/(m·s-1)。

公式中各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算過(guò)程可參見(jiàn)文獻(xiàn)［17］，計(jì)算過(guò)程中的氣象數(shù)據(jù)采用的是甘肅張掖地區(qū)高臺(tái)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)，由國(guó)家氣象數(shù)據(jù)共享中心提供。

圖5為利用Penman-monteith公式計(jì)算的蒸散量結(jié)果。

圖5 黑河流域2011年蒸散量曲線圖(Penman-monteith公式，高臺(tái)氣象站數(shù)據(jù))Fig.5 Evapotranspiration curve in 2011 in the Heihe River Basin(according to the Penman-monteith equation)

5 年總蒸散量計(jì)算

5.1 日蒸散量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

目前，利用Penman-monteith公式估算典型區(qū)域蒸散量的方法已經(jīng)被廣泛的接受，常與通過(guò)遙感方法計(jì)算的蒸散量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比［18］。在本文中，根據(jù)兩種方法計(jì)算的蒸散量對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1和圖6。

表1 蒸散量計(jì)算結(jié)果對(duì)比表Table 1 Comparison of the calculated evapotranspiration based on two different methods/(mm·d-1)

圖6 蒸散量計(jì)算結(jié)果對(duì)比散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter map of the calculated evapotranspiration based on two different methods

根據(jù)相關(guān)性分析，基于恒定蒸發(fā)比和Penmanmonteith公式計(jì)算的蒸散量結(jié)果之間存在很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.94。

5.2 年蒸散量計(jì)算

在區(qū)域尺度上，年或者月蒸散量對(duì)于水資源分析研究，意義更大。通過(guò)遙感數(shù)據(jù)計(jì)算的蒸散量只能代表瞬時(shí)或者日平均蒸散量，Allen等2007年提出了利用有限的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，進(jìn)而獲得月或者年蒸散量的方法［19］。在本文研究中，假設(shè)不同時(shí)間ETNOAA與ET0之間的比值是線性的。對(duì)于沒(méi)有遙感數(shù)據(jù)的日子，在最近的兩期ETNOAA與ET0之間的比值進(jìn)行線性插值，然后利用對(duì)應(yīng)日期的ET0獲得相應(yīng)日期的蒸散量空間分布。具體年蒸散量計(jì)算公式如下:

式中:ETyear——年蒸散量/(mm·a-1);

ETFi——第 i天 ETNOAA與ET0之間的比值(通過(guò)線性插值獲得);

ET0，i——第 i天的 ET0/(mm·a-1);

通過(guò)計(jì)算，圖7為2011年黑河流域蒸散量計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)圖7顯示，黑河流域地下水蒸散主要發(fā)生在黑河干流區(qū)、中游張掖地區(qū)和酒泉地區(qū)的農(nóng)灌區(qū)、以及黑河下游沿河道地區(qū)以及終端尾閭湖地區(qū)。

6 結(jié)論與建議

本文采用基于恒定蒸發(fā)比的遙感計(jì)算方法，量化計(jì)算黑河流域區(qū)域蒸散量。根據(jù)黑河流域2011年區(qū)域蒸散量計(jì)算結(jié)果，黑河流域蒸散量(最高可達(dá)約1 000 mm/a)，主要發(fā)生在黑河流域地表水體分布的地區(qū)(如黑河干流以及終端尾閭湖)和黑河中游張掖地區(qū)和酒泉地區(qū)的農(nóng)灌區(qū)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用研究，文中采用的區(qū)域年蒸散量計(jì)算方法是一種十分有效的方法。該方法的計(jì)算結(jié)果不僅可以定量化區(qū)域年蒸散量，而且可更好地了解和掌握區(qū)域蒸散量的空間分布特征。

圖7 黑河流域2011年蒸散量計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculated evapotranspirationmap of the Heihe River Basin in 2011

在區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)中，蒸散量是一項(xiàng)十分重要的評(píng)價(jià)項(xiàng)目。特別是在我國(guó)地下水埋藏比較淺或者植被覆蓋程度較高的區(qū)域，蒸散量在整個(gè)地下水資源均衡計(jì)算中，占有很大比例。為了更精確的進(jìn)行區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)，建議可將本文采用的方法作為常規(guī)區(qū)域地下水蒸散量評(píng)價(jià)方法之一。

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