周 欽，黃金柏，周亞明，黃涌增

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

城市化是當(dāng)今世界發(fā)展的重要特性，任何一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的發(fā)展都離不開(kāi)這一變革，但同時(shí)它也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的生態(tài)、氣候問(wèn)題[1]。在城市化進(jìn)程中，大量建筑物的建造導(dǎo)致原有的裸露地面、植被等被不透水或弱透水地面所覆蓋的面積不斷增加，城市在暴雨時(shí)易造成排水不暢、形成地面積水的局面。同時(shí)，城市擴(kuò)展在很大程度上改變了城市下墊面的熱力性質(zhì)和動(dòng)力性質(zhì)[2]，不僅對(duì)區(qū)域內(nèi)的氣溫、降雨等氣候因素產(chǎn)生影響[3]，使城市產(chǎn)生熱島效應(yīng)、雨島效應(yīng)，也影響著水文過(guò)程中蒸散發(fā)的變化[4]。蒸散發(fā)是水文循環(huán)中重要的環(huán)節(jié)，是土壤水分和大氣層水分之間交換的媒介[5,6]，對(duì)其進(jìn)行定量估算是評(píng)價(jià)區(qū)域耗水及土壤水分運(yùn)移的基礎(chǔ)[7]。在城市化背景下，海綿城市理念越來(lái)越受到人們的關(guān)注。運(yùn)用海綿城市理論，增加綠地植被，能夠有效加快雨水入滲，提高土壤的蓄水功能，從而能降低城市的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，改善提升城市的生態(tài)水平[8]。

揚(yáng)州市地處江蘇省西部，江淮下游，屬北亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)[9]，年平均氣溫為15～18℃，多年平均降雨量達(dá)1 000 mm，且大部分降雨集中在5-9月[10]。相對(duì)集中的汛期對(duì)淺層地下水位帶來(lái)顯著的變化的同時(shí)可能造成城市內(nèi)澇。近年來(lái)，揚(yáng)州城市化發(fā)展加快，人口不斷增加，綠色植被逐漸減小。為揭示揚(yáng)州城市化背景下草地植被蒸散發(fā)和土壤水分的季節(jié)性變化特性，本文選取揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津校區(qū)農(nóng)水與水文生態(tài)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)及揚(yáng)州大學(xué)江陽(yáng)中路南校區(qū)草地植被為研究區(qū)，對(duì)氣象數(shù)據(jù)以及土壤水分進(jìn)行觀測(cè)，利用原始的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式估算草地蒸散發(fā)量ET，利用FAO推薦的經(jīng)修正的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式估算參考作物蒸散發(fā)量ET0，并推求草地植被的水分有效性參數(shù)。通過(guò)構(gòu)建研究區(qū)小尺度土壤水分運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)表層土壤水分進(jìn)行模擬，研究結(jié)果以期為揚(yáng)州城市化背景下草地植被的水分循環(huán)和基于發(fā)展綠色植被提升海綿城市建設(shè)水平提供部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)觀測(cè)

1.1 研究區(qū)概況

選取揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津校區(qū)農(nóng)水與水文生態(tài)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)氣象站內(nèi)草地P1(32°21′14.95″N，119°23′46.32″E)及揚(yáng)州大學(xué)江陽(yáng)路南校區(qū)草地植被P2(32°22′53.64″N，119°25′8.15″E)為研究區(qū)，兩點(diǎn)的寫(xiě)真如圖1所示。

圖1 研究區(qū)P1、P2寫(xiě)真

1.2 數(shù)據(jù)觀測(cè)

通過(guò)在P1、P2設(shè)置氣象站(型號(hào)：U30-NRC-10-S100-000；制造商：美國(guó)OnSet儀器設(shè)備公司；觀測(cè)點(diǎn)高程：14 m)對(duì)主要?dú)庀髷?shù)據(jù)如溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射量、降雨量等進(jìn)行觀測(cè)；利用土壤水分計(jì)(型號(hào)：H21-002； 制造商：美國(guó)OnSet公司)對(duì)地面以下5、15及30 cm處的土壤水分進(jìn)行觀測(cè)。 數(shù)據(jù)觀測(cè)的時(shí)間間隔均為1 h，觀測(cè)時(shí)段為2016年10月5日至2017年10月4日。在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，不同深度的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)存在時(shí)段性的缺失。

