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基于界面水蒸发的多孔光热材料水热平衡调控

工程热物理学报 2022年第12期43卷 3312-3316页

作者：钱银豪兰景瑞李浩然洪文鹏东北电力大学能源与动力工程学院吉林132012

光热驱动界面水蒸发是一种新型绿色水处理技术。蒸发表面的水分供需关系是影响蒸发速率的关键因素之一。本文以亲水聚乙烯醇改性的聚氨酯海绵为光热材料,基于毛细水运动规律,通过调控光热材料供水高度实现蒸发表面水分供需平衡。结果表... 详细信息

光热驱动界面水蒸发是一种新型绿色水处理技术。蒸发表面的水分供需关系是影响蒸发速率的关键因素之一。本文以亲水聚乙烯醇改性的聚氨酯海绵为光热材料,基于毛细水运动规律,通过调控光热材料供水高度实现蒸发表面水分供需平衡。结果表明,当供水高度为10 mm时蒸发速率达到1.3 kg·m^(-2)·h^(-1),并且在质量浓度为3.5%的NaCl溶液中仍可维持1.27kg·m^(-2)·h^(-1)的蒸发速率。本文为提升界面光热蒸发速率提供了新思路。

关键词：光热转换界面水蒸发多孔光热材料毛细水输运水热平衡

黄土高原植被恢复的蒸散耗水量及水热平衡关系研究

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黄土高原植被恢复的蒸散耗水量及水热平衡关系研究

作者：杜瑶西安理工大学

学位级别：硕士

黄土高原是黄河泥沙的主要来源地,水土流失问题严重。自上世纪90年代开展大规模植被恢复活动以来,黄土高原植被恢复成效显著,生态环境明显改善。但随之而来的是植被需水量的明显增加,这必然会干扰区域水循环过程,并且蒸散发作为水热平... 详细信息

黄土高原是黄河泥沙的主要来源地,水土流失问题严重。自上世纪90年代开展大规模植被恢复活动以来,黄土高原植被恢复成效显著,生态环境明显改善。但随之而来的是植被需水量的明显增加,这必然会干扰区域水循环过程,并且蒸散发作为水热平衡关系的关键纽带,在自然状态下与植被保持动态平衡关系,而人工植被的快速增加势必会打破这种平衡关系。因此,准确估算黄土高原蒸散发,明确植被恢复对黄土高原蒸散发的影响,并进一步探究大规模植被恢复下流域水热平衡关系,对于深入了解水循环对变化环境的响应机制和指导黄土高原植被恢复工作具有重要意义。本文以黄土高原6个典型流域(汾河、窟野河、无定河、北洛河、泾河和渭河流域)为研究对象,利用考虑植被因素的Penman-Monteith-Leuning(PML)模型估算2000-2019年各流域实际蒸散发,并进一步量化植被恢复对实际蒸散发的影响,以探明蒸散耗水对植被变化的响应机制;将估算的实际蒸散发引入水热平衡模型中,从干燥度-蒸散率相依结构关系的角度分析流域水热平衡关系动态演变规律,并揭示水热平衡关系变化的驱动因素。论文取得的主要研究成果如下:(1)采用Mann-Kendall趋势检验法、Kriging差值方法,分析各典型流域水热状况和植被条件的演变特征。