扎龙湿地芦苇沼泽蒸散发计算与分析(P)
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建立水文气象监测站的扎龙湿地管理局地理坐标 北纬 47°11. 5′、东经 124°14′、海拔 145 m. 水文气象监 测站位于水 、陆交界处 ,年水位变化 0～90 cm ,区域内 水生植物主要是芦苇 、香蒲 (芦苇比例 90%以上 ) ,生 长旺盛.
3 基本原理和计算方法
311 FAO ( 56 ) P e nm a n2Mo n te ith 公式计算扎龙地 区参照作物潜在蒸散发量
(m2 ·d) - 1
/℃
气压差 / kPa
风 速 相对湿度
/m ·s - 1
/%
1
14. 71
2
13. 66
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10. 65
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15. 26
15
11. 86
16
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
自然保护区. 地理坐标北纬 46°48′～47°31. 5′,东经 123°51. 5′～124°37. 5′,总面积 2 100 km2 ,属于湖泡沼 泽型湿地 , 20世纪 90 年代由于城市及居民用水压力 持续增加 ,进入湿地的水量明显减少导致湿地很大程 度的萎缩 , 1998 年松嫩流域特大洪水及 2001 年湿地 补水工程后湿地萎缩程度有所缓解.
2 研究区域
计算芦苇蒸散发的区域位于黑龙江省扎龙国家级
收稿日期 : 2004209214 基金项目 : 国家自然基金重点资助项目 (50139020). 作者简介 : 王 昊 (1976—) , 男 , 辽宁辽阳人 , 在读博士研究生.
W a ter R esou rces and hyd ropow er Engineering V ol. 36 N o. 2
水利水电技术 第 3 6 卷 2 0 0 5 年第 2 期
扎龙湿地芦苇沼泽蒸散发计算与分析
王 昊 , 许士国
(大连理工大学 土木水利学院 , 辽宁 大连 116023)
【摘 要 】 根据水生植物芦苇生长期内的特点 ,利用扎龙湿地水文气象监测站 2003年 6月份的气象监 测资料及 FAO (56)推荐的 P2M 公式 ,计算了扎龙湿地芦苇沼泽区域的参照作物蒸散发量 ,并采用单作 物系数法计算了扎龙芦苇湿地的实际蒸散发量. 【关键词 】 FAO (56) Penman2Monteith公式 ; 芦苇沼泽 ; 参照作物蒸散发 ; 单作物系数法 ; 实际蒸散 发 ; 扎龙湿地
23
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
王 昊 ,等 ∥扎龙湿地芦苇沼泽蒸散发计算与分析
的植物系数 (图 1).
表 1 2004 年 6 月扎龙监测站主要水文气象参数日平均值
日期
净辐射 /MJ· 平均气温
4 结果与分析
411 数据处理 数据来自扎龙管理局水文气象监测站. 计算采用
的净辐射 、气温 (最高 、最低气温 ) 、露点温度 、风速 、水 气压 、相对湿度等数据每小时收集一次 (风速测量高 度 5 m , 气 温 、相 对 湿 度 、气 压 等 参 数 的 测 量 高 度 2 m ) [ 3 ]. 按照计算参照作物蒸散发的步长 (以日为时 间间隔计算 ) ,处理数据为日累积净辐射 、日平均气 温 、日最高 、最低温度 、日均露点 、日平均风速 、日均水 气压 、日均相对湿度. 2003 年 6 主要的水文气象参数 的日平均值列于表 1中. 412 方法应用
22
迄今为止 ,对湿地蒸散发的确定有直接和间接的 方法 ,各种方法有各自的针对性. 较为常用的是通过对 下垫面水文气象要素的监测模拟蒸散发过程. 国际粮 农组织 ( FAO ) 1998年出版的文献 C rop evapotransp ira2 tion—Guidelines for computing crop water requirem ents (作物蒸散发 —作物需水量计算纲要 )中有详尽的指 导方法和算例. 芦苇属于十分典型的湿地植物 ,其生长 特点类似于农作物水稻. 计算其生长期的实际蒸散发 量 、使用较少参数量化扎龙地区芦苇湿地的蒸散发水 损失 ,对于研究扎龙地区的水循环 、确定湿地的生态环 境需水量都具有现实的意义.
为了可以在世界不同地区 、不同时间进行植物的
蒸散发计算 , FAO 推荐选取标准作物乘以系数描述不
同植物 、不同阶段的实际蒸散发量. 参照作物是指一种
假想作物 ,高度 0. 12 m ,叶面阻力固定为 70 m / s,反照
率 0. 23,类似经过修剪 ,高度一致 ,正常生长 ,大面积
覆盖地面 ,水分供应充足的绿色草类植物.