2 材料和方法

2.1 蒸散發(fā)計(jì)算

蒸散發(fā)是水循環(huán)的重要組成部分，也是水文模型的關(guān)鍵輸入因子[11]。蒸散發(fā)的準(zhǔn)確推求，對(duì)進(jìn)一步了解土壤水分運(yùn)移及評(píng)價(jià)區(qū)域耗水具有重要意義[12]。本研究采用由聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的經(jīng)修正的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計(jì)算參考作物的蒸散發(fā)量ET0，采用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計(jì)算草地生長(zhǎng)期的蒸散發(fā)量ET。采用ET與ET0的比值作為水分有效性參數(shù)(ma)，用來(lái)評(píng)價(jià)研究區(qū)水分有效性的季節(jié)變化。

(1)

(2)

ma=ET/ET0

(3)

式中：ET0為參考作物蒸散發(fā)量，mm/d；Δ為飽和水汽壓與溫度函數(shù)曲線在某時(shí)間點(diǎn)上的斜率，kPa/K；Rn為地表凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；es為不同溫度的飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際的水汽壓，kPa；T為空氣溫度，℃；u為風(fēng)速，m/s；γ為干濕溫度計(jì)常數(shù)，kPa/K；ET為草地蒸散發(fā)量，mm/d；ρ為空氣密度，kg/m3；ra為氣動(dòng)阻抗，s/m；rs為表面阻抗，s/m；cp為空氣比熱，1.0×10-3MJ/(kg·K)；l為水的汽化潛熱，MJ/kg。式(1)、(2)中各因子的計(jì)算方法由式(4)～(13)進(jìn)行確定。

(4)

(5)

γ=0.665×10-3P

(6)

(7)

l=2.50-0.002 4T

(8)

(9)

(10)

z0m=0.123Hc

(11)

z0h=0.1z0m

(12)

式中：P為大氣壓強(qiáng)，kPa；Hc為作物高度，計(jì)算時(shí)為草地植被覆蓋下的植物平均計(jì)算高度，取0.12 m；d為零平面置換高度，m；z為氣象觀測(cè)高度，m；z0m為動(dòng)量傳遞的粗糙長(zhǎng)度，m；z0h為熱和水汽的粗糙長(zhǎng)度，m；k為von Karman’s常數(shù)(0.41)。

利用公式(2)，基于0～30 cm的平均土壤水分θ的變動(dòng)過(guò)程來(lái)率定表面阻抗rs[13]，近似的得到土壤水分θ與表面阻抗rs的關(guān)系函數(shù)如下：

rs=26 498 exp(-4.784θ)

(13)

式中：θ為表層土壤平均含水量，cm3/cm3。

2.2 土壤水分模型的構(gòu)建

2.2.1 基礎(chǔ)方程式

利用Richards方程構(gòu)建研究區(qū)一維土壤水分運(yùn)動(dòng)模型，如下：

(14)

式中：θ為土壤體積含水量，cm3/cm3；t為時(shí)間因子；z為垂向空間因子；D(θ)為土壤水分?jǐn)U散率，cm2/d；K(θ)為土壤導(dǎo)水率，cm/d。

2.2.2 算法建立

為了保證求解的精度，采用有限差分方法來(lái)對(duì)所建立的土壤水分運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值算法的擬定。利用有限差分方法，對(duì)式(15)在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散，以1 d為時(shí)間步長(zhǎng)(Δt)，垂向取10 cm(Δz)的土壤為第一層，對(duì)其土壤含水量進(jìn)行計(jì)算。差分格式如下：

(15)

2.2.3 參數(shù)率定

為了實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的準(zhǔn)確率定，對(duì)兩點(diǎn)土壤進(jìn)行多次采樣，并進(jìn)行物理性分析。分析的主要內(nèi)容為土壤的機(jī)械組成及土壤物性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推求出土壤密度、土壤孔隙率等土壤物理性參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型中基本參數(shù)的確定；通過(guò)簡(jiǎn)易滲透實(shí)驗(yàn)，推求出土壤水分的垂向滲透系數(shù)[15]；利用激光粒度分析儀(Mastersizer 3000E)篩選土壤顆粒級(jí)配(黏粒、粉粒、砂粒的百分含量)并通過(guò)美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分類三角坐標(biāo)圖分析研究區(qū)土壤質(zhì)地(粉壤土)[16]。最終確定的模型主要參數(shù)及顆粒級(jí)配如表1所示。

