Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 6 doc

Nếu sự bao phủ của thực vật và các đặc tính ẩm của đất cũng biến đổi mạnh trong mỗi lần đo đạc, thì giá trị của quá trình bốc thoát hơi nước sẽ biến đổi nhiều hơn như đã được Tanner 1967

Chương 6

Quá trình bốc thoát hơi nước

6.1 Giới thiệu 371

6.2 Triển vọng 372

6.3 Nguyên lý của bốc thoát hơi 374

6.4 Các phương pháp nghiên cứu quá trình bốc thoát

hơi nước tiềm năng 378

6.5 Quá trình bốc thoát hơi nước của cây 403

6.6 Quá trình bốc hơi nước trong đất 414

6.7 Các phương pháp ET thực tế 415

Tài liệu tham khảo 426

Quá trình bốc thoát hơi nước

Dòng nước bốc hơi chuyển một lượng lớn nước từ đất trở lại khí quyển Trong những vùng ẩm có khoảng 750 đến 900 mm nước/năm có thể được bốc hơi Trong những khu vực hơi ẩm ít, chỉ nhận được giáng thuỷ tự nhiên và bề mặt khô hơn, thì từ 550 đến 700mm nước /năm, thường là bốc hơi từ bề mặt thực vật ở những vùng khô hơn, nơi mà nhu cầu bốc hơi thậm chí còn lớn hơn, thì phần lớn lượng mưa, nếu không nói là tất cả đều quay về khí quyển thông qua quá trình này Leupold và Langbein (1960) đã ước lượng rằng khoảng 70 % mưa trên nước Mỹ đều quay trở lại khí quyển thông qua quá trình ET

Việc dự báo một cách chính xác ET theo không gian và thời gian là rất cần thiết trong các mô hình thuỷ văn lưu vực nhỏ Sự trữ ẩm của đất được quyết định bởi sự khác nhau giữa sự quá trình thấm và ET: nhưng ngược lại sự thẩm thấu, quá trình thấm, quá trình bốc hơi và những biến thuỷ văn khác

đều phụ thuộc vào trữ lượng và sự phân bố ẩm trong đất ảnh hưởng quan trọng của ET đối với thuỷ văn đã được công bố và thảo luận bởi các nhà khoa học Woolhiser (1971, 1973), Mc Guinness và Harold (1962), Kniseletal (1969) Parmele (1973) Tuy nhiên, Betson (1973) đã lưu ý rằng dù không có khả năng

ước lượng một cách chính xác ET, nhưng như thế cũng không có nghĩa là không thừa nhận một số kết quả thực tế của mô hình thuỷ văn

Mặc dù ET biến đổi tại mỗi điểm trên lưu vực và không ngừng trong ngày, nhưng giá trị ET trung bình ngày thường thích hợp cho những yêu cầu của khu vực nhỏ Những biến khí hậu thường không biến đổi đáng kể trên những khu vực nhỏ mà quan trọng là những thay đổi lớn trong cây trồng và

đất Trong những thảo luận tiếp theo, chúng ta công nhận rằng những yêu cầu theo không gian và thời gian của những chi tiết quan trọng có thể được đơn giản hoá, lấy trung bình hoặc bỏ qua tuỳ theo yêu cầu cho việc dự báo thuỷ văn

Dự báo bốc thoát hơi từ các lưu vực nông nghiệp yêu cầu quan tâm đến nhiều biến: khí quyển, đặc điểm thực vật và các thông số về đất Một vài phương pháp ước lượng tốt thường tránh xem xét trực tiếp một vài hay phần lớn các nhân tố đó, mà thường xem xét theo những tổn thất chi tiết, tính chính xác và các điều kiện Khi một người làm mô hình chọn lựa từ một vài phương pháp sẵn có nào đó, anh ta phải suy xét một cách cẩn thận mục đích của mình

Ví dụ, một mô hình dự báo tốc độ dòng chảy cực đại từ một lưu vực nhỏ thì không cần một phương pháp dự báo ET chi tiết và toàn diện Chương này nhằm giúp những người làm mô hình hiểu về cơ chế của ET và lựa chọn một cách hợp lý các phương pháp dự báo khác nhau

6.2 Triển vọng

Trong lịch sử thì vận chuyển nước trở lại khí quyển đã lôi cuốn các nhà khoa học nghiên cứu từ rất sớm (Biswas, 1970) Năm 346 trước công nguyên khi Aristotle viết luận thuyết đầu tiên về khí tượng, sự bốc hơi đã được xem là liên quan hoàn toàn tới nguồn nhiệt mặt trời (Biswas, 1970, p.65) Leonardo de Vinci cuối thế kỷ 15 đã viết : “Nơi có sự sống là có nhiệt, và khi có nhiệt là có sự chuyển động của hơi nước” (Biswas, 1970) Đến cuối thế kỷ 18 thì sự bốc hơi

trong các bể đã được đo đạc nhiều như ngày nay, năm 1795, Dalton đã xây dựng một thùng đo ẩm hoàn chỉnh trong đo đạc dòng chảy và thoát nước (Biswas, 1970, p.275)

Thế kỷ 19 là một thời kỳ của những quan trắc khoa học như của Fitzgerald (1886), người đã phát hiện ra nhiều đại lượng và biến số quan trọng liên quan tới sự bốc hơi ở bể bốc hơi và hồ Rohwer (1931) đã công bố những nghiên cứu tương tự Thornthwaite và Holzman (1942) đã phát biểu về đặc

điểm của những kỹ thuật thuỷ văn đầu thế kỷ 20 như sau: “Mặc dù thực tế việc

đo đạc lượng bốc hơi trở nên rất cần thiết khi mà việc đo đạc lượng mưa, dòng chảy và thấm đã được cải thiện nhưng nó vẫn là gần như không thể” Robinson

và Johnson (1961) đã tổng kết lịch sử về sự nghiên cứu bốc hơi và bốc thoát hơi

ở Mỹ từ những năm đầu thế kỷ 19 (Robinson và Johnson, 1961)

Sự phát triển trong ba thập kỷ qua đã đạt được thành tựu quan trọng Thời kỳ này được bắt đầu bởi những công trình nghiên cứu lý thuyết, như của Penman (1948), trong đó ông đã nghiên cứu sự kết hợp của sự dự trữ năng lượng theo chiều thẳng đứng với ảnh hưởng của vận tốc gió theo phương ngang

và các nghiên cứu ẩm kế như của Harrold và Dreibelbis (1958, 1967) đã xác

định những ảnh hưởng của các đặc tính cây trồng Tanner và Fuchs (1968), Van Bavel (1966), Monteith (1965) - Rijtema (1965) và những người khác đã biến đổi và phát triển mô hình Penman bằng việc đưa vào ước lượng trực xạ tổng cộng và phát triển thuyết profile gió Tác động của thực vật lên ET đã

được khảo sát kỹ lưỡng và công bố bởi Gates và Hanks (1967), Kozlowski (1968), Montheith (1976) và nhiều người khác Rễ cây và độ ẩm của đất cũng nhận được sự quan tâm đáng kể trong những năm gần đây

Wantena (1974) đưa ra một bản tóm lược khá tiện lợi những nghiên cứu

về ET trong thế kỷ qua Ông đã kết luận rằng, mặc dù kết quả không được khả quan, nhưng một số vấn đề cơ bản đã được giải quyết, ví dụ như những tác

động chuyển động rối của không khí, ảnh hưởng của dung tích nước trong đất

và phát triển rễ Bất chấp những điều đó và những hạn chế khác, chúng ta vẫn

có thể thực hiện được nhiều dự báo có ích cho thuỷ văn và hệ thống thuỷ lợi

Chúng ta bắt đầu có một khái niệm về ET từ bề mặt thực vật là kết quả của một số quá trình như trao đổi bức xạ, vận chuyển hơi nước, và tăng trưởng

sinh học, hoạt động bên trong một hệ thống có liên quan đến khí quyển, cây trồng và đất Do đó nhiều những nghiên cứu hiện nay và sự phát triển của những phương pháp dự báo đưa đến hoặc chấp nhận những biến bên trong hệ thống đó Những mô hình được công bố bởi Saxton và các cộng sự (1974), Ritchie (1972), van Keulen (1975), Hanks và một số người khác (1967), Baier (1973), Lemon và các cộng sự (1973) và van Bavel cùng với Ahmed (1976) là những ví dụ điển hình của các tổ hợp những hệ thống đó

