華北平原地區(qū)土壤蒸散發(fā)計(jì)算模型研究

1、華北平原地區(qū)土壤蒸散發(fā)計(jì)算模型研究    摘要：土壤蒸散發(fā)量的計(jì)算，在墑情預(yù)報(bào)、降雨徑流計(jì)算及水資源評(píng)價(jià)中都占有重要的地位。利用水力式土壤蒸發(fā)器及其配套的氣象、輻射、水面蒸發(fā)儀器觀測(cè)資料，綜合考慮“土壤植物大氣”系統(tǒng)中的各個(gè)因素對(duì)土壤蒸散的影響，建立了適于黑龍港流域的土壤散量計(jì)算模型。 關(guān)鍵詞：土壤蒸散發(fā) 含水率 土壤植物大氣系統(tǒng) 地?zé)醾鲗?dǎo) 1、 土壤蒸散發(fā)影響因素 土壤蒸散發(fā)包括土壤蒸發(fā)和植物蒸發(fā)（散發(fā)），是半干旱半濕潤(rùn)的黑龍港地區(qū)水文循環(huán)主要的支出項(xiàng)。近幾十年來(lái)由于人類對(duì)大自然改造能力的大幅度提高，土壤蒸散發(fā)量在水文循環(huán)中的比例大幅度提高，局部地區(qū)、

2、部分年份的蒸散發(fā)量甚至大于降水量深層地下水開采量、外流域引水量的一部分也消耗于蒸散發(fā)。區(qū)域蒸散發(fā)量的主要影響因素有土壤、氣象、作物三個(gè)方面。 1.1 土壤因素 影響土壤蒸散發(fā)的土壤因素可分為土壤含水量、地下水埋深、土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)、土壤色澤與地表特征。 （1） 土壤含水量 土壤含水量是影響土壤水分蒸發(fā)的主要因素。土壤含水量高時(shí)，土壤蒸發(fā)實(shí)質(zhì)上接近自由水面蒸發(fā)，蒸發(fā)率比較穩(wěn)定。隨著土壤含水量減少，非飽和滲透系數(shù)降低，補(bǔ)給蒸發(fā)的水分響應(yīng)減少。當(dāng)土壤含水量減少至非飽和滲透系數(shù)接近零時(shí)，土壤蒸發(fā)全部以水汽擴(kuò)散方式進(jìn)行。 （2） 地下水埋深 地下水埋深越淺，土壤蒸發(fā)量越大。如果地下水面接近地面，其蒸發(fā)量甚

3、至大于光滑水面的蒸發(fā)量。因?yàn)檎舭l(fā)表面面積增大了、反射率減少了。 （3） 土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu) 土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)關(guān)系孔隙的數(shù)量、體積及其連通性，也影響到非飽和滲透系數(shù)。根據(jù)水分在非飽和土壤移動(dòng)情況，各種土壤的非飽和滲透系數(shù)的大小為：粘土>輕粘土>細(xì)砂壤土>沙土。設(shè)粘土土壤（直徑小于0.07mm）的蒸發(fā)量為100%，則直徑0.250.5mm的土壤蒸發(fā)量為81%，而直徑1.02.0mm的土壤為22.2%. （4）土壤色澤及地表特征 土壤色澤影響土壤吸收太陽(yáng)輻射，因而影響于土壤溫度和蒸發(fā)。土壤顏色愈深，蒸發(fā)量越大。黃色土壤的蒸發(fā)量比白色的大7%，棕色土壤的蒸發(fā)量比白色的大19%，黑色土壤的蒸