3 結(jié)果及分析

3.1 蒸散發(fā)計(jì)算結(jié)果

參考作物蒸散發(fā)計(jì)算時(shí)段為2016年10月5日至2017年10月4日。由圖2可以看出，P1、P2兩點(diǎn)ET0曲線幾乎重合，計(jì)算時(shí)段內(nèi)，兩點(diǎn)的年ET0為1 115.0 mm(略低于年降雨量1 200 mm)，均值為3.0 mm，最小值發(fā)生在2016年12月26日，為0.2 mm，當(dāng)日溫度僅為7 ℃，太陽(yáng)輻射量為8.7 W/m2；最大值發(fā)生在2017年7月16日，約為7.7 mm，當(dāng)天溫度高達(dá)33.6 ℃，太陽(yáng)輻射量為258 W/m2。從全年來(lái)看，ET0的季節(jié)性變化趨勢(shì)明顯，12月至2月兩點(diǎn)的ET0多在0.1～3.0 mm/d之間，變動(dòng)幅度較小，處于全年較低水平，其主要原因是在此期間，影響蒸散發(fā)量的主要?dú)庀笠蜃訙囟?、太?yáng)輻射量、風(fēng)速等在一年內(nèi)都處于較低水平；5-9月兩點(diǎn)的ET0變化范圍大部分處于2.0～8.0 mm/d之間，變動(dòng)幅度較大，處于全年較高水平，主要原因在于上述氣象因子在一年中高于其他月份，且水分供應(yīng)也較充足。

圖2 P1、P2參考作物蒸散發(fā)(2016-10-05-2017-10-04)

圖3 P1、P2生長(zhǎng)期內(nèi)蒸散發(fā)量(2017-07-01-2017-09-30)

由于部分土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，ET計(jì)算時(shí)段為2017年7-9月，該時(shí)段處于草地植被的生長(zhǎng)期內(nèi)，在時(shí)間上占據(jù)了當(dāng)?shù)赜昙?6-9月)的大部分時(shí)間。ET的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，計(jì)算時(shí)段內(nèi)，兩點(diǎn)的日平均蒸散發(fā)量在1.4 mm/d左右，P1點(diǎn)ET計(jì)算結(jié)果最大值為4.4 mm/d(2017-09-16)，最小值為0.05 mm/d(2017-09-24)，在此計(jì)算時(shí)段內(nèi)，草地的總蒸散發(fā)量為129.7 mm，占同期降雨量的24.2%；P2點(diǎn)ET計(jì)算結(jié)果最大值為4.4 mm/d(2017-09-16)，最小值為0.05 mm/d(2017-09-24)，草地的總蒸散發(fā)量為122.2 mm，占同期降雨量的22.9%，兩點(diǎn)的蒸散發(fā)量約占同期降雨量的1/4。

蒸散發(fā)不僅受外界環(huán)境的影響，還受控于土壤水分的含量。草地蒸散發(fā)ET對(duì)集中降雨的反應(yīng)很靈敏，在集中降雨發(fā)生后，ET常會(huì)出現(xiàn)較大的值，其原因是雨后土壤含水量較高，且對(duì)蒸散發(fā)有較大影響的氣象因子常處于較高水平，如氣溫較高、太陽(yáng)輻射量集中等，所以ET顯著。在計(jì)算期內(nèi)的大部分時(shí)間點(diǎn)上，P2的ET略低于P1的ET，原因在于P2的表面阻抗rs高于P1，而表面阻抗受土壤水分含量的影響，土壤含水量越小，表面阻抗越大。因此土壤含水量的大小決定了蒸散發(fā)過(guò)程中可用于蒸散發(fā)的水分狀況。

3.2 水分有效性評(píng)價(jià)

將同期ET和ET0的比值定義為水分有效性參數(shù)(ma=ET/ET0)，用來(lái)評(píng)價(jià)研究區(qū)的水分有效性。圖4所示為計(jì)算時(shí)段內(nèi)P1、P2ma的變化情況。ma的曲線形狀與ET曲線形狀相似，主要受ET的影響。ma處于0.02～0.94之間，最小值為分別為0.03、0.02，均發(fā)生于8月1日，當(dāng)日風(fēng)速處于計(jì)算時(shí)段內(nèi)的最大值(3.3 m/s)，由于長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有降雨，且因強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，土壤水分含量較低；ma最大值分別為0.94、0.93(ET分別為0.88、0.86，ET0為0.93)，均發(fā)生于9月27日，由于當(dāng)天的降雨強(qiáng)度較大，土壤含水量顯著增加，較高的土壤含水量為蒸散發(fā)提供了相對(duì)充足的水分，從而導(dǎo)致當(dāng)日的蒸散發(fā)量與潛在蒸散發(fā)量接近。

圖4 P1、P2水分有效性參數(shù)ma(2017-07-01-2017-09-30)