6.3 Nguyên lý của bốc thoát hơi

Quá trình bốc thoát hơi từ bề mặt thực vật yêu cầu năng lượng đầu vào, lượng ẩm có sẵn và quá trình vận chuyển từ bề mặt vào khí quyển Dòng thông lượng ẩm bị giới hạn bởi một hay nhiều những điều kiện cần thiết trên đây Một số nhà nghiên cứu đã cung cấp được những mô tả tốt của những biến cơ bản quyết định đến tốc độ của ET (Tanner, 1957, Goodell, 1966, Penman và các cộng sự, 1967; Gray, 1970; Campbell, 1977) Vì ET là một quá trình biến đổi trạng thái của nước, nó đòi hỏi một lượng năng lượng lớn Tại một giá trị danh nghĩa là 580 cal/ g-1, quá trình thoát hơi hàng ngày của 5 mm nước sẽ cần đến 43.1 triệu Btu, hoặc một lượng tương đương khoảng 4480 kg/ha than đá Bức xạ mặt trời thường xuyên cung cấp từ 80 đến 100 % nguồn năng lượng này, và cũng thường là nhân tố khống chế quá trình thoát hơi nước

ở những khu vực nông nghiệp không có hệ thống thuỷ lợi, lượng nước sẵn có cho quá trình bốc hơi nước từ thực vật và mặt đất cũng thường hạn chế quá trình thoát hơi Do đó, tốc độ của quá trình thoát hơi nước bị hạn chế liên quan đến tốc độ khuyếch tán của nước trong đất lên bề mặt đất và đến rễ cây

và qua hệ thống thực vật Trong những trường hợp đó, năng lượng bức xạ mặt trời hấp thụ (phản xạ âm) vượt quá yêu cầu lượng chuyển hoá nước bị tiêu phí ban đầu bởi sự tăng hiện nhiệt của không khí và đất

Quá trình vận chuyển khí động lực của hơi nước lên trên từ bề mặt bốc hơi đối với phần lớn trạng thái bề mặt thường không làm hạn chế quá trình thoát hơi nước Mặc dù trên đất và bề mặt thực vật luôn tồn tại sự khuyếch tán phân tử, nhưng khuyếch tán rối chiếm ưu thế hơn, nguyên nhân chủ yếu là do ứng suất của gió cũng như bởi đối lưu nhiệt trong điều kiện tĩnh Sự khuyếch

tán của hơi nước từ đất và bề mặt thực vật và cấu trúc bên trong của chúng là rất phức tạp khi nghiên cứu một cách chi tiết, nhưng là thiết yếu đối với cơ chế của quá trình thoát hơi nước

Quá trình bình lưu (khuyếch tán theo phương ngang) của dòng hiển nhiệt từ nơi có năng lượng cao đến nơi có năng lượng thấp là một nguồn cung cấp năng lượng quan trọng khác đối với quá trình thoát hơi nước Điều này thường được gọi là “đường thoát” hay hiệu ứng “ốc đảo“ và sự phát triển ẩm theo hướng gió đi xuống ở vùng sa mạc khô là một ví dụ minh hoạ tốt nhất, như trong báo cáo của Davenport và Hudson (1967) Những ảnh hưởng trực tiếp của bình lưu thường được bắt gặp trong những tình huống ít quan trắc và trên những khu vực rộng lớn

Hình 6.1 Lượng ET thực tế hàng ngày đ∙ tính cho đồng ngũ cốc phía tây Iowa (Saxton cùng

và cây trồng có thể là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi lớn của quá trình bốc thoát hơi nước Sự biến đổi của cây trồng và thổ nhưỡng trên một khu vực sẽ

được giải quyết hoặc bằng cách xem xét một cách độc lập những sự tổ hợp chính hoặc những trung bình quy mô lớn Một vài giá trị trung bình theo

không gian là ẩn trong tất cả ước lượng quá trình thoát hơi nước và người sử dụng phải công nhận và xác định khả năng ảnh hưởng đối với việc ứng dụng

Số liệu hàng ngày của quá trình bốc thoát hơi nước được thể hiện trong hình 6.1 biểu hiện sự phân bố hàng năm và sự biến đổi hàng ngày của những giá trị quá trình thoát hơi nước Một tổng kết của những số liệu tượng tự được chỉ ra trong hình 6.2 đối với các giá trị ngày trong một thời kỳ 10 năm đã thu

được cho quá trình phát triển của các cánh đồng cỏ thường xuyên được tưới và

được cắt (từ 8 đến 10 cm) ở Davis, CA Sự biến đổi hàng ngày khá lớn trong mỗi tháng chứng minh trạng thái động lực của các giá trị ET Nếu sự bao phủ của thực vật và các đặc tính ẩm của đất cũng biến đổi mạnh trong mỗi lần đo đạc, thì giá trị của quá trình bốc thoát hơi nước sẽ biến đổi nhiều hơn như đã được Tanner (1967, p 557) minh hoạ, sử dụng số liệu của Coshocton, OH Những số liệu này và nhiều số liệu khác đã chứng minh được sự biến đổi khác nhau và phức tạp của quá trình bốc thoát hơi nước

Hình 6.2 Phân bố tần suất của bốc thoát hơi hàng ngày của b∙i cỏ lưu niên (tháng 7 tháng 9 1963) và cỏ Alta Fescue (tháng 6 1964-tháng 11 1969) (Pruitt cùng cộng sự, 1972b)

Hệ thống khí quyển, đất, thực vật có thể được biểu hiện dưới dạng giản

đồ ở hình 6.3 Trong quỹ đạo di chuyển của nước được minh hoạ, quá trình bốc

thoát hơi nước là một thành phần quan trọng nữa của cán cân nước sau lượng mưa Sự tương tác của quá trình bốc thoát hơi nước với các thành phần khác như profin ẩm của đất và rễ cây, đặc tính động lực của các thành phần đó theo thời gian có thể tìm được một cách dễ dàng khi lượng nước của hệ thống này

được tính toán

Nhiều phương pháp ước lượng quá trình bốc thoát hơi nước, dù là đối với mô hình thuỷ văn hay điều tiết thuỷ lợi, theo một khái niệm của một cột nước thẳng đứng trong hệ thống như ở hình 6.3 Nói chung, thủ tục đầu tiên để ước lượng hoặc đo đạc khả năng quá trình bốc thoát hơi nước được dựa trên những nhân tố khí tượng, sau đó tính toán tổng lượng của khả năng đó mà được tận dụng bởi quá trình quá trình bốc thoát hơi nước thực tế đưa đến trạng thái hiện thời của những đặc điểm liên quan giữa thực vật - đất và - nước Để áp dụng một thủ tục như vậy đòi hỏi phải quan tâm đến ba tập hợp:

a) Các biến xác định khả năng bốc thoát hơi nước

b) Các đặc điểm của mối quan hệ thực vật – nước

c) Các đặc điểm của mối quan hệ giữa đất và nước

Hình 6.3 Sơ đồ thủy văn của hệ thống đất - thực vật - không khí

Giáng thuỷ (P)

Không khí Bốc thoát hơi (ET)

Dòng chảy mặt (Q)

Độ ẩm đất (Sm)

đất

Phần thấm qua (Pe)

Mỗi vấn đề đó là một chủ đề của ba mục tiếp theo, được tiếp nối bằng mục 4 trong đó các khái niệm được tổ hợp để dự báo quá trình bốc thoát hơi nước thực tế