结果表明:除北洛河流域外,各典型流域年均气温(T)均呈上升趋势;年潜在蒸散发(ET0)在汾河和渭河流域呈不显著上升趋势,在其余流域表现出下降趋势;各流域年降雨量(P)均呈不同程度上升趋势,其中窟野河、无定河、泾河流域上升趋势显著;各典型流域年均叶面积指数(LAI)均呈显著增加趋势;各典型流域耕地面积均持续减少,森林面积均整体增加,灌木面积除北洛河流域外均整体增加,草地面积北洛河、泾河、渭河流域增加,其余流域减少。(2)对PML模型进行参数优化,并基于气象和植被数据,估算了各典型流域的实际蒸散发(ET),对估算结果进行了可靠性验证,且对ET进行了趋势分析。结果表明:对PML.模型的叶片最大气孔导度(ga)和土壤湿度指数(f)进行参数优化，R、NSE和RMSE三个指标结果均显示优化结果合理,故模型在研究区域的适用性较好;利用多年水量平衡法对模拟结果进行了验证,进一步说明了模拟结果的可靠性;各典型流域年ET呈不同程度的增加趋势,其中汾河、窟野河、无定河和泾河流域增加趋势显著。(3)采用相关分析法,分析蒸散发对不同影响因子的响应关系,并采用PML模型结合去趋势法估算植被恢复对蒸散发影响。结果表明:在大气蒸散需求(T)、供水量(P)和植被条件(LAI)三个影响因素中,各典型流域ET均与LAI相关性最高,说明植被条件在各典型流域中对ET变化的影响最大;植被恢复导致无定河流域ET增加最多为37.22mm,汾河、北洛河、泾河增量次之,增量范围为31.64-34.02mm,窟野河和渭河流域增量较少,分别为23.94mm和17.99mm。(4)计算各流域干燥度(aridity index,AI)、蒸散率(evaporation rate,ER)和水热盈亏指数(residual water-energy ratio,WER),并分析其演变规律。结果表明:发现各典型流域AI值在1.68-2.69之间,属于半干旱地区,其中渭河流域AI值最低(1.68),窟野河流域AI值最高(2.69),且AI整体呈下降趋势;各典型流域ER变化范围为0.88～0.95,且变化趋势均不显著,这主要归因于降水和蒸散发的增加趋势存在互相抵消;各典型流域WER呈不同程度的上升趋势,其中,北洛河、泾河流域WER较大,窟野河、无定河流域WER则相对较小,说明窟野河和无定河流域水热条件更差。(5)基于Coupla函数构造AI-ER相依结构关系,通过边缘函数选择及Copula函数优选,得到了各序列最适合的Copula函数,并采用Pettitt检验对AI-ER相依结构序列进行变异诊断。结果表明:年尺度上,汾河流域最适合拟合AI-ER联合分布的Copula函数为Clayton Copula,窟野河、无定河和泾河流域为Frank Copula,其余流域为Gumbel Copula;各典型流域研究时段内AI-ER相依结构序列无明显变异点,但窟野河、无定河流和泾河流域K值虽未超过阈值却相比其他流域较大,因此研究时段内AI-ER关系可能存在轻微的变化。(6)采用通径分析法,分析了影响因子对AI-ER关系的直接影响和间接影响。结果表明:各典型流域在不考虑影响因子间相互作用时,对AI-ER关系影响最大的因子均为P,LAI次之,T的影响最小;在考虑影响因子间相互作用时,P对AI-ER的影响主要为直接影响;除北洛河流域外,各流域LAI对AI-ER的直接影响均相对较小,但间接影响较大,最终导致LAI对AI-ER的影响较大;T对AI-ER的直接影响、P和L

