基于能量平衡法的黑河中游灌溉渠道蒸发量估算

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中国西北干旱区常年降雨量很少,所用水资源有部分来自内陆河或冰川积雪消融,为了进行绿洲农田灌溉,就需要修建渠道以便从内陆河进行引水,于是四通八达的渠系广泛分布。在利用渠道引水灌溉过程中蒸发损失不可避免,尤其是在渠系广泛分布的情况下,渠道蒸发损失量大,如何估算这部分损失量对于干旱区水资源管理至关重要。  本论文利用渠道行水期间的野外观测资料,首先选择以能量平衡法为基础理论的Y.Mihara经验方程进行了初步计算,之后为了深入分析,本研究根据能量平衡模型进行试验设计、野外观测和计算。另外,本文研究方向项目组根据前人研究成果以及黑河中游地区干渠观测试验,提出计算渠道蒸发量的两层模型,文中对此进行了详细介绍,并且将两层模型计算结果作为能量平衡模型结果的对照,两种方法进行了对比分析。主要工作和结果可分为以下两个方面:  1.研究观测依托2012年启动的“HiWATER-MUSOEXE”试验,利用已观测得到的气象数据和渠道数据,采用Y.Mihara的经验方程,进行了渠道蒸发量计算,结果表明:灌溉渠道蒸发量主要取决于气温与水温之差、相对湿度和2m风速等,这与湖泊等自然大水体研究结果一致;蒸发率的日变化特征表现为:天气晴好时白天明显大于夜间,阴天时白天和夜间相差不大。相对湿度和气温变化是造成蒸发率日变化的主要原因;对于累计蒸发量,天气晴好时白天是夜间的2倍左右;非晴好天气时气象要素等的变化会使白天和夜间相差不大,但都是白天略大于夜间。引起蒸发量变化的诸要素中,气温和相对湿度对渠道累计蒸发量变化贡献最大;对于累积蒸发量为负值的情况,是因为张掖地区灌溉水来自黑河,而黑河水多是祁连山冰川积雪消融水,造成水温很低,相对湿度又比较大,使得渠道水面饱和水汽压低于空气实际水汽压,发生了冷凝过程,水汽向下运动。  2.根据能量平衡法原理进行试验设计、野外试验观测和计算,共选择了八天进行分析,结论分三方面进行总结:  a:对于蒸发速率而言,多数时日在一天之中波动起伏较大,以12:00为分界线:早晨7:00到中午12:00之间,蒸发速率值较小,接近于零;12:00之后,蒸发速率开始波动起伏,除6月11日之外,均出现若干个极大值。对6月11日进行单独分析,蒸发速率在12:00之后波动起伏剧烈,不但出现若干个极大值,还出现若干个极小值,且后半日蒸发速率多数时候为负值。对累积蒸发量进行分析,所选择的八日观测数据中,不同日的累积蒸发量变化较大,6月10日累积蒸发量大于20 mm,为最大,而相邻的6月11日,累积蒸发量为负值,为最小。  b:根据累计蒸发量以及所选择渠段内水量的计算,可以得到八日的蒸发水量损失率,最大的是6月10日,为7.4%,平均损失率为3.06%。  c:根据两层模型原理,针对性对数据进行处理和模型输入计算,并且将两层模型计算结果和能量平衡模型计算结果进行对比分析。结果表明:能量平衡模型计算结果与两层模型计算结果一致性很好,二者之间存在很好的线性相关。
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