6.4 Các phương pháp nghiên cứu quá trình bốc thoát hơi nước tiềm năng

Quá trình bốc thoát hơi nước tiềm năng ET hay PET thường được định nghĩa là một đại lượng khí quyển xác định, thừa nhận rằng dòng ET sẽ không vượt quá nguồn năng lượng sẵn có từ bức xạ lẫn các nguồn đối lưu Định nghĩa này của ET phù hợp tốt trong phần lớn các khái niệm mô hình hoá vì nó cho phép xem xét biến khí quyển tách rời khỏi những ảnh hưởng của thực vật và

đất, dù thậm chí sự tương tác và những phản hồi của chúng không cho phép

sự tách rời hoàn toàn

Những kỹ thuật để ước lượng PET được dựa trên một hoặc nhiều biến khí quyển, như bức xạ mặt trời, nhiệt độ, không khí, độ ẩm, hay một vài đại lượng có liên quan đến những biến đó như sự bốc hơi bể Đo đạc trực tiếp hoặc

là dự báo vài biến như thông lượng hơi nước hay thông lượng nhiệt là rất khó khăn và không thực tế đối với phần lớn các ứng dụng Những biến như là tổng lượng bức xạ mặt trời thuần chỉ có thể đo đạc thường xuyên trong vài năm và cũng không phải là một giá trị có sẵn Như là một hệ quả của điều này, phần lớn các biện pháp để ước lượng PET xây dựng các ứng dụng kinh nghiệm của các đo đạc khí quyển hoặc các phương pháp ước lượng những biến không xác

định đó Do các biến khí quyển tương đối bảo toàn theo không gian, nên các ước lượng PET có thể sử dụng cho một số vùng lân cận theo với một sai số rất nhỏ

Đối với phần lớn các ứng dụng thuỷ văn, điều này là cần thiết vì số liệu rất khan hiếm trên những khu vực mà chúng ta cần nghiên cứu

Những mục tiếp theo điểm lại một cách tóm tắt một vài phương pháp

được ứng dụng thường xuyên cho việc ước lượng PET Các kỹ thuật ước lượng

đối với các chu kỳ ngắn hơn một ngày thường yêu cầu những số liệu dày hơn hoặc có thể xem xét hiệu chỉnh theo ngày Như là một kết quả, chúng ta sẽ nhấn mạnh các kỹ thuật sử dụng các số liệu đầu vào thông thường cho những chu kỳ 1 ngày hoặc dài hơn

6.4.1 Bốc hơi bể

Bốc hơi được đo đạc từ một lòng chảo nông là một trong những phương pháp ước lượng PET lâu đời nhất và phổ biến nhất Nó là một sự tích phân gián tiếp những biến khí quyển chủ yếu, liên quan đến ET Đưa ra một vài tiêu chuẩn về hình dạng lòng chảo, các thiết lập môi trường, và cơ chế hoạt động, chúng ta đã phát triển được một sự tương quan tốt giữa EP và PET bằng một mối quan hệ đơn giản:

trong đó CET là một hệ số

Những hệ số bốc hơi bể là cần thiết vì quá trình bốc hơi đối với một bể nói chung là nhiều hơn là đối với các bề mặt thực vật giàu ẩm hoặc thậm chí là một cái ao, do được chiếu sáng nhiều hơn và phản xạ bức xạ mặt trời thấp hơn

Bể bốc hơi loại A của Cục Thời tiết Mỹ là một bể kim loại đường kính 122cm, cao 25 cm và đáy được nâng lên khoảng 10 cm so với đất xung quanh Như vậy, nó có khả năng nhận và sử dụng năng lượng khí quyển lớn hơn là những

bề mặt rộng hơn nhưng ít được chiếu sáng hơn và nước trong bể thường trở nên hơi ấm Những hệ số này bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh bể, độ

ẩm tương đối, đà và tốc độ gió (Jensen, 1973 tr 74; Hanson & Rauzi, 1977) Khi những biến này thay đổi, giá trị của CET có thể dao động trong khoảng từ 0,5 đến 0,8 Tuy nhiên, với thời gian là một vài ngày và loại trừ các trường hợp

đặc biệt hoặc bất thường, một giá trị ổn định hơn rất nhiều sẽ chiếm ưu thế Nhiều ví dụ của hệ số bốc hơi bể đã được tìm thấy trong nhiều bài báo và sách

đã được xuất bản (Hargreaves, 1966; Richardson & Ritchie, 1973, Saxon và cộng sự, 1974a)

Mặc dù những giá trị hệ số đặc trưng đối với những ứng dụng cho bất kỳ một vùng hoặc bể nào có thể phải được tìm bằng cách hiệu chỉnh, nhưng các giá trị đại biểu trong những nghiên cứu khác sẽ cung cấp một định hướng cần thiết Các giá trị trung bình tháng được Jensen (1973, tr.79) biểu diễn bằng đồ thị đối với 10 vùng lớn riêng biệt trên thế giới Đối với 8 địa điểm có thảm thực

vật đồng nhất, các hệ số trung bình hàng năm biến đổi từ 0,72 đến 0,83 và trung bình bằng 0,77

Một vài nhà nghiên cứu đã thu được những kết quả tốt nhất bằng cách

áp dụng các hệ số biến đổi theo mùa như được chỉ ra trong bảng 6.1 Sự biến

đổi theo mùa này chỉ phản ánh sự khác nhau trong phản hồi khí hậu giữa sự bốc hơi bể và bề mặt thực vật và không có những ảnh hưởng khác như quá trình trưởng thành của cây trồng hoặc ứng suất ẩm Đối với nhiều ứng dụng thuỷ văn, chúng ta có thể sử dụng giá trị trung bình năm từ 0,70 đến 0,80 với

nước hiệu dụng trung bình Điều này là đặc biệt chính xác đối với thiết kế thuỷ lợi và ước lượng nhu cầu dùng nước (Blanley, Criddle 1966, Hargreaves 1966)

Đo lường hay ước lượng bốc hơi bể là sẵn có từ các trạm phát báo của Cục thời tiết Mỹ, các đài nghiên cứu, các văn phòng khí tượng của những cơ quan khác Phần lớn các số đo là từ sự chuẩn hoá bể bốc hơi loại A của Cục thời tiết Mỹ, mặc dầu có nhiều kiểu bể bốc hơi được sử dụng như bể chìm, bể có mái,

bể nổi, và bể cách ly Số liệu từ mỗi một bể là duy nhất và liên quan đến PET bằng một chuỗi các thông số

Bản đồ tổng quát hoá của sự bốc hơi bể loại A và hồ đã được xây dựng để

ước lượng các điều kiện trung bình Kohler và các cộng sự (1955), và Nordenson (1962) đã cung cấp những bản đồ và sự phân bố theo mùa Chúng cũng được thể hiện bởi Veihmeyer (1964)

Các phương pháp tính toán sự bốc hơi bể từ các số liệu khí tượng được

đưa ra bởi Penman (1955), Christiansen (1966, 1968) và Kohler cùng với Parmele (1967) Phương pháp của Christiansen (1968) liên kết sự bốc hơi bể,

EP , với bức xạ năng lượng mặt trời bên ngoài trái đất, RT bằng mối liên hệ:

Ep = 0.324 Rt CT CW CH CS CE (6.2)

hoặc với năng lượng bức xạ mặt trời đi vào Rs bởi công thức:

Giá trị hàng tháng của bức xạ mặt trời tại đỉnh của khí quyển Rt đã

được tính toán tại những vĩ độ khác nhau và bảng 6.2 là một ví dụ ngắn gọn Bức xạ mặt trời đi vào RS được đo tại nhiều trạm khí tượng cấp I và có đơn vị là cal /cm2/ngày, nó phải chia cho quá trình ẩn nhiệt hóa hơi (584,9cal/g tại 20oC)

để thu được các độ sâu tính theo cm Các hệ số của phương trình 6.2 và 6.3 thu

được bằng các mối quan hệ sau:

Bảng 6.2 Giá trị hàng tháng của bức xạ mặt trời tại đỉnh của khí quyển R t trong thể thống

nhất của bề dày tương đương của bốc hơi (cm) ở 20 0 C *

Vĩ độ Jan Feb Mar Apr May June July Aug Sept Oct Nov Dec

Hiển nhiệt (A)

