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专利名称：一种测定流域蒸发量的方法
技术领域：
本发明涉及流域蒸发测定及水资源评价领域，特别是关于一种根据气候及土壤饱和导水率测定流域蒸发量的方法。
背景技术：
水资源是人类赖以生存和发展的基�。�河川径流是人类最重要的水资源形式，在流域的蓄变量可以忽略时，径流量互为降水量户与蒸发量I之差，即！=户-f。从全球陆面平均来看，约58% 65%的降水量通过蒸发重返大气，这表明蒸发的大小很大程度上决定了流域径流量的大�。�决定了水资源量的多少及时空分布。此外，全球陆地约有一半的入海水量缺少径流监测，通过蒸发量估算径流量是这些流域水资源量计算的有效方法。因此，准确计算流域蒸发量有助于弄清区域的水资源量，这是开展水资源评价、规划及管理的首要问题。在较小的时间尺度上，对于陆面子系统而言，蒸发为系统对外界输入(能量)的响应。这里的能量可用潜在蒸发量Etl来表示。同时，系统的响应还与系统本身的状态(陆面的水分、植被生长状况等)相关，这些因素导致实际蒸发通常不能达到潜在蒸发量，而是潜在蒸发量的一定比例，该比例为土壤含水量和植被生长状况的函数。于是实际蒸发量E可以表示为E = Kcf ( Θ )E0 (I)式中K。为作物系数，反映作物生长状况；f ( Θ )为土壤含水量的函数，一般采用分段线性关系；Θ为土壤含水率。该公式能在较小时间(比如日、小时)尺度上，较好地估算实际蒸发量。同时该公式具有物理概念清楚，计算方便的优点，因此在灌溉需水模型以及分布式水文模型中应用较为广泛。不过，严格而言，t时段内的实际蒸发量应该表示为积分的形式E = \e = lKJ{d)e0{Δ)
t t式中某时刻的作物系数K。、土壤含水率Θ、实际蒸发量e和潜在蒸发量％ (这里以小写的字母表示瞬时值)均为时间的函数。根据微积分学中的积分中值定理可知，存在某一特定的值&/(岣使得式(2)可以变形得到E = Kj{e)\e0 =Kj{e)· Eti()
(式中应该是计算时段上的加权平均，直接确定比较困难；在较小的计算时段上，通常近似为I/(句*但随着计算时段的增长，这种近似带来的误差相应变大。因此，对于较长时间尺度上的蒸发量计算，必须离散成若干较小的计算时段和空间网格。用这种方法来估算长时间大范围的实际蒸发量，存在的主要问题是需要知道下垫面(包括土壤水分和植被生长)的变化过程及空间分布，同时计算量较大。世界上很多地区，包括中国西部等地区缺少对水文气象信息的地面观测，导致对其水文及水资源量的信息知之甚少。而随着空间信息技术的发展，遥感对降水的观测和对地形、地貌等地表信息的观测精度越来越高，但对于径流观测却无能为力。因此，本领域中迫切需要ー种能根据降水量及流域地表信息计算流域蒸发量，进而计算径流量，并且所需要的数据量�。�计算简单，而又易于使用的方法。

发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种所需要的数据量�。�计算简单，而又易于实现的測定流域蒸发量的方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种测定流域蒸发量的方法，其包括以下步骤1)确定需要进行測定的流域，获取该流域的以下数据①利用该流域的地形数据生成该流域的边界根据该流域内及该流域周边气象站点观测到的逐月降水量及逐月潜在蒸发量，进行空间插值得到其空间分布，并进一歩根据该流域范围统计得到该流域的面平均月降水量及面平均月潜在蒸发量，根据面平均月降水量及面平均月潜在蒸发量得到 年降水量及年潜在蒸发量，根据多年的年降水量及年潜在蒸发量，进ー步得到多年平均年降水量户和多年平均年潜在蒸发量尾;根据多年平均年降水量F和多年平均年潜在蒸发量戽进ー步得到多年平均月降水量思和多年平均月潜在蒸发量瓦 ;③由该流域气象站的降水数据统计得到日平均降水強度 由土壤类型数据；得到该流域的土壌饱和导水率Ks ；2)计算该流域的气候季节性指数①该流域的月降水量P和月潜在蒸发量Etl的季节性变化与多年平均月降水量ち和多年平均月潜在蒸发量存在如下正弦关系，如公式(4)和公式(5)所示尸⑴=P(I+ (SpSinffli)(4)Ε0( = Ε0 ( + δ 5 ηω (5)采用最小二乗法拟合得到δΕ;其中，δΕ分别是相对于多年平均月降水量る和多年平均月潜在蒸发量瓦》,的谐波放大率，t为时间，ω为变化周期，2 π/ω = I年；②依据如下公式(6)计算该流域的气候季节性指数S S=I δ ρ- δ Ε φ |， (6)其中# = ； 3)利用流域水热耦合平衡方程计算该流域的蒸发量①根据如下公式(7)计算流域水热耦合平衡方程中的流域特性參数η :n = 3.0835^'276 K /〔广*C 7 )式中，「为该流域的日平均降水強度；KS为该流域的土壌饱和导水率；S为该流域的气候季节性指数；②根据公式(8)计算该流域的蒸发量￡
—PE11 (p + V"1，(8)式中，]3为该流域多年平均年降水量；马为该流域多年平均年潜在蒸发量。所述步骤I)中的步骤①，采用数字高程模型生成该流域的边界。所述步骤I)中的步骤②，根据该流域内及该流域周边气象站点观测到的逐月降水量及逐月潜在蒸发量，采用距离反比权重法进行空间插值得到其空间分布。本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点1、本发明方法直接由流域尺度的水热耦合平衡方程，根据气候条件及流域土壤饱和导水率计算得到流域实际蒸发量，即能根据降水量、潜在蒸发量及流域地表信息计算流域蒸发量，进而计算径流量，相对于传统的水文模型，无需知道下垫面(包括土壤水分和植被生长)的变化过程及空间分布，所需要的数据量�。�计算简单，易于使用；而传统的水文模型需要将对计算空间进行离散，对计算时段进行离散，需要的参数较多，数据准备复杂，计算量大。因此，本发明所提出的根据降水量、潜在蒸发量及流域地表信息计算流域蒸发量的方法，相对于传统方法具有突出的优势，可广泛用于流域蒸发量的测定过程中。


图I是本发明流程示意2是本发明具体实施方式
中提供的实例流域分布示意3是本发明具体实施方式
中计算得到的实际蒸发模拟值与观测值的对比示意图·
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明方法可以概括为首先，由降水和潜在蒸发数据统计得到流域多年平均月降水量和多年平均月潜在蒸发量，及日平均降水强度；并由土壤类型数据得到流域土壤饱和导水率。然后，由多年平均月降水量与多年平均月潜在蒸发量计算得到气候季节性指数，并进一步结合日平均降水强度与土壤饱和导水率计算得到流域特性参数η。最后将参数η与流域多年平均年降水量和多年平均年潜在蒸发量代入流域水热耦合平衡方程，即可得到流域实际蒸发量。如图I所示，本发明所提供的测定流域蒸发量的方法具体包括以下步骤I)确定需要进行测定的流域，获取该流域的以下数据①利用该流域的地形数据生成该流域的边界。具体可以由数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)，采用ArcGIS软件中的arc toolbox工具包生成该流域的边界fill命令进行预处理；flowdirection 命令确定流向；f Iowaccumulation命令计算汇流面积；watershed命令生成确定流域范围。②根据该流域内及该流域周边气象站点观测到的逐月降水量及逐月潜在蒸发量，进行空间插值得到其空间分布，并进一步根据该流域范围统计得到的该流域的面平均月降水量及面平均月潜在蒸发量，根据面平均月降水量及面平均月潜在蒸发量得到年降水量及年潜在蒸发量，根据多年的年降水量及年潜在蒸发量，进一步得到多年平均年降水量F和多年平均年潜在蒸发量E除以12得到多年平均月降水量 m(rnm/month)和多年平均月潜在蒸发量艮 (mm/month )。该步骤可以在ArcGIS平台下，采用距离反比权重法(inverse distanceweighting, IDff)进行空间插值计算得到其空间分布。