4、發(fā)量比白色的大32%（對(duì)太陽(yáng)光的反射率不同）。 由于風(fēng)的紊動(dòng)作用，高地的土壤蒸發(fā)量較谷地和盆地的大，粗糙地面的蒸發(fā)量較平滑地面的大。地表坡向不同，吸熱也有差異。15°的南向斜坡的土壤蒸發(fā)量作為100%，則東向斜坡的蒸發(fā)量為86%，北向斜坡為71%.1 1.2 氣象因素 主要包括輻射與氣溫、濕度、風(fēng)和降水方式四個(gè)方面內(nèi)容 （1）輻射與溫度 連續(xù)蒸發(fā)必需有連續(xù)供給汽化潛熱的能量，太陽(yáng)輻射是汽化潛熱能量的來(lái)源，黑龍港流域天文輻射量較小，但是晴天的機(jī)會(huì)多，獲得太陽(yáng)的能量多，所以土壤蒸發(fā)量大于天文輻射大，但是經(jīng)常陰天的南方地區(qū)。氣溫和地溫對(duì)于蒸發(fā)的影響很直接，氣溫決定空氣中飽和水汽含量和水汽擴(kuò)

5、散的快慢，地溫決定土壤中水分子的活躍程度，因此氣溫和地溫越高，土壤蒸發(fā)越強(qiáng)烈。 （2）空氣濕度 大氣的相對(duì)濕度是影響蒸發(fā)的重要因素。當(dāng)溫度為1718，平均相對(duì)濕度從91%降到75%，日蒸發(fā)量從2.5mm增至6.3mm.在大氣中水汽接近飽和的季節(jié)，土壤蒸發(fā)速度較小。此外地面以上的濕度梯度越大，土壤蒸發(fā)越強(qiáng)烈。 （3） 風(fēng)速 風(fēng)使接近土壤表面的空氣連續(xù)不斷地被擾動(dòng)，將接近飽和的空氣帶走，以較干燥空氣代替。風(fēng)速越大，蒸發(fā)作用越強(qiáng)。當(dāng)風(fēng)速為5.4m/s時(shí)，從100m3方形土柱中蒸發(fā)的水量為7.8g/小時(shí)，而當(dāng)風(fēng)速為0時(shí)，蒸發(fā)量?jī)H為0.3g/小時(shí)。2 （4） 降水方式 土壤中可供蒸發(fā)的水分與降水的數(shù)量、

6、降水方式有關(guān)。降水量多，蒸發(fā)量大。同量的降水如果分成幾次小雨降下來(lái)，蒸發(fā)也多。 1.3 植物類別和生長(zhǎng)期 （1）植物品種 仙人掌、松樹等針葉植物的蒸散發(fā)量小，南方的大葉植物蒸散發(fā)量相對(duì)較大。同一種植物，因?yàn)檫z傳因素、種植密度、生長(zhǎng)狀況不同蒸散發(fā)量不同。 （2）植物的生長(zhǎng)階段 植物生長(zhǎng)初期，苗小生長(zhǎng)慢，葉面面積小，土壤蒸散發(fā)以土壤蒸發(fā)為主。隨著植物生長(zhǎng)，葉面積增大以及氣溫升高，植物散發(fā)逐步占主導(dǎo)地位，蒸散發(fā)總量增加。生長(zhǎng)后期，由于植株衰老，散發(fā)能力降低，蒸散發(fā)總量減少。 2、 土壤蒸散量（et）計(jì)算模型的建立 土壤蒸散是涉及“土壤植物大氣”系統(tǒng)的比較復(fù)雜的物理過(guò)程。其計(jì)算模型可用下式建立： （1

7、） （2） 式中： 反映大氣和植物因素的陸面蒸散能力； 反映土壤因素的以土壤有效含水量為指標(biāo)的一個(gè)函數(shù)； 用修正后彭曼公式計(jì)算得到的土壤足夠濕潤(rùn)情況下的土壤蒸散量，它反映大氣因素； q地?zé)醾鲗?dǎo)修正量； r反映植物因素的植物散發(fā)系數(shù)； 下面就上述各個(gè)量的確定方法分別討論： 2.1 陸面蒸散能力（em）的計(jì)算。 用衡水水文實(shí)驗(yàn)站20平方米蒸發(fā)量代表自然水體的蒸發(fā)量e0與彭曼公式計(jì)算得到的蒸發(fā)值e計(jì)相比較，發(fā)現(xiàn)其差值很有規(guī)律：e計(jì)48月份系統(tǒng)偏大、9月到次年2月系統(tǒng)偏小。用回歸分析方程及相關(guān)系數(shù)； 48月： 相關(guān)系系數(shù)r=0.943 （3） 9次年2月： 相關(guān)系系數(shù)r=0.920 （4） 式中e計(jì)為