Bốc hơi (LE)

Bốc hơi

Bốc hơi tán cây

Thay đổi nhiệt độ Thay đổi độ ẩm Quang hợp (X)

đất Nhiệt của đất (S)

S là tỉ lệ phần trăm lượng ánh sáng mặt trời trung bình được biểu diễn dưới dạng thập phân

6.4.2 Cán cân năng lượng

Các phương pháp ước lượng PET dựa trên cán cân năng lượng theo chiều thẳng đứng của bề mặt thực vật có một cơ sở vật lý, vì năng lượng giới hạn quá trình bốc hơi ở nơi mà nguồn ẩm dồi dào và sự vận chuyển hơi nước xảy ra Hình 6.4 cho thấy những thành phần chính của cán cân năng lượng, hình thành cơ sở cho một vài phương pháp sử dụng cách tiếp cận này Ngoại trừ một

số trường hợp có quá trình bình lưu đáng kể như ở rìa cánh đồng và hiệu ứng

ốc đảo, các thành phần theo phương ngang thường được bỏ qua Cán cân năng lượng (thứ nguyên là cal/cm2/phút) của những thành phần theo phương thẳng

đứng chính, trừ những điều chú ý trên, có thể được biểu diễn như sau:

A là hiển nhiệt của không khí

LE là ẩn nhiệt của hơi nước

L là ẩn nhiệt của quá trình hoá hơi, cal/cm2 hoặc cal/ g-1 và

E là độ dày của lớp nước có thể bốc hơi, cm3/cm2/phút

S là nhiệt của đất

X như là lượng trữ nhiệt không khí và thực vật, và các quá trình quang hợp

Tanner (1957) đã khái quát hoá cán cân năng lượng đối với các bề mặt

sử dụng nông nghiệp, và Brown và Covey (1966) đã chứng minh việc sử dụng cách tiếp cận này đối với cánh đồng ngô

Hình 6.5 Phân bố hàng ngày của bức xạ thuần và mặt trời, bốc thoát hơi và thông lượng đất

cho lớp đất cỏ được tưới tốt cao 10-15 cm (Pruitt, 1964)

Davis, Calif 06/08/1961

Bức xạ mặt trời

Bức xạ thuần

Thời gian

Hình 6.5 biểu diễn sự phân bố điển hình hằng ngày và độ lớn tương đối của một vài số hạng trong phương trình 6.9 Một phần của lượng bức xạ đi vào (Rs+ Rl) được toả ra hoặc phản xạ lại (aRs + Rlr), cung cấp sự cân bằng bức xạ tổng (Rn) Dòng nhiệt đất sử dụng rất ít năng lượng có sẵn vào ban ngày và nó phần lớn được cân bằng với lượng bức xạ bị tổn thất vào ban đêm Kết quả là quá trình bức xạ tổng được sử dụng chủ yếu trong ET hoặc lượng nhiệt hiện, nơi mà nước tồn tại dễ dàng trên bề mặt, như trường hợp được thể hiện trong hình 6.5 trong đó ET sử dụng khoảng 80% Rn Nếu không có đủ nước, ET sẽ giảm và thành phần nhiệt hiện sẽ tăng Đối với trường hợp năng lượng được trao đổi theo phương ngang thì ET có thể vượt quá Rn, vì trong trường hợp này

Rn không phải là nguồn năng lượng chính duy nhất

Nhận thấy rằng các số hạng A và LE có bậc đại lượng lớn hơn rất nhiều các số hạng S và X , Bowen ( 1926) đề xuất việc sử dụng tỉ số giữa nhiệt ẩn và nhiệt hiện:

trong đó β thường được thay bằng tỉ số Bowen Phương trình (6.9) với S và X

được bỏ qua và thay vào phương trình (6.10) , phương trình (6.10) sẽ trở thành

β+

Sự tương quan giữa Rn với PET là cơ sở cho một vài kỹ thuật ước lượng Một sự tương quan điển hình thể hiện trong hình 6.6 đối với các giá trị ngày từ một đồng cỏ giàu ẩm ( Pruitt, 1964) cho thấy ET tiến gần đến hoặc nhỏ hơn rất

ít so với Rn, điều này sẽ chấp nhận được nếu cân bằng năng lượng theo phương thẳng đứng được duy trì Những ngày có thành phần bình lưu chiếm ưu thế thì thường lệch đáng kể so với đường thẳng hồi qui Saxton và các cộng sự (1974a,b) đã đưa ra một mối quan hệ tương tự giữa bức xạ tổng và PET được tính bằng phương pháp kết hợp, và Rosenberg (1972) đã đưa ra những giá trị của tỉ số LE/Rn Trong mọi trường hợp, mức độ phân tán do những ảnh hưởng khác là đáng chú ý Graham và King (1961) công bố những kết quả hoàn toàn tương tự khi thử nghiệm trên cánh đồng ngô gần Guelph, Ontario Số liệu mà Rosenberg lấy từ Nenbraska cho thấy PET ổn định hơn Rn biểu diễn trong các thành phần bình lưu ngang thường được tìm thấy tại vùng đó (Rosenberg 1969) Van Bavel (1967), trong khí hậu sa mạc của Phoenix , AR tìm thấy LE

trong cỏ linh lăng cao hầu như là vượt quá Rn ở hầu hết các ngày Ritchie (1971) chỉ ra rằng tỉ số LE/Rn gần bằng 1.0 đối với các cây trồng ở bang Texas sau khi các tán cây gần như đã phát triển đầy đủ

Mối quan hệ của Rn với quá trình bốc hơi bể trong hình 6.7 đã biểu thị rằng cả hai biến đó đều là cơ sở cho việc ước lượng PET Tuy nhiên, độ nghiêng của đường thằng hồi qui không đồng nhất, do đó đòi hỏi các hệ số để liên kết Rn

và quá trình bốc hơi bể với PET

Hình 6.6 ET hàng ngày đối với cỏ được tưới ngược với bức xạ thuần (Pruitt, 1964)

Davis, Calif Tháng 7-Tháng 12 năm 1960

Và RS bức xạ mặt trời (cm/ngày )

Phương pháp Jensen - Haise được gắn liền với PET đối với những cánh

đồng đang trồng những loại cây như cây linh lăng, hệ số của các cây trồng khác được Cục Khai hoang Hoa kỳ phát triển để sử dụng cho các thiết kế thuỷ lợi (Robb,1966) Các ứng dụng khác đã được sử dụng trong các điều tiết thuỷ lợi (Jensen, 1973)

Hình 6.7 Bức xạ thuần trên cỏ so sánh với bốc hơi lòng chảo loại A, phía tây Iowa, 15 tháng 3

Bốc hơi lòng chảo, inch/ngày

Turc (1961) đã đề xuất một phương trình tương tự cho PET, dựa vào lượng bức xạ và nhiệt độ :

T là nhiệt độ tính bằng C, Rn tính bằng mm và PET có đơn vị là mm/tháng Aslung (1974), sử dụng những số liệu tại các khu vực ở gần Copenhagen, đã tìm ra được những mối quan hệ tuyến tính chặt chẽ giữa cả

ET và năng suất cây trồng với bức xạ toàn cầu

Việc thu được những giá trị bức xạ tin cậy bằng cách đo hay ước lượng thường trở thành chìa khoá cho những ứng dụng thành công của phương pháp

dự trữ năng lượng Đo đạc bức xạ trực tiếp thường có hai cách: a) Tổng năng lượng mặt trời đi vào RS, (ví dụ bằng dụng cụ đo nhiệt mặt trời Epply) hoặc b) Bức xạ tổng của cả sóng ngắn lẫn sóng dài Rn (ví dụ bằng dụng cụ đo tổng bức xạ Fritchen)

Hình 6.8 Các mối quan hệ giữa đóng góp bức xạ thuần và bức xạ mặt trời đối với các cánh

