Việc xây dựng mô hình thành phần ET thực tế của vòng tuần hoàn thuỷ văn trong các l−u vực nhỏ có thể đ−ợc tiếp cận bằng nhiều con đ−ờng dựa trên các số liệu có sẵn, mức độ chi tiết đ−ợc yêu cầu trong việc trình bày mô hình, những cây trồng chính đ−ợc xem xét, so sánh tầm quan trọng giữa một số quá trình quyết định PET. Trong những năm gần đây, một số l−ợng lớn các hệ thống đã đ−ợc phát triển cho các dự báo ET thực, mỗi cái có những đòi hỏi riêng và tầm quan trọng riêng. Đối với những ứng dụng cho chế độ thuỷ văn
trong những l−u vực nhỏ, một ph−ơng pháp cần phải giải thích đ−ợc các biến đất, vụ mùa và khí hậu theo mẫu hợp lý trong một khoảng biến đổi của các chế độ ẩm. Những ph−ơng pháp đ−ợc thảo luận trong phần tiếp theo là từ đơn giản đến rất phức tạp, và những thành công của chúng trong việc thể hiện chính xác phần nào đó tỉ lệ thuận với độ phức tạp, do đó mỗi nhà thuỷ văn học sẽ cần chọn một ph−ơng pháp tuỳ thuộc vào mục đích.
Ph−ơng trình cơ bản có dạng:
ARIi = (ARIi-1 + Ri-1)K (6.20)
trong đó:
ARI= chỉ số giữ n−ớc từ tr−ớc cho ngày thứ i
R = l−ợng giữ n−ớc hàng ngày (sự thẩm thấu n−ớc vào đất) và K= hệ số biến đổi theo mùa nhỏ hơn 1.0
Đại l−ợng này đ−ợc xác định từ một chỉ số giáng thuỷ có tr−ớc theo qui luật số mũ (Saxton và Lenz, 1967). Các −ớc l−ợng hàng ngày của ET thực cung cấp những −ớc l−ợng hợp lý của độ ẩm đất có tr−ớc khi so sánh với số liệu độ ẩm đất quan trắc đ−ợc. Những ph−ơng h−ớng cho việc −ớc l−ợng các hệ số K đã đ−ợc cung cấp.
Haan (1972) đã mô phỏng ET hàng ngày trong một mô hình để −ớc l−ợng dòng chảy hàng tháng từ l−ợng giáng thuỷ hàng ngày bằng mối quan hệ sau:
E = Ep(M/C) (6.21)
trong đó
E= quá trình bốc thoát hơi n−ớc thực vật thực (mm/ngày)
EP= quá trình bốc thoát hơi n−ớc khả năng bằng ph−ơng pháp Thornthwaite (mm/ngày).
C= l−ợng ẩm cực đại có thể chứa trong đất(mm).
Chúng ta dễ dàng tạo ra một l−ợng ẩm 25 mm (1 in.) trong đất và tỉ số M/C đ−ợc đặt bằng 1.0 cho đến khi l−ợng ẩm này đã bị rút hết. Trong các ngày có m−a, ta lấy 2 chia cho EP để giải thích các điều kiện mây. Một giản đồ đ−ợc đơn giản hoá nh− thế sẽ chỉ làm việc tốt khi các kết quả hàng tháng hoặc mùa đang đ−ợc phân tích và chỉ sau khi xác định qui mô thời vụ và các điều kiện đất.
Một ph−ơng trình dự trữ ẩm trong đất ở một mức độ phức tạp hơn đã đ−ợc cung cấp bởi Bair và Robertson (1966) nh− sau:
∑ = − − = n 1 j ) PE PE ( w i j j i j i i e PE Z S S k AE (6.22) trong đó: AE= ET thực (mm/ngày) k=hệ số đối với các đặc tính đất và thực vật Si =l−ợng ẩm có sẵn trong đất (mm) Sj =dung tích n−ớc có sẵn (mm)
Zi =thừa số cho các dạng khác nhau của đ−ờng cong khô của đất.
w=hệ số đối với những ảnh h−ởng của sự biến đổi tốc độ PE trong tỉ số AE/PE.
PEi = ET khả năng(mm/ngày) và
PE= trung bình tháng hoặc mùa (mm/ngày).