扎龙芦苇湿地蒸散发特点分析. 区别于陆生植物 , 水生芦苇的生长有其特殊性. 以扎龙地区芦苇为例 ,芦 苇属多年生植物 ,每年“五一 ”前后扎龙湿地芦苇沼泽 表层冻土融化后开始生长 ,这个阶段植株密度很小 ,蒸 散发量主要由潮湿土壤贡献. 在其生长发育阶段 ,下垫 面通常存留几十至上百厘米深度的水充分供应其蒸散 发需要 (即使在炎热的夏季也不会出现由于缺乏水份 供应导致植物枯萎的现象 ). 整体的蒸散发主要由芦 苇的散发和部分水面蒸发构成. 进入枯萎期 ,芦苇停止 生长 (叶面积指数几乎不发生变化 )直到完全枯萎. 可 以假定芦苇沼泽的实际蒸散发量等于其潜在蒸散发 量. 本文的研究即是应用扎龙监测站水文气象监测资 料计算标准作物的参照蒸散发量 ,利用 FAO (56)中的 单系数法确定芦苇湿地的实际蒸散发量. FAO ( 56 ) Penman2Monteith公式 , Kc单系数法计算扎龙地区 2003 年 6月芦苇实际蒸散发量. 查表得到芦苇各生长时期
( 17127Tdew ) Tdew + 23713
,
Tdew为露点温度
( ℃)
;Δ为饱和水气压
曲线斜率 ( kPa / ℃) ;γ为干湿表常数 ( kPa / ℃) ,γ =
C pP
ελ
=
0.
665
×10 - 3
P,λ为蒸发潜热
( 2.
45 MJ / kg) ,
P为气压 ( kPa) , Cp为定压比常数 1. 013 ×10 - 3 [MJ / ( kg·℃) ] ,ε为水汽与干空气摩尔质量比 ε = 0. 622.
(College of Civil and Hydraulic Enginerring, Dalian University of Technology, Dalian 116023, L iaoning, China)
Abstract: In accordance w ith the characteristics of aquatic reed during it’s grow ing period, the reference crop evapotransp iration ( ETc) of the reed swamp belt in Zhalong wetland is calculated w ith the m icrometeorological monitoring data from Zhalong hydrometeorological station in June 2003 and FAO ( 56 ) Penman2Monteith ( 56PM ) model, while the actual evapotransp iration ( ETa) is determ ined w ith the single crop coefficient( Kc) as well. Key words: FAO ( 56 ) Penman2Monteith; reed swamp; reference crop evapotransp iration; single crop coefficient; actual evapotransp iration; Zhalong wetland
0. 11
17
12. 57
18
15. 42
19
11. 77
20
17. 07
21
6. 5
22
9. 85
23
4. 84
24
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25
14. 43
26
8. 56
27
9. 74
28
12. 12
29
13. 15
30
15. 5
17. 3 19. 35 23 23 19. 45 18. 7 14. 65 12. 3 13. 5 15. 65 19. 1 22. 05 20. 4 21. 2 24 19. 35 21. 1 22. 35 24. 9 19. 4 20. 45 25. 05 17. 4 19. 6 21. 7 22. 3 24. 4 23. 25 21. 55 23. 45
中图分类号 : X52 文献标识码 : A 文章编号 : 100020860 (2005) 0220022204
Ca lcula tion and ana lysis on reed swam p evapotran sp ira tion in Zha long wetland WANG Hao, XU Shi2guo
FAO ( 56 ) Penm an2Monteith 公 式 计 算 参 照 作 物
(潜在 )蒸散发量 ET0可以表示为 ( 1998年 A llen等 [ 2 ] )
ET0
=
01408Δ
(
R
nΔ
G) +γ + 900 U T + 273
+γ( 1 + 0134U2 )
2
( es
-
ea )
(1)
式中 , ET0为参照作物蒸散发量
水利水电技术 第 3 6 卷 2 0 0 5 年第 2 期
王 昊 ,等 ∥扎龙湿地芦苇沼泽蒸散发计算与分析
以日为时间间隔计算参照作物潜在蒸散发量时 , 土壤热通量 Gday≈ 0. 312 Kc单系数法计算植物实际蒸散发量
Kc代表着植物高度 、反照率 、冠层阻力和土壤 (尤 其是裸土 )蒸发 4 个因素的综合作用. 以一年生植物 为例 ,在其生长期内从开始生长到枯萎可分为 4 个阶 段 :初始期 、生长期 、稳定期和枯萎期 ,初始期的定义是 绿色植物从开始生长 (种植 )到地面覆盖率达到 10% , 生长期是指从初始期结束到植物产生最大地面覆盖率 的时间段 ,稳定期从生长期结束到植物成熟的时候 ,最 后一阶段从稳定期末至植物收割或植物枯萎 [ 2 ]. 不同 的生长阶段对应不同的 Kc值 :要描述一种植物 Kc值 的年变化规律仅需要确定 Kcini、Kcm id、Kcend ,大部分农 作物和常规植物的生长期持续时间 、各阶段的 Kc值可 在 FAO 提供的文献中获取.