đồng và địa phương khác nhau

Davis và Buttimore, 1969 trung bình

trạng phát triển của cây trồng, màu đất, mức độ ẩm, thời vụ, và nhiệt độ của

đất, góc mặt trời và các nhân tố khác Davies và Buttimor (1969) đưa ra những mối quan hệ thể hiện trong hình 6.8, những mối quan hệ này được thu thập từ nhiều loại cây trồng và nhiều địa điểm trên thế giới, và đã thu được những kết luận sau: nhiều bề mặt phải tương tự, đủ để chọn các giá trị trung bình có thể khá hữu ích ý nghĩa của những mối quan hệ đó là:

và phương trình này gần như đồng nhất với phương trình 6.14 Saxton (1972)

đã đưa ra mối quan hệ tương tự như trong các phương trình (6.14) và (6.15) Tuy nhiên ông còn có những bước tiến xa hơn khi chỉ ra xu thế mùa của tỉ số

Rn/RS, nó biến đổi từ khoảng 0.4 vào giữa tháng 3 và tháng 11, đến khoảng 0.5 vào giữa tháng 7 Reifsnyder và Lull (1975), Stanhill và các cộng sự (1966), Fritschen (1967), Linacre (1968), Idso (1971), Fitzpatrick và Stern (1973), và Coulson(1975) đã công bố những số liệu và các bản tổng kết khác về mối quan

hệ giữa tổng xạ và bức xạ mặt trời

Tỷ lệ của bức xạ mặt trời đi vào khi đạt đến mặt phẳng nghiêng tại mặt

đất phụ thuộc vào sự phức tạp giữa dạng địa hình và điều kiện thiên văn, sự tương tác của chúng khi bức xạ xuyên qua quãng đường khoảng 150 km của khí quyển trái đất Mặt trời cung cấp một lượng bức xạ trung bình là 1.94 ly/phút vào thiên đỉnh với sự biến đổi từ 2.01 vào ngày 21 tháng 12 đến 1.88 ly/phút ngày 21 tháng 6 do sự thay đổi khoảng cách giữa mặt trời và trái đất Hầu như lượng bức xạ này bị hấp thụ hết và phân tán khi nó đi vào khí quyển

bởi tầng ozôn, hơi nước, cacbon dioxit, bụi và các phần tử khí Nếu RS không

được đo với một khoảng cách hợp lý từ khu vực chúng ta đang quan tâm, thì

các phương pháp ước lượng các giá trị dựa trên hằng số mặt trời sẽ được mô tả

bởi Frank và Lee(1966), Ashrae (1974), Coulson(1975), Hanson (1976),

Thompson (1976), và Reufeim (1976)

Phương pháp Christiansen (1976) (phương trình (6.2)) biểu diễn sự cân

bằng bức xạ kinh nghiệm bằng việc giải quyết mối quan hệ hình học cho xác

định vị trí với số liệu như trong bảng 6.2, sau đó điều chỉnh cho các điều kiện

khí quyển 32% lượng bức xạ mặt trời tiềm năng sẽ đến được bề mặt trái đất

trong một tháng trên một mặt nằm ngang

Bảng 6.3 ảnh hưởng của hướng và phạm vi trong tổng lượng bức xạ mặt trời tiềm năng

hàng năm, R SP , được thừa nhận bởi A SURFACE, THOUSANDS OF LANGLEYS *

* Biên soạn từ Fank và Lee (1966) Bức xạ tiềm năng được định nghĩa là sự

hướng vào của chùm ánh sáng không cùng với sự nóng lên của khí quyển

Bảng 6.4 ảnh hưởng của hướng và thời gian trong tổng lượng bức xạ mặt trời tiềm năng hàng năm, R SP , được thừa nhận bởi A SURFACE, THOUSANDS OF LANGLEYS *

Vĩ độ Ngày Hướng độ dốc 10% Theo chiều ngang bề mặt

* Biên soạn từ Fank và Lee (1966) Bức xạ tiềm năng được định nghĩa là sự hướng vào của chùm

ánh sáng không cùng với sự nóng lên của khí quyển

Độ nghiêng và hướng của một mặt phẳng tại bề mặt trái đất có thể đưa

đến một sự biến đổi đáng kể cho lượng bức xạ tới khi được so sánh với một mặt

phẳng ngang Một lưu vực bao gồm vô số những bề mặt riêng lẻ, nhưng ảnh hưởng của hướng và độ dốc trung bình có thể được xác định trong hoàn cảnh tất cả lượng bức xạ đi vào phải qua một mặt phẳng được xác định bởi các điểm trên biên của lưu vực, do đó một mặt phẳng riêng lẻ này có thể được sử dụng

đối với một vài mục đích Độ dốc và hướng sẽ đặc biệt quan trọng đối với những lưu vực tương đối nhỏ và dốc Frank và Lee (1966) đã đưa ra nhiều biện pháp tính toán các ảnh hưởng của độ dốc đối với bức xạ mặt trời Bảng 6.3 và 6.4 tóm tắt sự tương tác giữa độ dốc, hướng, thời gian trong năm, và vĩ độ Gloyne (1965), Jackson (1967), và Romanova (1974) đã đưa ra các phương pháp toán học và địa lý

6.4.3 Các phương pháp nhiệt độ

Có một vài sự tương quan giữa các biến khí hậu gây ra PET và nhiệt độ của không khí Và nhiệt độ không khí là một trong những biến khí hậu sẵn có nhất Một vài phương pháp được phát triển để dự báo PET dựa trên nhiệt độ trung bình hay tích luỹ nhiệt độ các ngày (Veihmeyer, 1964, bảng 11-2)

Phương pháp Blaney-Criddle (1966) đã được áp dụng rộng rãi cho các thiết kế thuỷ lợi ở miền tây nước Mỹ Phương trình cơ bản là

100

813t7.45kp

u= +

(6.16)

trong đó

u = sự bốc thoát hơi nước hàng tháng tính toán (mm)

k = hệ số tiêu thụ nước kinh nghiệm

p = tỷ lệ phần trăm trung bình tháng của thời gian ban ngày trong một năm

(Jensen, 1973, trang 84) Phương pháp này được phát triển cho các điều kiện thuỷ lợi khi độ ẩm đất không hạn chế

Pelton và cộng sự (1960) đã công bố một sự đánh giá các phương pháp dựa vào nhiệt độ Thí nghiệm đã cho thấy rằng các kết quả của phương pháp dựa trên sự dự trữ năng lượng tốt hơn các phương pháp dựa vào nhiệt độ, và chúng ta chỉ nên sử dụng phương pháp sau trong trường hợp số hiệu khá hạn chế Các phương pháp nhiệt độ có thể rất có ích trong công trình qui mô lớn nhưng không tốt cho những mô hình ngày biểu diễn các quá trình thuỷ văn

6.4.4 Các phương pháp mặt cắt khí động học

Việc đo lượng nước bốc hơi, khi nó được vận chuyển từ một bề mặt bốc hơi, đưa ra một khả năng về một phương pháp đo đạc ET trực tiếp nhất Các tiếp cận này thường kéo theo việc đo nhiệt độ và áp suất hơi nước của không khí tại hai điểm độ cao hoặc nhiều hơn ở trên cánh đồng xảy ra quá trình bốc hơi nước và một profile vận tốc gió để xác định gradien ẩm và nhiệt độ và sự vận chuyển của gió, hoặc sự thay đổi bất thường của vận tốc theo phương thẳng đứng và độ ẩm tại một độ cao nào đó Tất cả các phương pháp đo đều khá nhạy và đòi hỏi số lượng dữ liệu lớn

Bảng 6.5 Hệ số tiêu thụ nước theo mùa k trong phương trình Blaney-Criddle đối với mùa

tưới ở miền tây nước Mỹ (Blaney và Criddle, 1966)