③由该流域气象站的降水数据统计得到日平均降水強度「，该日平均降水強度*的意义为该流域雨天降水量的平均值；④由土壤类型数据(国际粮农组织提供的全球5km分辨率的土壤分类和土壌物理參数数据)得到该流域的土壌饱和导水率Ks ；2)计算该流域的气候季节性指数，具体包括以下步骤①该流域的月降水量P和月潜在蒸发量Etl的季节性变化与多年平均月降水量芑(mm/month)和多年平均月潜在蒸发量I (mm/month)存在如下正弦关系，如公式(4)和公式(5)所示P(^) = P1 (I+ ^pSin (Srf)(4)
￡o(i) = ^o.m(1 + 4；sin 0(5)采用最小二乗法拟合得到6[)和6^其中，61)和δΕ分别是相对于多年平均月降水量Pm(_/month)和多年平均月潜在蒸发量S, (mm/month)的谐波放大率,t (年)是时间，ω为变化周期，2 / ω = I年；②依据如下公式(6)计算该流域的气候季节性指数S :S=I δρ-δΕφ I， (6)其中#= :03)利用流域水热耦合平衡方程计算该流域的蒸发量①根据如下公式(7)计算流域水热耦合平衡方程中的流域特性參数η η = 3.083<Γβ.276 (K /ir f .細(7 )式中，5为该流域的日平均降水強度；KS为该流域的土壌饱和导水率；S为该流域的气候季节性指数；②根据公式(8)计算该流域的蒸发量￡ :
—PFE = (p,,+W，C8)式中，P为该流域多年平均年降水量；戽为该流域多年平均年潜在蒸发量。对于其他流域，可以重复上述方法，得到其他流域的实际蒸发量！ 0下面列举本发明方法的一具体实施例。如图2所示，本实施例从黄河流域、�：恿饔蚝湍诼胶恿饔蛑校�一共选取了 108个 子流域，并给出了该108个子流域的分布，应用本发明提出的方法进行各子流域的蒸发量计算，具体步骤如下。步骤I、获取任意ー个子流域的以下数据。(I)由数字高程模型和ArcGIS软件中的arc toolbox工具包生成该子流域的边界。(2)收集研究该子流域区域及该子流域周边的气象站从1951到2000年的气象数据，包括日降水量、月潜在蒸发量。将气象站的气象要素采用距离反比权重法进行空间插值得到IOkm分辨率的全流域空间分布，并统计各子流域的面平均值。统计得到该子流域的多年平均年降水量F和多年平均年潜在蒸发量尾;进ー步得到多年平均月降水量る(mm/month)和多年平均月潜在蒸发量(mm/month)。
(3)统计得到该子流域的日平均降水强度;:。(4)由国际粮农组织(FAO)提供的全球5km分辨率的土壤分类和土壤物理参数数据，利用ArcGIS软件处理得到该子流域的土壤饱和导水率Ks。步骤2、计算该子流域的气候季节性指数。( I)根据该子流域降水量P和潜在蒸发量Etl的季节性变化与多年平均月降水量思(mm/month)和多年平均月潜在蒸发量l (mm/month)存在的正弦关系,拟合得到δ E，H||J# = Funi/ ,(2)进一步计算得到该子流域的气候季节性指数S= I δρ-δΕφ |。步骤3、利用流域水热耦合平衡方程计算流域蒸发量。
/V _Q ^40(I)计算水热耦合平衡方程中的参数H = 3JS3Sf76(尽//,)—。