8、本站資料代入彭曼公式計(jì)算值。 彭曼公式開始主要用于水面蒸發(fā)計(jì)算，但公式的基本假定也適用植被地段表面的情況，即當(dāng)土壤表面有充分水分供應(yīng)時(shí)，可以得出主要取決于氣象條件的可能蒸發(fā)值。兩者不同之處在于下墊面差別，可用反射率這個(gè)參數(shù)反映。 2.1.1地?zé)醾鲗?dǎo)（q）的確定 彭曼公式在推導(dǎo)過(guò)程中，忽略了地?zé)醾鲗?dǎo)。然而土壤的熱量與植物生長(zhǎng)有密切聯(lián)系，白天地表面得到輻射熱量，一部分向地表以下的土層傳導(dǎo)并匯集在土壤中，夜間它又成為表面熱源增大蒸發(fā)。一年中的溫暖季節(jié)土壤吸收和儲(chǔ)存熱量，到寒冷季節(jié)則把熱量釋放出去。 如果把土壤分為耕作層和較深的土層（040厘米為耕作層，40160厘米為下層），土壤熱通量的計(jì)算式為：4

9、.工程驗(yàn)收 本工程包含了bot項(xiàng)目及bt項(xiàng)目，對(duì)于bot項(xiàng)目應(yīng)進(jìn)行完工后的檢查、驗(yàn)收、運(yùn)行的測(cè)試以及竣工文件的審查、移交；對(duì)于bt項(xiàng)目還存在工程的移交。4.1完工檢查在工程完工階段由成都市政府bot項(xiàng)目協(xié)調(diào)辦牽頭，擬訂了完工檢查大綱，對(duì)工程分項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)檢查，督促整改，為bot項(xiàng)目開展初步性能測(cè)試、為bt項(xiàng)目的驗(yàn)收移交創(chuàng)造條件。首先多次對(duì)竣工圖及竣工文件進(jìn)行了初步審查，分廠內(nèi)工程及輸水管線工程，分別組建了專業(yè)性檢查小分隊(duì)。檢查項(xiàng)目有：取水口上游河堤、取水格柵、連通渠、引水暗渠、排水總渠、廠內(nèi)凈水構(gòu)筑物、廠內(nèi)建筑物、自用水系統(tǒng)、加氯系統(tǒng)、流量計(jì)、水質(zhì)儀表、機(jī)電設(shè)備、輸水管線等。但檢查的重點(diǎn)是bt

10、項(xiàng)目，bot項(xiàng)目重點(diǎn)檢查與外部關(guān)聯(lián)的部位。檢查前，制訂了檢查表格、表格的術(shù)語(yǔ)解釋、檢查注意事項(xiàng)，檢查期間將檢查情況形成匯總資料通報(bào)，分送相關(guān)單位督促整改，直至大部分問(wèn)題得到了落實(shí)與處理。廠內(nèi)工程分工藝、結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備等專業(yè)小分隊(duì)；輸水管線工程分別組織了五個(gè)小分隊(duì)，對(duì)管線地貌、管內(nèi)狀況、閥井（兩個(gè)小分隊(duì)）及陰極保護(hù)分別進(jìn)行了檢查，并督促了整改。管線內(nèi)部檢查時(shí)，對(duì)管內(nèi)異物進(jìn)行了清除，對(duì)內(nèi)噴涂的缺陷進(jìn)行了修補(bǔ)，對(duì)橢園度進(jìn)行了抽查，對(duì)于坡向問(wèn)題通過(guò)水準(zhǔn)尺的初查，發(fā)現(xiàn)返坡現(xiàn)象較多，然后委托市測(cè)量隊(duì)在管道施工單位的積極配合下，從管內(nèi)對(duì)縱斷面進(jìn)行了復(fù)測(cè)，對(duì)地面的覆土高程、井點(diǎn)座標(biāo)進(jìn)行了補(bǔ)測(cè)，從而完善了竣工資