关键词：黄土高原蒸散发水热平衡植被恢复 PML模型 Copula函数

基于Budyko模型的山西水热平衡对植被变化响应特征研究

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基于Budyko模型的山西水热平衡对植被变化响应特征研究

作者：景泓元北京林业大学

学位级别：硕士

植被对陆面水热平衡有着重要的影响。随着我国一系列生态保护及修复工程的进行,生态脆弱区植被覆盖得到显著提高。然而,在水资源短缺的生态脆弱区域发生大规模植被覆盖改变,诱发了水资源承载力不足,水热调节能力下降等生态问题。目前点... 详细信息

植被对陆面水热平衡有着重要的影响。随着我国一系列生态保护及修复工程的进行,生态脆弱区植被覆盖得到显著提高。然而,在水资源短缺的生态脆弱区域发生大规模植被覆盖改变,诱发了水资源承载力不足,水热调节能力下降等生态问题。目前点尺度以及流域尺度上对植被变化和水热平衡关系已有大量研究,但难以阐明区域内水热调节状况的具体空间分布和时空变化细节。因此,需要基于遥感及栅格气象数据,进行植被变化及下垫面水热平衡能力的定量评估,阐明区域内植被变化下陆面水热调节能力的变化时空规律,以合理规划生态脆弱区植被恢复可持续进行。藉此,本研究利用山西省地区MODIS NDVI数据及TERRACLIMATE地表气象数据,计算并分析了2000年-2018年山西省植被覆盖时空变化特征及水热状况变化特征。基于Budyko理论框架计算山西省陆面水热特性的演变特征及主要影响因素、水热平衡状态对植被变化的响应特征。结果表明:(1)2000至2018年山西省NDVI呈现明显增加的趋势,人类活动是导致山西植被状况发生明显改变的主要影响来源,以促进NDVI上升为主导,整体上呈现了负面影响逐渐减少,正面影响显著增加的特征,部分地区人类活动对NDVI正影响比例可达50%,显著促进了研究区植被水平的提升。(2)山西省气候变化呈现微弱的暖湿化趋势,与此同时研究区实际蒸散上升趋势较明显。研究区湿润度指数广泛呈现微弱上升趋势,水量输入水平得到一定提升。研究区水热平衡系数变化呈现北高南低的分布格局,晋北和晋中区域剩余水量状况得到轻微改善,晋南晋东南区域剩余水量极轻微减少。(3)采用基于Budyko边界条件的傅抱璞模型分析山西省下垫面水热调节能力,研究区下垫面水热调节能力较差,水热平衡控制参数最高达6.3,研究区陆面普遍呈现水热调节能力下降趋势。植被对研究区下垫面水热调节影响广泛,以促进下垫面蒸散能力提升,加剧剩余水量流失为主。仅在吕梁盆地北部及太行山脉中部部分地区表现为下垫面水热调节状况改善。(4)对比分析模拟植被自然变化情景,人类活动促进植被增加,轻微增加了山西省实际蒸散发水平,研究区19年累计增加比例最高达1.4%。自然情景下水热平衡系数年际波动水平高于实际观测情况,空间趋势分布呈现普遍增加的趋势。植被增加轻微降低了区域水热状况对气象要素年际波动的敏感性,但在气候暖湿化背景下,对地表水热条件改善造成不利影响。

关键词：植被变化 Budyko模型水热平衡实际蒸散发下垫面

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基于水热平衡的抚河流域地表径流长期预估

工程科学与技术 2019年第1期51卷 60-67页

作者：袁喆许继军王永强洪晓峰周彦辰陈进长江水利委员会长江科学院湖北武汉430010

预估气候变化背景下流域地表径流的变化是水资源合理开发与利用的前提。以抚河流域为研究区,从地表径流形成的宏观机理出发,基于水热平衡构建可描述大尺度上气候要素、下垫面要素和地表径流3者之间定量关系的流域尺度水文模型。结合假... 详细信息

预估气候变化背景下流域地表径流的变化是水资源合理开发与利用的前提。以抚河流域为研究区,从地表径流形成的宏观机理出发,基于水热平衡构建可描述大尺度上气候要素、下垫面要素和地表径流3者之间定量关系的流域尺度水文模型。结合假定的气候变化情况和CMIP5气候变化预估成果,评估抚河流域对气候变化的敏感性,并预估2020—2050年期间抚河流域地表径流的变化。结果表明:1)所构建的抚河流域水热平衡模型对年尺度径流模拟效果较好,且模型参数少,计算简单。2)抚河流域对气候变化敏感性相对较低,气温每升高1.0℃,地表径流减少3.6%～6.3%;降水每增加1%,地表径流增加1.7%～1.9%。3)未来抚河流域表现出增温的特点,2020—2050年多年平均气温相对于1961—1990年增加1.1～2.6℃,多年平均降水量的变化存在较大不确定性。在不考虑与其他模式差别较大的GFDL-ESM2M条件下,未来地表径流将减少10%～11%。

关键词：气候变化地表径流水热平衡抚河流域

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水热平衡联系方程的分析与建议

地理科学 1987年第2期7卷 171-178+98页

作者：杨远东长江流域规划办公室水文局汉口

在分析目前各种水热平衡联系方程的基础上,采取了以径流系数a、干早指数尽及特征参数e,来反映气候和下垫面的影响,建立了水热平衡联系方程。方程的形式简单,计算方便,对于短缺资料地区估算陆面蒸发,进行估算径流也是可行的。

关键词：水热平衡联系方程陆面蒸发

拉萨河谷灌丛草原与农田水热平衡及植被水分利用特征

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地理学报 2009年第3期64卷 303-314页

作者：尹志芳欧阳华徐兴良宋明华段德玉张宪洲中国科学院地理科学与资源研究所北京100101

以青藏高原的拉萨河谷下游的灌丛草原和农田为研究对象,在中国科学院拉萨高原生态试验站的农田与附近的灌丛草原开展实验,利用SHAW模型模拟了2004年10月-2005年9月灌丛草原与农田水热平衡以及根系吸水过程。模拟结果经分析得出,(1)农田... 详细信息

