摘要: 本文通过对海河流域的38 个子流域及内陆河流域的7 个子流域的逐年降水、径流及实际蒸散发和蒸发能力的分析, 证明了基于budyko 假设的流域水热耦合平衡关系在海河及西北内陆河流域是成立的。根据各子流域的长期水量平衡结果, 本文验证了水热耦合平衡模型中的唯一参数综合反映流域的下垫面条件且具有显著的区域分布规律, 与此同时, 本文还在海河流域及内陆河流域对根据流域平均坡度( tanβ) , 相对土壤最大蓄水能力( smax / e0￣) 和相对土壤入渗能力(ks / ir￣) 估算模型参数ω～的经验公式进行了验证, 计算结果较好。

关键词: 气候变化; 流域水循环及水资源; 实际蒸散发量; 潜在蒸发量; budyko 假设

中图分类号: tv213.9 文献标识码: a 文章编号: 1000- 0852(2007)02- 0007- 04

流域的实际蒸散发同时受降水和蒸发能力两个因素控制, budyko 提出了建立流域水量与能量( 这里主要指由太阳辐射产生的能量) 耦合平衡方程的构想, 即budyko 假设[1]。许多研究证明了budyko 假定是成立的, 并根据气象和径流资料拟合了不同流域的水热平衡经验关系式[1- 3]。但是, 已有的研究对证明budyko 假设的普适性尚不充分, 而且从一个流域拟合的水热平衡经验关系式很难应用到其他流域。因此, 有必要分析不同流域的水热平衡规律并探讨其中的机理。本研究已在黄河流域[4]的63 个子流域验证了基于budyko 假设的流域水热耦合平衡关系( 式2) , 证明了模型中参数ω～反映流域的地形地貌、土壤和植被等下垫面特征, 并提出了估算ω～的经验公式( 式3) 。为了探讨我国不同地区的水热耦合平衡特征, 并揭示其共同的规律性, 本文将在海河流域和西北内陆河流域( 主要包括疏勒河,黑河,石羊河流域) 进一步验证流域水热耦合平衡模型。

1 流域水热耦合模型

budyko[1]认为实际蒸散发量与降雨量的比值是降雨与可供能量比值的函数, 即水热平衡方程:

式中: f 假定为适用于所有流域的普适函数。p、e 和rn分别为流域年降水量、蒸散发量和净辐射量, λ是液态水汽化潜热, 可认为是一常数。在水文学中, 通常采用蒸发能力e0 来代替太阳净辐射rn, 水面蒸发和参考作物腾发通常被用来代表蒸发能力。根据流域水文气象的物理意义, 我国气候学家傅抱璞[3]在budyko 假定基础上利用量纲分析和微分方程理论, 推导出了计算实际蒸散发的解析表达式, 如下:

式中ω～为参变量。式( 2) 即为本文采用的流域水热耦合平衡方程。流域的气候特征已反映到方程中p 和e0,其唯一参数ω～则主要反映流域的下垫面特征, 如地形地貌、土壤和植被等。参考前人的研究成果[6][7], 综合考虑坡度, 相对土壤蓄水能力及相对土壤入渗能力的影响, 本研究[4]在探讨黄河流域的水热耦合规律中, 已提出了估算参数ω～的经验公式, 如下:

式中: tanβ为流域平均坡度; smax 为流域土壤最大蓄水能力, 单位为mm; smax /e0 为将土壤最大蓄水能力无量纲化,即相对土壤蓄水能力; 土壤的饱和导水率(ks) 控制着降水入渗从而影响着土壤蒸发的供水, 用日平均降水强度( ir￣) 将饱和导水率无量纲化即可得到相对入渗能力(ks / ir￣) 。日平均降水强度为各流域雨天降水量的平均。a1=5.964, b1=- 0.376, c1=0.344 和d1=4.497 是根据黄河流域逐步回归的结果, 本研究继续采用此值。smax 计算如下:

式中: droot=min ( dtop, dr max) ; dtop 为表层土壤深度; dr max 为最大根层深度; !f 和!w 分别为土壤达到田间持水量和凋萎点的体积含水率, 可根据van genuchten 的土壤水分特征曲线公式进行估算, 与田间持水率和凋萎点相应毛管水吸力分别采用为- 340cm 和- 15 300cm 水柱。根据植被类型并参考有关文献给出最大根层深度,表层土壤深度, van genuchten 公式所需参数及土壤饱和导水率(ks) 均来源于fao 的全球土壤资料[8]。流域的潜在蒸发量e0, 采用penman-monteith 公式计算, 如下:

式中: Δ为饱和水汽压- 温度曲线斜率; γ为空气湿度常数; es 为饱和水汽压; ea 为实际水汽压; g 为土壤热通量, 当计算尺度为天或以上时取值为0。太阳辐射是准确估计潜在蒸发量的关键, 一般采用如下经验公式:

式中: rs 为太阳(短波)辐射; n/n 为相对日照时数; ra 为大气顶辐射量, 可以由理论公式计算; as, bs 为代表区域气候特征的经验参数, 本文根据收集到的日射站的实测资料进行了拟合。

2 研究采用的资料和方法

在本研究中, 收集了海河流域及其周边54 个、内陆河流域及其周边23 个气象站从1951 到2000 年逐日气象数据, 包括日平均气温、日最高气温和最低气温, 日照时数, 2m 风速, 相对湿度, 日降雨量, 其中有15个站( 海河流域及周边有11 个站) 的同期逐日太阳辐射资料。本研究中收集的资料还包括海河流域内无显著人为影响( 如水库和引水等) 的38 个水文站和内陆河流域( 主要包括疏勒河,黑河,石羊河流域) 7 个水文站自建站至2000 年的逐月径流资料, 以及该流域1km 分辨率的dem( 数字高程模型) 资料、美国联邦地质调查局(usgs) 的土地利用数据库2.0 版的土地利用图和fao 全球5km 分辨率的土壤分类和土壤物理参数资料。图1 为本研究中采用的气象站和水文站位置分布。

计算流域面平均降水量和潜在蒸发量时, 先将77个气象站的气象要素分别插值到两个流域10km 分辨率的格网上, 按式(5)计算出每个格网的潜在蒸发量,然后统计各子流域的面平均值。除气温外的其他气象要素均按距离方向加权平均法插值, 气温则采用高程修正的距离方向加权平均法插值[9]。在各10km 格网上计算太阳辐射时需要的经验参数as 和bs 取距离最近的日辐射站的拟合值。为了保证流域边界的真实性,先从1km 分辨率的dem中提取所需要的流域, 转换为10km 格网后再统计流域面平均降水量和潜在蒸发量。利用径流资料计算各个子流域逐年的年径流深,忽略流域储水量的年际变化, 由年水量平衡计算出各子流域的年实际蒸散发量。应该指出, 由于流域储水量的逐年变化, 根据流域年水量平衡计算得到的年实际蒸散发量有一定误差, 但其多年平均是准确的。

为了探讨水热耦合平衡方程式(2)的普适性, 本研究利用多年平均的年降水量、年径流深、年实际蒸散发量和年潜在蒸发量, 对海河流域内38 个子流域,内陆河流域7 个子流域, 由式(2) 拟合出各子流域的参数ω～值并分析其区域分布规律;