(mm / d) ;
R
为
n
植
物
表
面净辐射 [MJ / (m2 ·d) ]; G 为土壤热通量密度 [MJ /
(m2 ·d) ]; T为 2 m 处高度日平均气温 , T = Tmax + Tm in 2
( ℃) , Tmax、Tm in为日最高 、最低温度 ( ℃) ; U2为 2 m 高
度处风速
(m / s) , U2
=UZ
ln
(
4187 6718Z -
5142)
Βιβλιοθήκη Baidu
,
UZ为
Z高
度处 风 速 值 ( m / s) ; es 为 饱 和 水 气 压 ( kPa ) , es =
e0
( Tmax )
+ e0 2
( Tm in ) ; e0
( T)
= 01610
8
exp
(
17127 T T + 23713
)
;
ea 为 实 际 水 气 压 ( kPa ) , ea = 01610 8 exp
1 引 言
湿地的蒸散发与大气 、地下水 、地表水的特性及植 物的生理特性有关. 气象因素可以促进蒸发和散发 ,例 如阳光辐射或者水面温度 ,这些气象要素可以通过增 加水面气压值或者减少湿度 、增加风速来降低周围空 气的气压从而改善下垫面的蒸散发 [ 1 ]. 在众多影响蒸 散发的环境要素中辐射强度 、相对湿度和温度是最能 影响蒸散发的三个气候要素. 在潮湿的湿地环境下 ,土 壤含水量对蒸散发影响的作用似乎低于这三者的影 响.
众多的水面蒸发研究表明 ,蒸发率直接受到风速 的影响. 野外的水生植物例如芦苇在对蒸发的影响作 用时 ,一方面通过自身对风与水面的隔离减少了水面 的蒸发 ;另一方面由于植物对水的强力蒸腾作用 (尤 其在辐射很高相对湿度较小的季节 )似乎又加强了水 面的蒸发. 两种作用相互交叠共同影响下垫面的蒸散 发 [1].
3 基本原理和计算方法
311 FAO ( 56 ) P e nm a n2Mo n te ith 公式计算扎龙地 区参照作物潜在蒸散发量
(m2 ·d) - 1
/℃
气压差 / kPa
风 速 相对湿度
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© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
自然保护区. 地理坐标北纬 46°48′～47°31. 5′,东经 123°51. 5′～124°37. 5′,总面积 2 100 km2 ,属于湖泡沼 泽型湿地 , 20世纪 90 年代由于城市及居民用水压力 持续增加 ,进入湿地的水量明显减少导致湿地很大程 度的萎缩 , 1998 年松嫩流域特大洪水及 2001 年湿地 补水工程后湿地萎缩程度有所缓解.
2 研究区域
计算芦苇蒸散发的区域位于黑龙江省扎龙国家级
收稿日期 : 2004209214 基金项目 : 国家自然基金重点资助项目 (50139020). 作者简介 : 王 昊 (1976—) , 男 , 辽宁辽阳人 , 在读博士研究生.
W a ter R esou rces and hyd ropow er Engineering V ol. 36 N o. 2
水利水电技术 第 3 6 卷 2 0 0 5 年第 2 期
扎龙湿地芦苇沼泽蒸散发计算与分析
王 昊 , 许士国
(大连理工大学 土木水利学院 , 辽宁 大连 116023)
【摘 要 】 根据水生植物芦苇生长期内的特点 ,利用扎龙湿地水文气象监测站 2003年 6月份的气象监 测资料及 FAO (56)推荐的 P2M 公式 ,计算了扎龙湿地芦苇沼泽区域的参照作物蒸散发量 ,并采用单作 物系数法计算了扎龙芦苇湿地的实际蒸散发量. 【关键词 】 FAO (56) Penman2Monteith公式 ; 芦苇沼泽 ; 参照作物蒸散发 ; 单作物系数法 ; 实际蒸散 发 ; 扎龙湿地
23
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
王 昊 ,等 ∥扎龙湿地芦苇沼泽蒸散发计算与分析
的植物系数 (图 1).