Cây trồng Độ dài thời vụ hoặc thời kỳ phát triển k

Cỏ linh lăng Giữa sương giáng 0.80 - 0.90

Một nghiên cứu đáng chú ý đã được thực hiện cùng với các công cụ tinh

vi như được mô tả bởi Dyer (1961), cho phương pháp truyền khối lượng dòng xoáy hoặc nghiên cứu của Parmele và Jacoby (1975), cho những phép đo tỉ số

Bowen Chúng ta đã thu được những kết quả tốt khi nó được so sánh với thùng

đo mưa, hạn chế về thiết bị và kỹ thuật để đo đạc thủy văn hoặc dự báo nên các phương pháp trên mới được ứng dụng cho các công việc nghiên cứu

6.4.5 Phương pháp kết hợp

Cả phương pháp cán cân năng lượng theo chiều thẳng đứng và các phương pháp khí động lực đều không có khả năng sự báo PET nếu như không

có những giả thuyết và giới hạn Penman (1948, 1956) đã phát triển một phương pháp kết hợp hai phương pháp trên, nó đã loại bỏ một số hạn chế chúng và phương pháp của ông được đã sử dụng rộng rãi Với việc định nghĩa

và kiểm nghiệm (Businger, 1957; Tanner và Pelton, 1960; Van Bavel, 1966), lúc bấy giờ nó là tiêu biểu cho một trong những kỹ thuật đáng tin cậy hơn cho việc dự báo PET từ số liệu khí hậu

Đạo hàm toàn phần của phương trình kết hợp là khá dài dòng và kéo theo nhiều khái niệm khí tượng qui mô nhỏ Phép lấy đạo hàm có thể được chia thành các bước sau :

a) xác định cán cân năng lượng theo chiều thẳng đứng của đất hoặc bề mặt thực vật

b) áp dụng hàm vận chuyển của Dalton tìm tỉ số Bowen

c) áp dụng sự đơn giản hoá đồng dạng của Penman để khử cho nhiệt độ

bề mặt

d) áp dụng phương trình vận chuyển theo chiều thẳng đứng thu được từ

lý thuyết vận chuyển xoáy

Và Saxton đã đưa ra một sự phát triển đầy đủ các bước trên, các đạo hàm rút gọn được tìm thấy từ nhiều nguồn tài liệu (vd , Jensen, 1973, trang 70) Chúng ta sẽ chấp nhận một số giả thiết trong quá trình đạo hàm, như sự

ổn định nhiệt khí và cân bằng các hệ số vận chuyển động lượng và hơi nước, nhưng chúng dường như không ảnh hưởng gì đáng kể đối với phần lớn các ứng dụng

Phương trình kết hợp có thể được viết như sau

z

dzln

)uKLd(R)/(

LE

2

0 a

a a n

γ

∆+

E = tốc độ quá trình bốc thoát hơi nước tiềm năng (cm/ngày)

∆ = độ dốc của đường bão hoà ẩm kế đồng dạng (mbar/0C)

γ = hằng số ẩm kế (mbar/0C)

Rn= dòng bức xạ tổng (cal/cm2/ngày)

L = ẩn nhiệt của quá trình hoá hơi (cal/g)

da = sự thiếu hụt áp suất hơi nước bão hoà của không khí (e0-el(mbar)

ua= tốc độ gió tại mực za(m/ngày)

za= độ cao điểm đo gió trên mặt đất(cm)

d = độ cao profile gió thay thế

z0= độ cao gồ ghề của profile gió

ρ = mật độ không khí (g/cm3)

k = hệ số Karman(0.41)

ε = tỉ số phần tử nước / phần tử không khí (0.622), và

p = áp suất không khí xung quanh (mbar)

Tất cả các số hạng K và giá trị của L được xử lý như là các hằng số trong phần lớn các ứng dụng Phải cố gắng giữ đúng các đơn vị của tất cả các thành phần trong suốt quá trình giải

Các ứng dụng của phương trình kết hợp [6.17] đòi hỏi phải đo hay ước lượng bốn biến: bức xạ tổng, nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, và chuyển

động gió theo phương ngang với những giá trị thích hợp cho các tham số khác

mà có thể thường xuyên được xử lý như là một hằng số đối với một vị trí cho trước Bức xạ tổng có thể được đánh giá giống như đối với việc tiếp cận cán cân năng lượng Số hạng (∆/γ) là một hàm của nhiệt độ không khí và những giá trị

được đưa ra là có sẵn (van Bavel, 1966) Phương trình đa thức sẽ biểu diễn những giá trị đó như sau:

(∆/γ) = 0.672 + 4.28x10-2 T + 1.13x10-3 T2 + 1.66x10-5T3 +1.70x10-7T4 (6.19)

trong đó T là nhiệt độ không khí (0C) (Saxton, 1972) áp suất khí quyển sẽ tạo

ra sự thay đổi khoảng 5% từ mực nước biển lên độ cao khoảng 1500m Lượng

áp suất hơi nước thiếu hụt có thể được tính toán bằng cách sử dụng nhiệt độ không khí xung quanh hoặc là độ ẩm tương đối hoặc nhiệt độ điểm sương với những kết quả tính toán trong những ẩm kế thích hợp Di chuyển gió ngang phải từ một độ cao trong profile gió tương ứng được biểu diễn bởi các số hạng profile gió phân bố theo qui luật logarit

Giá trị của profile gió phân bố theo quy luật logarit rất khó xác định, nhất là tại z0,đối với các bề mặt, trừ mặt nước thoáng hoặc mặt phẳng thực vật

đóng kín (Szeicz và cộng sự, 1969) Phân tích độ nhạy cho thấy LE có độ nhạy không cao trong các số hạng đó, nhưng sai số lớn tại mực z0 và d là có thể có, vì thế có thể dẫn đến sai số đáng kể của LE Khi được sử dụng như một tham số xác định qui mô (tham số kiểm tra) , zo thường không lớn hơn 1 cm đối với những đánh giá 24 giờ và sẽ có thể nhận giá trị từ 0.25 cho đến 0.5 khi sử dụng các số liệu khí tượng trung bình tháng Đối với các đánh giá 24 giờ Saxton đã

đưa ra những giá trị zo khoảng 0.5 đối với đồng cỏ và khoảng 2.0 cm đối với

đồng ngũ cốc chín sau khi nhận thấy rằng số hạng gió toàn phần của [(lnza-d )/z0]2 có giá trị bằng khoảng từ 25 đến 30 cho cả hai cánh đồng trên với một vài

sự biến đổi theo mùa trong khoảng này Parmele và Jacoby cho thấy zo có giá trị từ 0.5 đến 2.0 cm đối với đồng ngũ cốc Độ cao d mà tại đó profile gió thay

đổi là gần như bằng với độ cao của cây trồng trên cánh đồng

Có một yêu cầu là các biến ∆/γ , Rn ,da và ua phải biểu diễn đúng theo số gia thời gian đã được tính toán để giá trị của LE đối với số gia tổng cộng là một tích phân kín của những số gia thời gian ngắn hơn nếu chúng đã được tính toán Ví dụ, giá trị trung bình ngày da từ giá trị max –min nhân với giá trị ngày của dòng gió sẽ không đưa ra cùng một giá trị như giá trị trung bình datheo giờ nhân với dòng gió từng giờ Với những số liệu có sẵn thì khó có thể cho phép thực hiện được những tính toán hạn ngắn, nhưng chúng ta vẫn phải chấp nhận những kết quả đó với những số liệu trung bình hoá phù hợp (Tanner và Pelton, 1960; van Bavel, 1966; Pruit và Doorenbos, 1977)

Penman (1948) là một trong những người tiên phong trong phương pháp này đã sử dụng một số biến đổi và đơn giản hoá khác cho phương pháp kết hợp Moteith (1965) đã đưa thêm một số hạng để giải thích nguyên nhân cản trở chuyển động của hơi nước từ bề mặt bốc hơi và tương tự như thế Tanner và Fuchs (1968) đã kết hợp thêm được giá trị nhiệt độ bề mặt Những phương pháp tính toán cải tiến đã được phát triển (Messem, 1975; Lowe, 1977), Thom

và Oliver (1977) đã đề xuất một thành phần về quá trình thông hơi riêng biệt Doorenbos và Fruitt (1975) cung cấp những hiệu chỉnh kinh nghiệm đối với việc dự báo ET dựa trên một nghiên cứu của một nhóm nghiên cứu FAO sử dụng số liệu từ 10 địa điểm với khí hậu rất khác biệt