在8、9月份，ma多處于較高水平，原因在于雨季的降雨量相對(duì)集中，土壤中的雨水入滲量增加，同時(shí)氣象因子中對(duì)蒸散發(fā)產(chǎn)生主要影響的氣溫、太陽(yáng)輻射量都處于較高水平，導(dǎo)致ET較大，在這些時(shí)刻，ma也出現(xiàn)較大的值。由此可知，ET的變化影響著水分有效性參數(shù)ma的變化。計(jì)算時(shí)段內(nèi)，P1、P2兩點(diǎn)的ma平均值分別為0.39、0.37，P1點(diǎn)略高于P2點(diǎn)。

3.3 土壤水分模擬結(jié)果

由圖5、圖6可知，7-9月的降雨量為536.5 mm，占全年降雨量的44.7%，最大一次降雨發(fā)生在9月24日(降雨量：101.2 mm)。土壤含水量對(duì)降雨的反應(yīng)很靈敏，在集中降雨發(fā)生期間，表層土壤含水量在短時(shí)間內(nèi)顯著增加(9月24日)，含水量峰值出現(xiàn)時(shí)間與降雨時(shí)間有很好的一致性；在無(wú)雨或少雨的情況下，土壤水分含量呈逐漸降低的趨勢(shì)。

計(jì)算時(shí)段內(nèi)P1、P2土壤水分模擬結(jié)果曲線分別如圖5、圖6所示。計(jì)算時(shí)段內(nèi)兩點(diǎn)表層土壤含水量(0～10 cm)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值曲線之間的契合度很高，模擬值很好地再現(xiàn)了土壤水分觀測(cè)值的變化過(guò)程。在無(wú)降雨時(shí)段，土壤水分的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差很小，僅在±0.02范圍以內(nèi)，且計(jì)算值一般小于實(shí)測(cè)值；降雨產(chǎn)生階段，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差波動(dòng)較大，絕對(duì)誤差在±0.05之間，原因在于模型僅考慮了土壤水分的垂向收支過(guò)程，當(dāng)表層土壤含水量較高時(shí)，水分會(huì)發(fā)生橫向擴(kuò)散，從而對(duì)計(jì)算點(diǎn)的模擬精度產(chǎn)生較大影響。

圖5 P1點(diǎn)第一層土壤水分模擬結(jié)果(2017-07-01-2017-09-30)

圖6 P2點(diǎn)第一層土壤水分模擬結(jié)果(2017-07-01-2017-09-30)

3.4 模型檢驗(yàn)

利用均方根誤差(RMSE)及納什效率系數(shù)(NSE)對(duì)模型的實(shí)用性及效率等加以檢驗(yàn)。RMSE是用來(lái)評(píng)價(jià)模型的計(jì)算精度，此值越接近于0，表示模型的模擬精度越高；NSE表示模型運(yùn)行效率的高低，此值越接近于1，表示模擬結(jié)果越接近觀測(cè)結(jié)果，模型可信度高。

(16)

(17)

表2 模型檢驗(yàn)參數(shù)值

由表2可知，P1、P2兩點(diǎn)表層土壤水分的實(shí)測(cè)序列與計(jì)算序列的均方根誤差(RMSE)分別為0.012、0.021，顯示出模型的可靠性，能較好地模擬不同下墊面土壤水分動(dòng)態(tài)變化過(guò)程；從納什效率系數(shù)(NSE)來(lái)看，P1點(diǎn)的NSE為0.830， P2點(diǎn)的NSE為0.928，模型運(yùn)行效率較高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文選取揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津校區(qū)農(nóng)水與水文生態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)(P1)與江陽(yáng)中路南校區(qū)草坪(P2)為研究區(qū)，推求了潛在蒸散發(fā)量(2016-10-05-2017-10-04)、草地蒸散發(fā)量(2017-07-01-2017-09-31)并對(duì)水分有效性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，構(gòu)建了一維表層土壤水分模擬模型并對(duì)模型的實(shí)用性進(jìn)行檢驗(yàn)，得出主要結(jié)論如下。

(1)2016年10月5日至2017年10月4日， P1、P2的年ET0累積值為1 115.0 mm，略低于同期降雨量，且具有明顯的季節(jié)性變化；2017年7月1日至2017年9月30日，P1、P2的ET累積值分別為129.7、122.2 mm，略低于同期降雨量的25%；同期P1、P2的水分有效性參數(shù)(ma)分別為0.39、0.37。

(2) 構(gòu)建的一維土壤水分計(jì)算模型的RMSE小于0.025，NSE在0.80以上，說(shuō)明模型的計(jì)算精度較高且具有較高的運(yùn)行效率。

研究成果以期為城市化背景下草地植被的土壤水分循環(huán)及土壤水分的繼續(xù)研究提供研究基礎(chǔ)。