11、料，也確認(rèn)了局部返坡和局部覆土較淺的問(wèn)題，在這里國(guó)內(nèi)施工單位能主動(dòng)配合、勇于揭短的風(fēng)格是可敬的。管線閥門完工檢查的過(guò)程中，對(duì)閥井位置的座標(biāo)、樁號(hào)、高程核實(shí)；閥井外形尺寸、閥門支座、透氣洞及井蓋板外觀情況核實(shí)；閥門的規(guī)格、型號(hào)、啟閉方向、轉(zhuǎn)數(shù)、啟閉指示準(zhǔn)確度、加長(zhǎng)桿的穩(wěn)定性、伸縮節(jié)內(nèi)間隙、啟閉方榫狀況、排氣閥高度、人孔、爬梯及井內(nèi)清潔狀況等檢查與實(shí)測(cè)。通過(guò)閥井檢查的同時(shí)，對(duì)各個(gè)閥門的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了收集、登記，對(duì)啟閉轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，為日后管道管理部門建立閥門跟蹤卡，提供了依據(jù)。檢查中發(fā)現(xiàn)多個(gè)dn2400mm主蝶閥的密封膠圈潰裂、加長(zhǎng)桿的傳動(dòng)部位搖擺、顯示部位指針指示不準(zhǔn)、放空閥門的集水井沒(méi)有井孔、

12、井蓋等不合理問(wèn)題，一一提出來(lái)，督促了整改。管線地面檢查的過(guò)程中，主要檢查還土復(fù)耕、道路、溝渠、斗渠的恢復(fù)情況，標(biāo)志樁埋設(shè)狀況。檢查中發(fā)現(xiàn)溝渠護(hù)坡有問(wèn)題的進(jìn)行了整改，斗渠底離管頂不足0.5m的進(jìn)行了砼護(hù)底，標(biāo)志樁太短全部進(jìn)行了返工。管線陰極保護(hù)檢查過(guò)程中，主要實(shí)測(cè)了管道保護(hù)電位、測(cè)試樁的埋設(shè)情況、閥井內(nèi)跨越導(dǎo)線敷設(shè)狀況、絕緣法蘭的效果監(jiān)測(cè)等。廠內(nèi)工藝完工檢查小分隊(duì)發(fā)現(xiàn)清水池通風(fēng)百葉窗口、人孔蓋板設(shè)計(jì)不合理，影響灰塵、雨水易滲入清水池；流量計(jì)檢測(cè)點(diǎn)的管段偏高，影響計(jì)量精度等問(wèn)題，均督促進(jìn)行了整改。4.2竣工文件審查為了搞好竣工資料的收集整理，還在工程施工過(guò)程中，成都市政府bot項(xiàng)目協(xié)調(diào)辦牽頭，匯同

13、市城建檔案館、水司檔案處及我辦檔案管理人員，提出了竣工圖及竣工文件的目錄清單，提供了組卷要求；對(duì)提供的竣工資料，匯同相關(guān)部門專業(yè)人員一道進(jìn)行了審查，并督促進(jìn)行了整改，對(duì)組卷不符合我市規(guī)定的，我辦領(lǐng)導(dǎo)提出并落實(shí)了補(bǔ)救措施，總的來(lái)說(shuō)竣工資料的規(guī)范性與完整性也是較好的。4.3凈水廠的性能測(cè)試根據(jù)特許權(quán)協(xié)議，項(xiàng)目公司在工程完工后應(yīng)對(duì)取水工程、凈水廠、排水總渠及相關(guān)設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行下列測(cè)試：（1） 初步性能測(cè)試在初步完工日前十五天內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試內(nèi)容包括效率測(cè)試；總供水能力測(cè)試；凈水水質(zhì)測(cè)試；可靠性運(yùn)行測(cè)試（連續(xù)成功運(yùn)行達(dá)168小時(shí)以上）；自動(dòng)化控制的測(cè)試（24小時(shí)內(nèi)能在設(shè)計(jì)能力的75%、100%、115%狀

