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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

1.1 全球水资源现状：

全球水资源的储存量相当大。然而，在看似“丰富”的水资源中，人们可以依赖的淡水资源只占其2.5%，总量不过0.35*10⁸km³。在工业、农业及人类对水大量需求的时代，淡水资源的短缺和水污染成为一大难题并对农业可持续发展造成了巨大的冲击力。现今全球有80多个国家正面临着水资源不足，美洲、欧洲出现用水紧张的现象，俄罗斯、加拿大也受到威胁，在亚洲有60%的地区缺水；在非洲由于连年干旱，有85%的地区缺水。全球有16%的城市人口缺水，约12亿人严重缺少饮用水，在发展中国家约有10亿多人达不到安全用水。据联合国的报告，1930年时，人均水资源约2.35⁴m³，1997年时仅为7800m³，估计到2025年只有5500m3，只相当于1930年的1/4^[1-2]。

1.2 中国水资源现状：

中国水资源居世界前列，但是人均、亩均占有水平相当低下（如：按照人口和耕地面积平均后，河流泾川我国人均占世界人均的1/4，单位面积的耕地用水占世界单位面积耕地用水的3/4）。在中国，还有两方面比较突出的问题。一是水资源时空分布不均匀，南多北少，沿海多内地少，山地多平原少，耕地面积占全国64.6%，长江以南地区仅为20%，近31%的国土是干旱区(年降雨量在250mm以下)^[3]，供需矛盾十分尖锐，会使我国北方出现农业和工业上的减产和停产现象。虽说因地制宜形成了南水稻北小麦的种植模式，但在水分管理和利用上仍缺乏理论和技术支持。二是在如此严峻的形式下，水资源浪费的现象在我们身边依然随处可见。这也是多方面造成的：（1）农业上，灌溉技术很不发达，很多地区大水漫灌的方式使得水分利用系数很低；（2）工业上，水资源循环利用率低，污水处理机制不完善，进一步导致水资源的浪费和缺失；（3）生活上，公民意识不高，没有真正体会到问题的严重性，致使城市生活用水浪费现象普遍存在。

1.3农业用水现状

农业是第一产业，是国民经济的基础。水资源又是最基础的自然资源，也是战略性的经济资源，从侧面烘托这一个国家的综合国力。所以农业用水问题则备受关注。目前农业用水主要为种植业灌溉用水（占总用水的67%）。随着经济发展和人民生活水平提高，农业内部争水矛盾将会不断加剧，尤其在北方缺水地区。21世纪中国农产品需求大幅度增长将很大程度地依赖于农业水分生产效率的提高。估测到21世纪中叶，即便是高产吨粮田，年灌溉供水量也只能达到5250m³/hm²左右。由此可见，我国水资源危机已从北方蔓延到全国，初步估计，到2030年全国缺4000~4500亿m³，相当于1949年以来新增供水量的总和^[4]。针对以上问题，我国也通过建筑河坝，实施引流等工程协调灌溉用水、水利发电等事宜（虽说这些工程为人类带来了很大的好处，但同时又使邻近的生态系统发生着不可逆转的变化）。

1.4研究意义：

在全球演变进程中，土地利用变化是陆地生态系统变化的主要组成部分，而最重要的土地利用变化就是农田的扩张。所以研究农田用水，是进行气象预报、水循环过程分析、生态、农林、水资源管理的核心。在农业用水中，有近99%的水分是通过蒸散的方式最终以汽态的形式返还到大气中，在地气水循环过程中，蒸散起着绝对重要的作用：（1）它是水量平衡和能量平衡的主要分量；（2）它与潜热通量直接相关联，在决定天气和气候变化的同时，影响着地理环境的演化。（3）蒸散过程伴随着能量的释放，还伴随着地表与大气间的水汽传输。（4）蒸散在土壤-植被-大气系统中是一个连续作用的过程，密切关系着植物生理过程、生态过程和气候，是了解植物光合作用和水分利用效率的关键。

从生态学方面来讲，到达陆地表面的太阳辐射，一部分用于光合作用，一部分以感热和潜热的形式返回大气，由于下垫面的非均匀性，地表接收辐射能量的差异而形成水热条件差异，影响着土壤-植被-大气系统的内部能量和物质的传输。同时作物周围的微气候环境也受到控制。水热通量是贴地层和土壤上层气候特征的物理基础，与农作物的产量、质量息息相关。所以，水热通量的研究对生态学的进一步发展起着重要的理论支撑。