表 1 2004 年 6 月扎龙监测站主要水文气象参数日平均值
日期
净辐射 /MJ· 平均气温
4 结果与分析
411 数据处理 数据来自扎龙管理局水文气象监测站. 计算采用
的净辐射 、气温 (最高 、最低气温 ) 、露点温度 、风速 、水 气压 、相对湿度等数据每小时收集一次 (风速测量高 度 5 m , 气 温 、相 对 湿 度 、气 压 等 参 数 的 测 量 高 度 2 m ) [ 3 ]. 按照计算参照作物蒸散发的步长 (以日为时 间间隔计算 ) ,处理数据为日累积净辐射 、日平均气 温 、日最高 、最低温度 、日均露点 、日平均风速 、日均水 气压 、日均相对湿度. 2003 年 6 主要的水文气象参数 的日平均值列于表 1中. 412 方法应用
22
迄今为止 ,对湿地蒸散发的确定有直接和间接的 方法 ,各种方法有各自的针对性. 较为常用的是通过对 下垫面水文气象要素的监测模拟蒸散发过程. 国际粮 农组织 ( FAO ) 1998年出版的文献 C rop evapotransp ira2 tion—Guidelines for computing crop water requirem ents (作物蒸散发 —作物需水量计算纲要 )中有详尽的指 导方法和算例. 芦苇属于十分典型的湿地植物 ,其生长 特点类似于农作物水稻. 计算其生长期的实际蒸散发 量 、使用较少参数量化扎龙地区芦苇湿地的蒸散发水 损失 ,对于研究扎龙地区的水循环 、确定湿地的生态环 境需水量都具有现实的意义.
为了可以在世界不同地区 、不同时间进行植物的
蒸散发计算 , FAO 推荐选取标准作物乘以系数描述不
同植物 、不同阶段的实际蒸散发量. 参照作物是指一种
假想作物 ,高度 0. 12 m ,叶面阻力固定为 70 m / s,反照
率 0. 23,类似经过修剪 ,高度一致 ,正常生长 ,大面积
覆盖地面 ,水分供应充足的绿色草类植物.
扎龙芦苇湿地蒸散发特点分析. 区别于陆生植物 , 水生芦苇的生长有其特殊性. 以扎龙地区芦苇为例 ,芦 苇属多年生植物 ,每年“五一 ”前后扎龙湿地芦苇沼泽 表层冻土融化后开始生长 ,这个阶段植株密度很小 ,蒸 散发量主要由潮湿土壤贡献. 在其生长发育阶段 ,下垫 面通常存留几十至上百厘米深度的水充分供应其蒸散 发需要 (即使在炎热的夏季也不会出现由于缺乏水份 供应导致植物枯萎的现象 ). 整体的蒸散发主要由芦 苇的散发和部分水面蒸发构成. 进入枯萎期 ,芦苇停止 生长 (叶面积指数几乎不发生变化 )直到完全枯萎. 可 以假定芦苇沼泽的实际蒸散发量等于其潜在蒸散发 量. 本文的研究即是应用扎龙监测站水文气象监测资 料计算标准作物的参照蒸散发量 ,利用 FAO (56)中的 单系数法确定芦苇湿地的实际蒸散发量. FAO ( 56 ) Penman2Monteith公式 , Kc单系数法计算扎龙地区 2003 年 6月芦苇实际蒸散发量. 查表得到芦苇各生长时期
( 17127Tdew ) Tdew + 23713
,
Tdew为露点温度
( ℃)
;Δ为饱和水气压
曲线斜率 ( kPa / ℃) ;γ为干湿表常数 ( kPa / ℃) ,γ =
C pP
ελ
=
0.
665
×10 - 3
P,λ为蒸发潜热
( 2.
45 MJ / kg) ,
P为气压 ( kPa) , Cp为定压比常数 1. 013 ×10 - 3 [MJ / ( kg·℃) ] ,ε为水汽与干空气摩尔质量比 ε = 0. 622.