14、態(tài)下分別運(yùn)行控制）；凈水工藝中使用的藥劑測(cè)試；濾料的測(cè)試。（2） 季節(jié)性能測(cè)試在商業(yè)運(yùn)營(yíng)三個(gè)月內(nèi)，第一、二月中各抽七天進(jìn)行40萬(wàn)m3/d、41萬(wàn)m3/d的穩(wěn)定性測(cè)試。（3） 最終性能測(cè)試最終性能測(cè)試的目的是證實(shí)項(xiàng)目設(shè)施的安全性和可靠性，它在項(xiàng)目全面投入商業(yè)運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)十天的測(cè)試。（4）初步性能測(cè)試與管道沖洗消毒投產(chǎn)的結(jié)合在初步性能測(cè)試期間，針對(duì)項(xiàng)目公司提出的管道沖洗、消毒方案及初步完工測(cè)試計(jì)劃，進(jìn)行了深入研究，考慮到初步完工測(cè)試的流量變化幅度、頻率較大，項(xiàng)目公司提出長(zhǎng)時(shí)間、多個(gè)主閥門一道開啟度很小的控流計(jì)劃，這對(duì)蝶閥的正常使用是欠妥的，我協(xié)調(diào)辦提出了利用控流站內(nèi)設(shè)施進(jìn)行初步完工測(cè)試的控流

15、方案，向項(xiàng)目公司方面進(jìn)行了耐心的交流，統(tǒng)一了思路，既保護(hù)了管道上主閥門的安全作業(yè)，又使初步測(cè)試能順利進(jìn)行；近一個(gè)月的連續(xù)測(cè)試，流量變化的范圍較大，輸水管線上的控流站發(fā)揮了作用，利用凈水廠的測(cè)試流量，也充分地沖洗了管道。同時(shí)商定了管道灌水、沖洗、悶水消毒、再?zèng)_洗、向管網(wǎng)輸水的整套方案，利用正常含氯水對(duì)管道消毒沖洗，避免高濃度氯水對(duì)管壁的影響，按計(jì)劃完成了凈水廠性能測(cè)試的同時(shí)，也完成了輸水管線的消毒、沖洗，順利完成了40萬(wàn)m3/d供水量的投產(chǎn)，沒(méi)有引起供水管網(wǎng)大的沖擊。其中，初步性能測(cè)試合格，是項(xiàng)目投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的先決條件；通過(guò)以上性能測(cè)試，是對(duì)bot項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量的考核，存在的缺陷能及時(shí)整改；

16、同時(shí)也是bot項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)的班子對(duì)工藝、設(shè)備、設(shè)施熟悉掌握的極好方式。過(guò)去國(guó)內(nèi)供水工程在商業(yè)運(yùn)營(yíng)前的調(diào)試很粗糙，使水廠投產(chǎn)后的一段時(shí)期內(nèi)，一直在進(jìn)行技改、調(diào)整。當(dāng)然這樣測(cè)試也付出了一定的代價(jià)，因此這方面如何效仿，值得進(jìn)一步探討。 5.工程的效果 該bot項(xiàng)目是全國(guó)第一個(gè)城市供水設(shè)施試點(diǎn)項(xiàng)目，也是我市改革開放引進(jìn)外資的重點(diǎn)工程，在市委、市政府的直接領(lǐng)導(dǎo)下，統(tǒng)一思想、通力配合，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目公司及各承包單位的緊張施工，使其按期完工投入了運(yùn)營(yíng)，工程造價(jià)控制較好，整個(gè)工程質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)是明顯的，當(dāng)然問(wèn)題也是存在的，它為我國(guó)今后的類同工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。凈水廠經(jīng)試運(yùn)行的調(diào)整后，出廠水的水質(zhì)、水量滿足了特許權(quán)協(xié)議的基本