Ph−ơng trình đ−ợc cộng cho tầng thứ j cho mỗi tầng thứ i. Hệ số kj phụ thuộc khá lớn vào các rễ cây trong mỗi tầng, Zj là hiệu chỉnh các thành phần phi tuyến trong mối quan hệ của AE/PE đối với độ ẩm đất (nh− đ−ợc chỉ ra trong hình 6.14), w cũng tạo ra một sự điều chỉnh t−ơng tự và có thể đ−ợc −ớc l−ợng bằng w= 7.91- 0.011 (Si/Sj). Sử dụng những giá trị hệ số thu đ−ợc từ việc xác định qui mô và thí nghiệm, một ph−ơng trình có dạng này sẽ cung cấp những −ớc l−ợng ET thực hàng ngày khá tốt vì những ảnh h−ởng quan trọng
nhất đã đ−ợc xem xét. Việc đòi hỏi xác định qui mô là nguyên nhân gây nên những khó khăn trong ứng dụng tổng quát, đặc biệt là đối với những ng−ời không có nhiều kinh nghiệm với ph−ơng trình này.
Một cách tiếp cận ph−ơng trình riêng lẻ t−ơng tự đã đ−ợc cung cấp bởi Holtan và các cộng sự (1975) và England (1975). Ph−ơng trình của họ là:
ET = (GI)kEp[(S-SA)/S]x (6.23)
trong đó
ET= ET thực (mm/ngày)
GI= chỉ số phát triển của vụ mùa (%)
k=tỉ số Et trên quá trình bốc hơi lòng chảo đ−ợc tán cây che phủ hoàn toàn.
EP= quá trình bốc hơi lòng chảo(mm/ngày) S=tổng l−ợng lỗ hổng trong đất (%)
SA=lỗ hổng đất có sẵn (%) và x=số mũ đ−ợc tính bằng 0.01
Những giá trị GI phản ánh tăng tr−ởng của cây trồng và kết quả thu hoạch, nó là biến phụ thuộc vào thời gian. Những giá trị của khả năng tích trữ n−ớc S và SA đối với vùng rễ cây xấp xỉ bằng ứng suất n−ớc mặc dù một sự mô tả chính xác hơn mà bao gồm sự phát triển của rễ và ứng suất vụ mùa sẽ tận dụng một cách đáng kể khía cạnh này. Betson (1976) đã sử dụng một sự biến đổi của cách tiếp cận này cho những −ớc l−ợng ET hàng tháng.
Việc rút l−ợng ẩm trong đất (ET thực) đối với việc xây dựng kế hoạch t−ới tiêu đã đ−ợc −ớc l−ợng bởi Jensen và các cộng sự., bằng mối quan hệ sau:
Et = KC Etp (6.24)
Et= ET thực (mm/ngày) Etp=ET khả năng (mm/ngày)
Kc=hệ số biểu diễn những ảnh h−ởng đ−ợc tổng hợp của lực cản trở chuyển động của n−ớc từ đất đến những bề mặt bốc hơi, sự cản trở đối với sự khuyếch đại hơi n−ớc từ các bề mặt vào khí quyển, và của một l−ợng t−ơng đối năng l−ợng bức xạ khi đ−ợc so sánh với vụ mùa chuẩn.
Hệ số tổng hợp này đ−ợc −ớc l−ợng nh− sau:
KC = KC0 Ka + Ks (6.25)
trong đó
KC O=hệ số vụ mùa trung bình dựa trên số liệu thí nghiệm ( độ ẩm trong đất không có giới hạn)
Ka= ln(AW+1)/ln101
AW = l−ợng ẩm còn lại trong đất (in.)
ks= sự tăng khi bề mặt đất đ−ợc làm ẩm và bằng (0.9- KC) nhân với 0.8, 0.5 và 0.3 đối với ngày thứ nhất, ngày thứ hai và ngày thứ ba sau khi làm ẩm.
Ph−ơng pháp này đã thực hiện thành công cho những điều kiện t−ới tiêu, nơi mà n−ớc trong đất ít khi hạn chế quá trình thoát hơi n−ớc và việc xác định qui mô đáng kể của một vài hệ số đã đ−ợc thực hiện.