(College of Civil and Hydraulic Enginerring, Dalian University of Technology, Dalian 116023, L iaoning, China)
Abstract: In accordance w ith the characteristics of aquatic reed during it’s grow ing period, the reference crop evapotransp iration ( ETc) of the reed swamp belt in Zhalong wetland is calculated w ith the m icrometeorological monitoring data from Zhalong hydrometeorological station in June 2003 and FAO ( 56 ) Penman2Monteith ( 56PM ) model, while the actual evapotransp iration ( ETa) is determ ined w ith the single crop coefficient( Kc) as well. Key words: FAO ( 56 ) Penman2Monteith; reed swamp; reference crop evapotransp iration; single crop coefficient; actual evapotransp iration; Zhalong wetland
0. 11
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中图分类号 : X52 文献标识码 : A 文章编号 : 100020860 (2005) 0220022204
Ca lcula tion and ana lysis on reed swam p evapotran sp ira tion in Zha long wetland WANG Hao, XU Shi2guo
FAO ( 56 ) Penm an2Monteith 公 式 计 算 参 照 作 物
(潜在 )蒸散发量 ET0可以表示为 ( 1998年 A llen等 [ 2 ] )
ET0
=
01408Δ
(
R
nΔ
G) +γ + 900 U T + 273
+γ( 1 + 0134U2 )
2
( es
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ea )
(1)
式中 , ET0为参照作物蒸散发量
水利水电技术 第 3 6 卷 2 0 0 5 年第 2 期
王 昊 ,等 ∥扎龙湿地芦苇沼泽蒸散发计算与分析
以日为时间间隔计算参照作物潜在蒸散发量时 , 土壤热通量 Gday≈ 0. 312 Kc单系数法计算植物实际蒸散发量
Kc代表着植物高度 、反照率 、冠层阻力和土壤 (尤 其是裸土 )蒸发 4 个因素的综合作用. 以一年生植物 为例 ,在其生长期内从开始生长到枯萎可分为 4 个阶 段 :初始期 、生长期 、稳定期和枯萎期 ,初始期的定义是 绿色植物从开始生长 (种植 )到地面覆盖率达到 10% , 生长期是指从初始期结束到植物产生最大地面覆盖率 的时间段 ,稳定期从生长期结束到植物成熟的时候 ,最 后一阶段从稳定期末至植物收割或植物枯萎 [ 2 ]. 不同 的生长阶段对应不同的 Kc值 :要描述一种植物 Kc值 的年变化规律仅需要确定 Kcini、Kcm id、Kcend ,大部分农 作物和常规植物的生长期持续时间 、各阶段的 Kc值可 在 FAO 提供的文献中获取.
(mm / d) ;
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物
表
面净辐射 [MJ / (m2 ·d) ]; G 为土壤热通量密度 [MJ /
(m2 ·d) ]; T为 2 m 处高度日平均气温 , T = Tmax + Tm in 2
( ℃) , Tmax、Tm in为日最高 、最低温度 ( ℃) ; U2为 2 m 高
度处风速
(m / s) , U2
=UZ
ln
(
4187 6718Z -
5142)
Βιβλιοθήκη Baidu
,
UZ为
Z高
度处 风 速 值 ( m / s) ; es 为 饱 和 水 气 压 ( kPa ) , es =
e0
( Tmax )
+ e0 2
( Tm in ) ; e0
( T)
= 01610
8
exp
(
17127 T T + 23713
)
;
ea 为 实 际 水 气 压 ( kPa ) , ea = 01610 8 exp
1 引 言
湿地的蒸散发与大气 、地下水 、地表水的特性及植 物的生理特性有关. 气象因素可以促进蒸发和散发 ,例 如阳光辐射或者水面温度 ,这些气象要素可以通过增 加水面气压值或者减少湿度 、增加风速来降低周围空 气的气压从而改善下垫面的蒸散发 [ 1 ]. 在众多影响蒸 散发的环境要素中辐射强度 、相对湿度和温度是最能 影响蒸散发的三个气候要素. 在潮湿的湿地环境下 ,土 壤含水量对蒸散发影响的作用似乎低于这三者的影 响.
众多的水面蒸发研究表明 ,蒸发率直接受到风速 的影响. 野外的水生植物例如芦苇在对蒸发的影响作 用时 ,一方面通过自身对风与水面的隔离减少了水面 的蒸发 ;另一方面由于植物对水的强力蒸腾作用 (尤 其在辐射很高相对湿度较小的季节 )似乎又加强了水 面的蒸发. 两种作用相互交叠共同影响下垫面的蒸散 发 [1].