Các ứng dụng của phương trình kết hợp nói chung đã thành công khi

được kiểm tra bằng các số liệu đầu vào của các quá trình bốc hơi trên bề mặt chúng ta đang theo dõi ( ví dụ., van Bavel, 1966) Sự so sánh việc dự báo PET

sử dụng phương trình kết hợp với sự đo đạc quá trình bốc hơi bể loại A được thể hiện trong hình 6.9 (Saxton, 1974) Những số liệu của quá trình bốc hơi tương

tự đã được so sánh với Rn trong hình 6.7 Sự cải tiến mối tương quan của PET

trên Rn có thể có quan hệ khá lớn với việc xem xét thêm các số hạng khí động lực trong phương trình kết hợp

6.4.6 Phân tích độ nhạy

Hình 6.9 Bốc hơi lòng chảo loại A hàng ngày ngược với PET đ∙ tính bằng phương pháp liên

kết ở gần Treynor, Iowa (Saxton cùng cộng sự, 1974a)

Bốc hơi lòng chảo, inch/ngày

Chính sự cần thiết của việc đánh giá ảnh hưởng tương đối của một số biến gây ra PET đã xác định mức độ chính xác của các dự báo PET Phân tích

độ nhạy giúp cho việc quyết định yêu cầu độ nhạy của các trang thiết bị trong những đo đạc và tính toán cần thiết đối với việc ước lượng PET Chúng ta không thể giải một cách đơn lẻ được vì quá trình bốc hơi trong mỗi thời kỳ là kết quả các ảnh hưởng của một tập hợp biến duy nhất, nhưng những nguyên tắc chung đã được phát triển (McCuen, 1974; Saxton, 1975; Coleman và Decoursey, 1976) Nói chung, năng lượng thẳng đứng có quan hệ với các biến,

đặc biệt Rn là quan trọng nhất Các biến khí động lực thường ít quan trọng hơn, trừ khi có gió rất khô

6.4.7 Bình lưu

Vận chuyển năng lượng và độ ẩm theo phương ngang có thể khá quan trọng trong một số trường hợp và rất khó đo hoặc ước lượng mà không có mạng lưới, trang thiết bị cần thiết Năng lượng được vận chuyển theo phương ngang bởi dòng nhiệt hiện chuyển động, dòng gió giảm dần từ các khu vực nơi có năng lượng lớn hơn nơi mà thực vật có thể sử dụng, điều này có nghĩa là chuyển

động của không khí từ khu vực khô đến khu vực có độ ẩm cho quá trình bốc hơi lớn hơn Những sự thiếu hụt hơi nước cao cũng làm tăng khả năng bốc hơi của dòng khí bên ngoài này Khu vực có độ ẩm lớn rất ít xảy ra hiệu ứng bình lưu Hiệu ứng trong những vùng nửa khô, nửa ẩm là thay đổi khá lớn nhưng đôi lúc rất quan trọng, hoặc là do bình lưu địa phương hoặc là sự vận chuyển khối khí

địa phương Rosenberg (1969a), Hank và các cộng sự (1971) đã thảo luận về bình lưu và Blad và Rosenberg (1974) đã chỉ ra rằng, năng lượng bình lưu đã cung cấp khoảng 20% tổng năng lượng trong 4 tuần giữa hè ở miên đông Nebraska Thành phần khí động lực của phương trình kết hợp, mà bao gồm tốc

độ dòng gió và độ thiếu hụt hơi nước, sẽ giải thích các hiệu ứng bình lưu nếu các số hạng được biểu diễn chính xác (van Bavel, 1966) Millar (1964), Davenport và Hudson (1967), Rider và các cộng sự (1983) đã thảo luận về cơ sở của quá trình bình lưu

6.4.8 Sự biến đổi theo không gian

Các biến khí hậu quyết định PET có xu hướng biến đổi chậm theo khoảng cách căn cứ vào những đặc trưng hình thái chủ yếu của đất Đối với một vài ứng dụng, khi số liệu được truyền từ bên ngoài, thì những ảnh hưởng của hướng và độ dốc có thể rất quan trọng Những phương pháp dự báo bức xạ tại những điểm có hướng và độ dốc khác nhau, đã được biểu diễn trước đây, sẽ cung cấp các giá trị tương đối Foyster (1973) đã mô tả một kỹ thuật lưới để các

định PET khu vực, và phương pháp tính toán ET thực trong mô hình thuỷ văn Stanford (Crawford và Linsey, 1966), bao hàm một hiệu chỉnh thực nghiệm đối với sự biến đổi theo không gian trên những lưu vực rộng lớn hơn

6.4.9 So sánh các phương pháp

Việc chọn lựa một phương pháp để ước lượng PET phụ thuộc vào một số

tiêu chuẩn Những số liệu chúng ta có thường có ảnh hưởng lớn Những yêu

cầu về độ chính xác và thời gian có sẵn để phát triển những ước lượng chính

xác từ nguồn số liệu có sẵn là rất quan trọng Dù các ước lượng là tại các thời

điểm hiện tại, quá khứ hay các xu thế tương lai thì đều sẽ sử dụng thời gian và

số liệu đã có

Các nghiên cứu so sánh kết quả của một vài phương pháp đã được công

bố bởi các ông McGuiness và Borne (1972), Borne và McGuiness (1973), và

Parmele và McGuiness (1974) Doorenbos và Pruitt (1975) và Burman (1976)

đã cho thấy những so sánh tương tự đối với các trạm khác nhau

Bảng 6.7 Thống kê tương quan và hồi quy cho sự chống lại bốc hơi nước đều đặn hàng

ngày đối với các loại đồng cỏ ở Coshocton, Ohio sử dụng năm 1968 trên vùng dữ liệu khí

tượng (6/23-9/14/68) (Parmele và McGuiness, 1974)

Phương pháp

tính toán

ET tính toán trung bình ngày, mm/ngày

Độ lệch

so với đo

đạc, (%)

Giữ nước tán cây

Hệ số tương quan,

* Giá trị trung bình ET bởi thẩm kế = 4.27 mm/ngày với n=70

Sự so sánh các giá trị trong bảng 6.7 (Parmele và McGuiness, 1974) đã

cho thấy các số liệu đầu vào và thiết lập phương trình tính cho nhiều vị trí

khác nhau Blaney – Criddle chỉ sử dụng nhiệt độ không khí trung bình ngày; Jensen-Haise sử dụng bức xạ mặt trời và nhiệt độ không khí, còn Christensen thì đã sử dụng tất cả các giá trị có sẵn Các phương pháp của Penman, van Bavel, Cục thời tiết tất cả đều có quan hệ với những sự phát triển và đều đỏi hỏi nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, gió và bức xạ Phương pháp Mustonen- McGuiness đưa thêm số liệu độ ẩm đất vào phương pháp Weather Bureau Ba phương pháp đầu được phát triển trong lĩnh vực thuỷ lợi tại miền Tây Mỹ Những phương pháp đơn giản hơn và trực tiếp hơn chỉ sử dụng lượng bức xạ thuận và quá trình bốc hơi bể cung cấp phần lớn các ước lượng có độ chính xác gần bằng nhau vì chúng đòi hỏi nhiều số liệu hơn, mặc dù chúng là các phương pháp thực nghiệm hơn, và do đó khó tránh khỏi việc tăng mức độ thay đổi đặc biệt là trong các miền khí hậu khô hơn Pruitt và Doorenbos (1977) đã làm các so sánh trên một khoảng biến đổi rộng của khí hậu và kết luận rằng, đánh giá qui mô địa phương của các phương trình là rất quan trọng

