土壤蒸发数学模型的建立及其试验验证

摘要

土壤蒸发定量计算方法在水利、水文、农业、生态、环境、地理、气象等方面有广泛的应用基础。彭曼把能量平衡、质量输送两个方法综合起来得出了可能蒸发公式，但在土壤湿润不足情况下，特别是干旱时期，可能蒸发的计算公式不能给出正确的实际蒸发量结果，故可能蒸发计算方法的应用也受到一定的限制。因此推导出一种适用于计算土壤蒸发全过程的公式是必要的。 本文以土壤蒸发的定量计算为研究对象，从土壤．大气连续系统出发，以能量平衡和质量输送两个方法作为理论基础，在引入参考蒸发面的基础上，通过数学建模研究土壤蒸发的计算模型，取得了以下几个方面的进展： 1)引入并完善了参考蒸发面的概念：参考蒸发面是指在相同气象条件下具有稳定的蒸发状态的蒸发源。文中所引入的参考蒸发面有：风干土表面，代表了相同气象条件下土壤蒸发的下限，其蒸发在任何气象条件下都为零；饱和土壤表面，代表了相同气象·条件下土壤蒸发的上限，其蒸发在任何气象条件下都为土壤的可能最大蒸发；水面，代表了相同气象条件下水分蒸发的上限，其蒸发在任何气象条件下为所有研究关于水分蒸发的上限。参考蒸发面不仅规定了蒸发的范围，而且当存在多种蒸发面时，可以通过数学变形抵消掉能量平衡方程和质量输送方程中的相同项，以达到简化方程的目的。 2)通过验证土壤温度日变化模型，提出如下结论： Ⅰ、由式T=0.5(Tmax+Tmin)估算各特征表面的平均温度和由式δT=0.5(Tmax-Tmin)来估算各特征表面温度日变化的振幅所产生的误差很小。如果不能得到连续的温度日变化数据，可由上述方法分别计算特征表面的平均温度和温度日变化的振幅。 Ⅱ、各特征表面温度与其平均温度相等的时刻取值范围为：8.5＜to＜10。 3)建立了计算土壤蒸发量的三种数学模型，分别为：以水面蒸发为参考推求土壤蒸发量的数学模型(模型一)、基于风干土和饱和土壤表面温度计算土壤实际蒸发量的数学模型(模型二)和以饱和土壤为参考推求土壤实际蒸发量的数学模型(模型三)。模型一是以水面为参考蒸发面，所需参数为水面的日蒸发量、风速、水面日最高温度及日平均温度、蒸发土壤表面日最高温度及日平均温度。模型二是以风干土表面和饱和土壤表面为参考蒸发面，所需参数为饱和土壤蒸发量和风干土、饱和土壤和蒸发土壤等三种土壤表面的日最高温度。模型三是以饱和土壤表面为参考蒸发面，所需参数为饱和土壤的日蒸发量、风速、饱和土壤表面日最高温度及日平均温度、蒸发土壤表面日最高温度及日平均温度。 4)对三种计算土壤蒸发的数学模型进行试验验证后发现，模型一、模型二和模型三的计算值与实测值的相关系数分别为0.88，0.95和0.94，模型二与实测值的相关性最高。 并得到以下结论：Ⅰ、模型所引入的参考蒸发面避开了蒸发过程复杂的物理本质，使得对土壤蒸发的计算变得简单易行。 Ⅱ、试验结果表明运用这些模型估算土壤实际蒸发不仅需要参数少，而且结果准确。 Ⅲ、随着遥感测温技术的发展，这些模型在计算大面积范围的土壤实际蒸发时，将会体现出一定的优越性。 Ⅳ、由于该模型简单易行，便于计算多个区域蒸发，可用于研究蒸发的空间变异性。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究的目的和意义

1.2土壤蒸发数学模型的研究进展

1.2.1国内研究进展

1.2.2国外研究进展

1.3存在的问题

1.4研究内容

1.5研究方法

1.5.1模型准备

1.5.2模型假设

1.5.3模型构成

1.5.4模型求解

1.5.5模型分析

1.5.6模型验证

1.5.7模型应用

第二章土壤蒸发的物理基础

2.1气象条件是影响土壤蒸发的基本因素

2.2土壤水分状况是影响土壤蒸发的限制因素

2.2.1土壤水分变化特征

2.2.2土壤水分补给来源

2.3土壤表面温度是计算土壤蒸发量的特征参数

2.4土壤蒸发过程的划分

2.5计算土壤蒸发量的途径

2.6土壤-大气连续体

第三章土壤温度日变化模型及试验分析

3.1土壤热流的基本方程

3.2土壤热流的基本方程的解

3.3试验验证及分析

3.3.1材料和方法

3.3.2结果与讨论

3.3.3结论

第四章以水面蒸发为参考推求土壤蒸发量的数学模型

4.1模型假设

4.2模型构成

4.3模型求解

4.4模型分析

4.5模型验证

4.5.1材料和方法

4.5.2结果与讨论

4.6结论

第五章基于风干土和饱和土壤表面温度计算土壤实际蒸发量的数学模型

5.1模型假设

5.2模型构成

5.3模型求解

5.4模型分析

5.5模型验证

5.5.1材料和方法

5.5.2结果与讨论

5.5.3公式改进

5.6结论

第六章以饱和土壤为参考推求土壤实际蒸发量的数学模型

6.1模型假设

6.2模型构成

6.3模型求解

6.4模型分析

6.5模型验证

6.5.1材料和方法

6.5.2结果与讨论

6.6结论

第七章三种计算土壤蒸发量数学模型的适用性比较

7.1三种模型所需参数的比较

7.2三种模型数据系列与实测值系列的比较及方差分析

7.3三种模型计算值与实测值的相关性分析

7.4建议

第八章总结与讨论

8.1结论

8.2主要创新点

8.3存在问题

8.4有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

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