— γ>ν(2)针对各子流域，利用流域水热耦合平衡方程& = 7-；_____________，以及_ _和n计
(P +Ea )P、E0
算得到实际蒸发量！ο对每一个子流域的数据，重复上述方法，可以得到每个子流域的实际蒸发量！。本发明所提供方法的计算结果与利用水量平衡得到的实测值对比见图2。如图3所示，横坐标为流域实际蒸发的观测值，单位mm/a，由水量平衡得到；竖坐标为流域实际蒸发的计算值，单位mm/a，由本发明方法计算得到；从图3中可以看出数据点集中在1:1的线附近，R2=O. 97，R2为确定性系数，表明该方法具有较高的精度。该方法相对于传统的水文模型，无需知道下垫面(包括土壤水分和植被生长)的变化过程及空间分布，数据量�。�计算简单，而又易于使用，因而具有突出的优势。针对现有流域实际蒸发量计算复杂的问题，本发明要解决的技术问题是直接由流域尺度的水热耦合平衡方程，根据气候条件及流域土壤饱和导水率计算得到流域实际蒸发量。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种测定流域蒸发量的方法，其包括以下步骤 1)确定需要进行测定的流域，获取该流域的以下数据 ①利用该流域的地形数据生成该流域的边界； ②根据该流域内及该流域周边气象站点观测到的逐月降水量及逐月潜在蒸发量，进行空间插值得到其空间分布，并进一步根据该流域范围统计得到该流域的面平均月降水量及面平均月潜在蒸发量，根据面平均月降水量及面平均月潜在蒸发量得到年降水量及年潜在蒸发量，根据多年的年降水量及年潜在蒸发量，进一步得到多年平均年降水量F和多年平均年潜在蒸发量瓦;根据多年平均年降水量F和多年平均年潜在蒸发量Z进一步得到多年平均月降水量思和多年平均月潜在蒸发量; ③由该流域气象站的降水数据统计得到日平均降水强度[; ④由土壤类型数据；得到该流域的土壤饱和导水率Ks； 2)计算该流域的气候季节性指数 ①该流域的月降水量P和月潜在蒸发量Etl的季节性变化与多年平均月降水量ξ和多年平均月潜在蒸发量存在如下正弦关系，如公式(4)和公式(5)所示 P(i) = Pm (I + Skifrf)(4) E0 ( = E0i, (1 + sin ojt)(5) 采用最小二乘法拟合得到S P和Se;其中，δΕ分别是相对于多年平均月降水量总和多年平均月潜在蒸发量艮》的谐波放大率，t为时间，ω为变化周期，2 π /ω = I年； ②依据如下公式(6)计算该流域的气候季节性指数S
2.如权利要求I所述的一种测定流域蒸发量的方法，其特征在于所述步骤I)中的步骤①，采用数字高程模型生成该流域的边界。
3.如权利要求I或2所述的一种测定流域蒸发量的方法，其特征在于所述步骤I)中的步骤②，根据该流域内及该流域周边气象站点观测到的逐月降水量及逐月潜在蒸发量，采用距离反比权重法进行空间插值得到其空间分布。
全文摘要
本发明涉及一种测定流域蒸发量的方法，其包括以下步骤1)由降水和潜在蒸发数据统计得到流域多年平均月降水量和多年平均月潜在蒸发量，及日平均降水强度；并由土壤类型数据得到流域土壤饱和导水率。2)由多年平均月降水量与多年平均月潜在蒸发量计算得到气候季节性指数，并进一步结合日平均降水强度与土壤饱和导水率计算得到流域特性参数n。3)将参数n与流域多年平均年降水量和多年平均年潜在蒸发量代入流域水热耦合平衡方程，即可得到流域实际蒸发量。本发明所提出的根据流域气候条件及下垫面条件计算流域蒸发量的方法，相对于传统方法具有突出的优势，可广泛用于流域蒸发量的测定过程中。
文档编号G01W1/00GK102819050SQ20121027000
公开日2012年12月12日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者杨汉波, 杨大文, 吕华芳, 胡庆芳 申请人:清华大学