17、要求，水廠投產(chǎn)的同時(shí)，水廠的自控系統(tǒng)投入運(yùn)行，廠內(nèi)生產(chǎn)性及非生產(chǎn)性建筑物緊湊、實(shí)用，廠區(qū)的環(huán)境綠化亦初見(jiàn)成效。輸水管線的施工單位克服管壁偏薄等不利條件，鋼管制造及現(xiàn)場(chǎng)組裝的焊接質(zhì)量是完好的；完工后管道內(nèi)部實(shí)測(cè)的橢園度均小于2；鋼管外防腐及內(nèi)噴襯質(zhì)量也是好的；閥門井的砌筑是規(guī)范的；管線穿越河道、鐵路的施工基本達(dá)到圖紙的要求。不足的是輸水管線的局部高程控制不嚴(yán)，出現(xiàn)返坡現(xiàn)象較多，盡管完工檢查后個(gè)別點(diǎn)增添了四個(gè)排氣閥，仍然對(duì)管內(nèi)積氣的影響是存在的；針對(duì)成都平原農(nóng)村的特點(diǎn)，田塊形狀各異、高低不一，今后機(jī)械化作業(yè)勢(shì)必大規(guī)模改造田塊，水稻田泡水后，土中鋼管空管時(shí)的抗浮問(wèn)題又不可忽視，特許權(quán)協(xié)議規(guī)定輸水管最

18、小覆土深度為1.5m的本身就偏小了。管線安裝后局部埋深還小于1.5m，有些在灌溉斗渠下的埋深小于0.5m，因此今后農(nóng)田大面積改土?xí)r，加強(qiáng)對(duì)管線上的覆土控制是必要的。 6.體會(huì)與建議 六年半來(lái)，筆者斷斷續(xù)續(xù)參與了該bot項(xiàng)目從起草標(biāo)書至工程竣工的全過(guò)程，對(duì)于這一試點(diǎn)項(xiàng)目有以下幾點(diǎn)心得體會(huì)，為今后的類同工程提出一些具體建議。6.1 該工程在1996年?duì)幦?guó)內(nèi)銀行貸款及日元貸款未成功后，市政府決定爭(zhēng)取以bot方式立項(xiàng)，來(lái)加快我市供水事業(yè)的建設(shè)。當(dāng)時(shí)水六廠a廠三期20萬(wàn)m3/d的規(guī)模于1996年投產(chǎn)后不到一年就達(dá)到滿負(fù)荷供水，供水能力上沒(méi)有儲(chǔ)備量，加快水廠建設(shè)是必要的。六年后的今天，資本市場(chǎng)發(fā)生了巨大變化，籌措建設(shè)資金的渠道多樣化了，本工程的模式已不是最經(jīng)濟(jì)的模式。但為了對(duì)工程的經(jīng)濟(jì)性作一分析，故以國(guó)內(nèi)銀行貸款方式與此對(duì)比，作為今后同類工程的借鑒。（1）bot項(xiàng)目投產(chǎn)后，項(xiàng)目公司在十五年半內(nèi)可收回水費(fèi)共達(dá)31.27億元。（2）bot項(xiàng)目投產(chǎn)后，在十五年半內(nèi)為項(xiàng)目公司供水另繳水資源費(fèi)為4.53億元（水資源費(fèi)單價(jià)按0.2元/m3計(jì)）。（3）由于水六廠a廠加輸水管線折舊、水資源費(fèi)的綜合單