从物质循环和气候模式方面来讲，中国稻田能量分配有共性又有其特殊性。根据以前的研究论述，共性在于几乎所有的地气交换模式都基于物质和能量的平衡原理。特殊性在于，稻田是我国南方主要的人工湿地系统，地气（水汽）交换作用显著，与其他下垫面类型相比，潜热作用是其倍数关系。除此之外，稻田近地层的动量和热量等湍流变化特征与其他下垫面类型相比，差异较大。所以稻田水热通量的研究，对稻田能量、物质循环研究有一定的参照意义，也有助于从根源上把握局地气候、能量变化规律，分析其变化特点，从而制定出灾害评估、灾害防范的有效策略及应对方法。

国内外研究现状

2.1地气系统内部的能量、物质交换一直是科学研究的前沿问题。国内外相继有过研究项目、课题、政策针对这一问题展开探讨。众多学者对小麦、水稻、玉米的蒸散、水热反应以及能量平衡都有过相关研究。下表就是将近几十年国内外研究项目作以归纳：

表1：国内外有关农田水热通量研究项目、课题进展

2.2水稻水热通量研究进展:

在分析能量各通量的特征与变化规律，理解环境因子和下垫面结构动态对能量通量的影响上，目前相关研究多集中于草地、湿地和森林下垫面，农田领域的研究则以旱作物为主，针对稻田的研究不多^[5]。汪瑛等^[6]对稻田各能量通量特征进行了分析，并用SIB2模式对稻田不同生长期的湍流通量进行了模拟研究。之后朱咏莉等^[7]、贾志军等^[8]分别用不同统计方法对涡度相关法所测的稻田通量数据进行了分析，发现稻田生态系统存在10%~20%的能量不闭合度，但均未提出修正方法。大气物理研究所的赵晓松等人，应用涡度相关法，通过2005-2006年生长在三江平原沼泽地及垦殖后的农田（水稻和大豆）植被与大气间水汽和能量通量的观测，探讨了湿地垦殖对生态系统水汽和能量通量的影响^[10]。国外学者在20世纪末开始对水稻田能量通量特征进行分析，提出了稻田能量的不闭合率达20%左右^[10]，近来，Masseroni等，提出了多种影响稻田能量平衡的因素，进一步考虑了田面水层热储量并对地表土壤热通量进行了修正，结果表明修正后稻田能量不平衡率小于10%^[11]。

2.3水热通量测定方法研究现状

随着需求和技术的不断提高和进步，水热通量的测定方法也随之发展和改进。主要可分为四类（如表2）。下面对其中几种常用方法做简单描述，本文着重使用波文比-能量平衡法。波文比-能量平衡法经过长期的理论发展与技术实践，在陆地生态系统和大气之间水热通量测定研究中已经得到了广泛应用。

表2.水热通量测定方法分类

2.3.1波文比能量平衡法：波文比是英国物理学家BowenIS在研究自由水面的能量平衡时提出的。他认为水分子的蒸发扩散过程与同一水面向空气中的热量输送过程是相似的，于是提出了波文比β的概念，即水面与空气间的乱流交换热量P与自由水面向空气中蒸发水汽的耗热LE之比。所以，该方法估算潜热通量（即蒸发或凝结耗能）与感热通量的理论基础是能量平衡方程与近地层梯度扩散理论。波文比仪主要由上下两层温湿度记录仪组成，主要测量路面以上两个不同高度之间的气温差异和同一高度的水汽压差异。随着科学技术的突飞猛进，高新科技的快速发展，使得连续测定并记录上下不同层次的温度差跟湿度差得以实现，从而使得波文比能量平衡这一原理在测定蒸发蒸腾量上得到了突破性的提高。波文比仪因为测量精度高，原理简单，常被作物标准用来检验其他计算方法，但是因为波文比法基于假设无平流条件下建立的，因此在选择观测点是要格外注意。以下是用波文比方法计算的潜热与感热通量：

能量平衡公式：

显热通量;

潜热通量:

定义波文比:

假定Kh和Kw相等时：

显热：

潜热：

2.3.2涡度相关法：涡度相关通量系统的基本设备主要包括一个三维超声风速温度计（SAT）以及一个快速响应红外气体分析仪（IRGA）。利用涡度相关技术测量到的风、温、湿的脉动值来计算显热通量和潜热通量（假设条件和需要的经验参数不多并且可以直接测量通量）。一般情况下，涡度相关法精度很高，结果表明涡度相关仪测量的结果与推测结果相差无几。一是由于涡度相关法不是建立在经验公式上的，具有坚实的理论基础。二是该方法不受平流等条件的限制，较为可靠。但是涡度相关仪在植被覆盖少甚至裸露的情况下，精度不太理想，且费用较高，不适合多点观测。

2.3.3蒸渗仪法：蒸渗仪是基于水量平衡原理设计的仪器，埋没在农田土壤中，容器内装有作物跟土壤，采用人工调控环境来模拟实际蒸散发过程，从而通过蒸渗仪的观测仪器测量出蒸散发量。蒸渗仪的设计、改进和使用过程，要避免人为影响，仪器内的土壤和作物状况要与仪器外的最大可能一致，这样才能确保其准确性。

2.3.4水量平衡法：是基于某一区域某一时间段内收入水量与支出水量的差值等于该时段该区域蓄水量的变化这一理论建立起来的。开始被用于水资源开发利用，通过分析平衡系统内的蒸发、径流、渗透、降水等环节来进行水资源评价及预测水分的供需。水量平衡原理清晰、可操作性强，发展至今被广泛用于估算农田蒸散，但是在实际应用中，因为土壤湿度有很大空间的变异性，使得水量平衡法在估算短时间的蒸散时精度不理想，较适用于估算长时段内的蒸散，一般为一周或一旬；如径流量较大或者渗漏严重的情况，也会降低水量平衡法的精度。

2.3.5空气动力学方法：利用近地面边界层相似理论，提出了利用陆面一定高度的风速、气温或水汽压来计算蒸发蒸腾量的空气动力学方法该方法避免了测量湿度要素，从而提高了计算精度，但是由于建立回归方程所需的气象要素较多，且均一稳定下垫面这一前提假定与实际情况相差较大，导致结果有时有偏差。另外，扩散系数的多少由地表粗糙度和风速决定，而至今一直未证实粗糙层内的扩散系数是否服从相似理论。

2.3.6遥感方法：因为在小尺度测量的参数在大尺度上不能适用，将点上的测量结果外推到面上会带来很大误差，加上地表不均一性等问题，综合实测数据、模型和遥感的水热通量模拟手段应运而生。现已有多种釆用遥感技术反演区域水热通量（蒸散发）的模型主要有三类：统计经验法、能量余项法和数值模型。它们均是基于能量平衡方程，利用遥感表面温度估算地面显热与潜热通量。

2. 研究的基本内容

本文选取南京信息工程大学气象实验农田的水稻田为研究对象，以波文比能量平衡法监测的水稻田水热通量数据为基础，全面系统评价和矫正水热通量，揭示水稻的水热通量的日、季节、年动态变化规律、分配特点和能量平衡闭合特征，探究水稻田水热通量的影响与控制因子，及对环境因子的响应分析，为水热传输理论和水资源的合理配置提供依据。为长江三角洲地表能量平衡和区域气候的影响奠定基础。

3.1首先，若波文比能量平衡法监测的水热通量数据有缺失，先进行插补、矫正。其次计算感热、潜热。

3.2绘制潜热、感热日、季节、年变化散点图，总结其变化规律，分配特点以及分析峰值和低值出现的原因。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

方案：

1、将用波文比能量平衡法观测得到水稻田通量数据进行修正。

2、对这些通量数据进行分析处理；最后对得出的图形进行深刻的分析与总结。

4. 参考文献

[1]石虹.浅谈全球水资源态势和中国水资源环境问题[j].水土保持研究,2006(1):27-31.

[2]陈刚起.三江平原沼泽开垦前后下垫面及水平衡变化研究[j].地理科学, 1997(7): 427- 423.

[3]zuo tieyong.recycling economy and sustainable development of materials 3th china conference on membrane science and technology[r].beijin,beijing university of technology 2007.