以青藏高原的拉萨河谷下游的灌丛草原和农田为研究对象,在中国科学院拉萨高原生态试验站的农田与附近的灌丛草原开展实验,利用SHAW模型模拟了2004年10月-2005年9月灌丛草原与农田水热平衡以及根系吸水过程。模拟结果经分析得出,(1)农田所接收的净辐射比灌丛草原要多,农田接收的能量大部分以潜热形式支出,全年的波文比为0.29;而灌丛草原的波文比为0.89。灌丛草原全年的潜热通量是农田的53%,具有一定的抑制蒸散发的功能。(2)农田耗水量是灌丛草原的1.8倍。农田由于大量的灌溉造成较大的渗漏损失,同时也增加了土壤蒸发这一无益损耗。(3)深层土壤水向上的补给与根系吸水两方面的模拟都表明,灌丛草原的植被比农田能更大程度地利用深层土壤水。

关键词：拉萨河谷灌丛草原农田 SHAW模型水热平衡根系吸水

基于水热平衡原理的塔里木河下游绿洲适宜规模分析

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干旱区地理 2012年第5期35卷 806-814页

作者：曹志超王新平李卫红叶朝霞郭斌中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室新疆乌鲁木齐830011 中国科学院研究生院北京10049 塔里木河流域管理局新疆库尔勒841000

结合近40 a水文气象资料,基于水热平衡原理,构建模型,分析和讨论了20世纪70、80、90年代以及2000年以来塔里木河下游绿洲适宜规模与耕地面积,并结合相应不同时期的遥感影像,对各时期实际绿洲规模进行了比较。结果表明:近40 a来,塔里木... 详细信息

结合近40 a水文气象资料,基于水热平衡原理,构建模型,分析和讨论了20世纪70、80、90年代以及2000年以来塔里木河下游绿洲适宜规模与耕地面积,并结合相应不同时期的遥感影像,对各时期实际绿洲规模进行了比较。结果表明:近40 a来,塔里木河下游绿洲适宜规模和耕地规模趋于收缩,但2000年以后有所扩大;20世纪80年代的绿洲耕地面积与计算得出的适宜耕地规模基本平衡,之后严重超出绿洲承载能力,2009年超出幅度达1.22×10~4 hm^2;耕地面积过大已导致塔里木河下游绿洲进入了不稳定状态,当前应采取措施适度缩小绿洲规模,并及时有效地控制耕地面积。

关键词：绿洲适宜规模水热平衡模型分析塔里木河下游

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全球陆地生态系统水热平衡规律研究进展

世界林业研究 2002年第1期15卷 19-28页

作者：王兵刘世荣崔向慧白秀兰中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所北京100091

陆地生态系统水热平衡问题是研究气候和小气候形成及其变化机制的重要问题 ,也是维持现有陆地生态系统平衡稳定以及退化生态系统恢复的关键。文中较系统地分析总结了国内外陆地生态系统水热平衡规律的最新研究进展 ,并从系统观点出发 ,... 详细信息

陆地生态系统水热平衡问题是研究气候和小气候形成及其变化机制的重要问题 ,也是维持现有陆地生态系统平衡稳定以及退化生态系统恢复的关键。文中较系统地分析总结了国内外陆地生态系统水热平衡规律的最新研究进展 ,并从系统观点出发 ,评述了不同类型陆地生态系统水热平衡研究的若干方法 ,阐述了土壤 -植物 -大气连续体 ( SPAC)系统水热平衡规律的研究进展。

关键词：陆地生态系统水热平衡 SPAC系统耦合模拟生态恢复气候形成气候变化

基于水热平衡关系的城市水库可供水量计算模式

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水文 2010年第5期30卷 49-52页

作者：房明惠蒋蓉张国义宴宏马露瑶中国科学技术大学地球和空间科学学院安徽合肥230026 水利部水文局北京100053 国家高性能计算中心安徽合肥230026

本文以凯江蒸发模式为基础,利用气象观测资料,根据水热平衡关系建立了适合于合肥地区的陆面蒸发模式,并利用此模式估算并验证合肥董铺水库的可供水量。结果表明,利用此模式计算年供水量为7 150×104m3,与其实际供水量6 900×104m3相比,... 详细信息

本文以凯江蒸发模式为基础,利用气象观测资料,根据水热平衡关系建立了适合于合肥地区的陆面蒸发模式,并利用此模式估算并验证合肥董铺水库的可供水量。结果表明,利用此模式计算年供水量为7 150×104m3,与其实际供水量6 900×104m3相比,精度为96.4%,表明了此模式在城市供水型水库可供水量计算中的实用性。

关键词：水热平衡城市水库可供水量