Trong một bản tóm lược 15 phương pháp ước lượng PET, bao gồm những vấn đề vừa thảo luận ở trên, Jensen (1973, bảng 7.3) cho thấy chỉ các phương trình kết hợp của Penman hoặc những phương trình biến đổi của nó của van Bavel và những người khác và phương pháp dựa trên Rn của Jensen-Haise là sẽ phù hợp với chu kỳ 5 ngày hoặc ít hơn Ông đã lưu ý rằng các số liệu khí tượng đơn lẻ không nên là những tiêu chuẩn riêng trong việc lựa chọn phương pháp, vì một vài số liệu cần thiết có thể được ước lượng với độ chính xác phù hợp cho phép sử dụng một trong những phương pháp tốt hơn Ông đã kết luận một cách khái quát : sự cân bằng năng lượng hay các phương trình khí

động lực –cân bằng năng lượng sẽ đưa ra các kết quả chính xác nhất của các phương pháp khí tượng khác nhau vì chúng dựa trên các định luật vật lý và các mối quan hệ hợp lý

6.4.10 Các nguồn số liệu

Số liệu cho các tính toán PET thường không liên tục và khó đưa vào thành chuỗi số liệu liên tục đáng tin cậy đối với những tính toán không đổi Cục thời tiết Mỹ (bây giờ là một bộ phận của Cơ quan Quản trị Khí quyển và

Đại dương Quốc gia, NOAA) ( Bộ thương mại Mỹ,1964; 1968) đã xuất bản

những tài liệu về các nguồn số liệu Các bản tóm lược khái quát hơn và các tập bản đồ khí hậu cũng đã được xuất bản (Hội Thorthwaite., 1964; Caprio, 1974; Bryson và Hare, 1974) Các bản đồ khái quát hoá quá trình bốc hơi, như những bản đồ của Kohler và các cộng sự (1959)và Nordenson (1962), thường là rất hữu ích mặc dù bất kỳ số liệu đo đạc với khoảng cách hợp lý sẽ cung cấp các

đầu vào có phân bố theo thời gian và trung bình tốt hơn cho các mô hình thuỷ văn

6.5 Quá trình bốc thoát hơi nước của cây

Thực vật điều khiển một số lượng lớn các quá trình mà quyết định các tốc độ ET bằng việc chúng sử dụng năng lượng bức xạ, quá trình bốc thoát hơi nước của lá cây qua các lỗ khí hoặc sự tương tác của rễ với lượng nước có trong

đất Những năm gần đây người ta đã nhận ra được tầm quan trọng của các ảnh hưởng của thực vật Federe (1975) đã chú ý đến sự thay đổi trong các nghiên cứu gần đây, từ việc coi ET như một quá trình vật lý đến coi ET như một quá trình sinh lý học Điều này là một sự phát triển đặc biệt quan trọng đối với việc dự báo thuỷ văn, vì thực vật trong nhiều đới khí hậu hiếm khi bốc hơi tại một tốc độ thế ảnh hưởng quan trọng này đã được đưa vào ứng dụng trong suốt các hệ thống các mô hình của ET từ cây trồng với tán lá chưa phát triển hoàn toàn, trong đó quá trình bốc thoát hơi và quá trình bốc hơi của đất được tính toán riêng biệt (Ritchie, 1972; Saxton, các cộng sự., 1974a; Tanner và Jury, 1976)

Những ảnh hưởng của thực vật vào ET có thể chia thành các loại chính sau:

a) Tán lá

b) Sinh trưởng của cây

c) Phân bố của rễ

d) ứng suất của nước

Hiển nhiên là có nhiều sự tương tác giữa các vấn đề trên, nhưng chúng

là những vấn đề chính cần được quan tâm đối với mục đích tính toán và cung

cấp một cơ sở hợp lý cho việc thảo luận Thường thì một số các ảnh hưởng đó đã

được kết hợp vào các đường cong hệ số mùa vụ

Monteith (1976), Kramer (1969) và Slatyer (1967) đã đưa ra sự tương tác giữa cây trồng với khí quyển và đất Các chi tiết trong việc xây dựng mô hình các quá trình thực vật cơ bản được đưa ra bởi Thornley (1976) Một bước tiến mới trong việc xây dựng mô hình sự tăng trưởng của thực vật cuối cùng có thể cung cấp những đầu vào quan trọng có quan hệ đến các chức năng thực vật và

Ngô

Đồng cỏ

Ngũ cốc

Đất trồng trọtThực vậtPhần còn lại

Phần nổi lên

6.5.1 Tán lá

Quá trình phát triển động lực, trưởng thành và phân huỷ của tán cây tác động đáng kể đến hiệu quả của quá trình bốc thoát hơi nước thực vật Đối với các cây trồng một năm như ngũ cốc và bông, tán cây phát triển rất nhanh

từ chỗ không có gì đến chỗ gần như bao phủ hoàn toàn bề mặt đất, sau đó trưởng thành và được thu hoạch Tán cây của bất kỳ một ngày đặc trưng nào cũng quyết định lớn đến tổng lượng bức xạ mặt trời hay quá trình hấp thụ bình lưu, do đó các mô hình thuỷ văn phải cung cấp một mô tả các tác động động lực của thực vật này

Một cách tiếp cận trực tiếp là vẽ đồ thị đường cong phát triển tán theo thời gian để đặc trưng cho tỷ lệ phần trăm diện tích đất bị che phủ trong cả

năm Ví dụ các đường cong dựa trên những quan trắc nhìn thấy được thể hiện trong hình 6.10 Để xác định đường cong biểu diễn độ che phủ của cây trồng đòi hỏi phải có sự hiểu biết hoặc các quan sát về thời hạn trồng cây thông thường, thời gian nảy mầm, tốc độ phát triển, thời kỳ cây trổ hoa, thời vụ thu hoạch, và các điều kiện còn lại Để biểu diễn tán cây như độ che phủ đất trung bình, trước hết nó là một sự phân chia năng lượng giữa đất và thực vật, vì vậy chúng

ta phải có những biến đổi cần thiết để xét xem liệu thành phần bình lưu có

được coi là đóng vai trò quan trọng không Mặc dù chưa đạt được độ chính xác cao, nhưng đường cong tán cây thực nghiệm dựa trên những hiểu biết địa phương thường cũng trình bày đầy đủ các ảnh hưởng của tán

Nghiên cứu gần đây về những ảnh hưởng của mùa màng đã sử dụng tỉ

số diện tích lá cây chia cho diện tích bề mặt đất như một chỉ số diện tích lá (LAI), để liên hệ ET được đo với tán cây có tác động đến Sự đo đạc này so sánh các ảnh hưởng của tán các cây trồng khác nhau mặc dù nó không hoàn toàn thoả đáng giữa những cây trồng có cấu trúc tán khác nhau khá lớn Ritchie và Burnett (1971) và Kristensen (1974) đã chỉ ra các đường cong hoàn toàn tương

tự đối với lúa mạch, củ cải đường, các loại cỏ thân dài và ngắn, ngũ cốc, lúa miến, như được biểu diễn trong hình 6.11 Trong phần lớn các trường hợp thì tỉ

số giữa quá trình bốc thoát hơi nước thực tế trên quá trình bốc thoát hơi nước khả năng (AET/PET) sẽ tiến tới 1 khi LAI tiến tới 3.0 Mặc dù các giá trị LAI quan hệ chặt chẽ với tỉ số AET/PET và cung cấp một phương pháp đo đạc trực tiếp tán cây trên một cánh đồng, nhưng chúng rất khó dự báo, và việc ước lượng độ che phủ của tán như một tỉ lệ phần trăm độ che nắng đất có thể chưa phải là thiết thực nhất

6.5.2 Diệp lục

Sự phát triển phát dục của cây thường làm biến đổi khả năng bốc thoát hơi nước của thực vật Khi một vụ mùa phát triển đầy đủ, sự đòi hỏi về nước và khả năng bốc thoát hơi nước giảm Vì các thay đổi phát dục có thể xuất hiện

độc lập với sự hiện diện của tán cây, ảnh hưởng này phải là một vấn đề mới

được thêm vào