Ritchie (1972) đã liệt kê một loạt các ph−ơng trình mô tả ET thực bắt đầu từ ph−ơng trình Penman để xác định ET khả năng, sau đó tính riêng quá trình bốc hơi từ thực vật và đất. Quá trình bốc hơi khả năng của đất (trạng thái đầu tiên của quá trình làm khô) đã đ−ợc quyết định bởi mối quan hệ sau
) LAI 398 . 0 exp( R ] / [ E= ∆ ∆+γ n − (6.26) trong đó
∆=độ nghiêng của đ−ờng cong áp suất hơi n−ớc bão hoà tại giá trị nhiệt độ trung bình
γ=hằng số ẩm kế(mbar/0C)
Rn =bức xạ thuần ( cal/cm2/ngày) và LAI= chỉ số diện tích lá.
Quá trình bốc hơi của đất tiến hành tại tốc độ thế cho đến khi sự vận chuyển n−ớc trong đất làm hạn chế l−ợng n−ớc. Tổng l−ợng n−ớc bị làm khô tr−ớc khi quá trình này xuất hiện đã đ−ợc xác định cho mỗi loại đất. Trạng thái thứ hai của quá trình bốc hơi n−ớc của đất đ−ợc tính toán bởi mối quan hệ
E = αt1/2 (6.27)
trong đó
E=quá trình bốc thoát hơi n−ớc (mm/ngày ) t= thời gian (ngày), và
α= một hệ số đ−ợc xác định bằng thực nghiệm.
Quá trình thoát hơi n−ớc thực vật trong mô hình Ritchie đã đ−ợc biểu diễn bằng mối quan hệ:
) LAI 70 . 0 21 . 0 ( E Ep = 0 − + 1/2 (6.28) trong đó
EP=sự bốc thoát hơi n−ớc thực vật (mm/ngày ) E0=ET thế (mm/ngày)
LAI= chỉ số diện tích lá
Ph−ơng trình này chỉ có giá trị đối với các điều kiện n−ớc không bị giới hạn và LAI biến đổi từ 0.1 đến 2.7. Đối với LAI>2.7, EP=E0. Ph−ơng trình đã đ−ợc thử nghiệm trên cây bông và hạt lúa miến.
ET khả năng Chắn
Tán lá %
Bốc hơi của đất Thoát hơi
Thời gian trong năm Năng l−ợng ch−a sử dụng % Vận chuyển đến tán lá ng n Kh Thựctế ă ả
Thoát hơi khả năng Độ ẩm đất, 0-6inch, %v Tán lá %
Trạng thái sinh tr−ởng của cây Các dạng năng
l−ợng khác
% sự thoát hơi của tán lá Bốc hơi thực tế của đất
Thời gian trong năm Phân bố rễ cây, % ng n Kh Thựctế ă ả Độ sâu của đất, feet
Thời gian trong năm Độ ẩm đất có sẵn, %
Thoát hơi thực tế
Phân bố lại độ ẩm của đất
Sức căng Dẫn suấ t ET thực tế ET thực tế thoát ra từ độ ẩm đất Đô ẩm đất, % Thấm
Hình 6.17 Chuỗi sơ đồ tính ET thực tế hàng ngày và sự thay đổi n−ớc trong đất (Saxton cùng cộng sự, 1974b)
Mô hình này sau đó đã đ−ợc sửa lại cho hợp với các điều kiện về cánh đồng, trong đó n−ớc bị hạn chế. Trong tr−ờng hợp đó, mối quan hệ có dạng :
2 / 1 1 0 p E [1 (t/t ) E = − (6.29) đã đ−ợc thử với
EP = quá trình bốc thoát hơi n−ớc thực vật (mm/ngày) E0 = ET khả năng trung bình tháng (mm/ngày)
t = thời gian sau hạn chế thấp hơn dung l−ợng n−ớc trong đất đối với ET khả năng (ngày) và t1= thời gian để rút hết l−ợng n−ớc còn lại sau một thời gian t (ngày)
Những giá trị đ−ợc tính toán đ−ợc chia cho 3 trong đó LAI < 3 để cung cấp những kết quả tốt hơn. Một thử nghiệm thứ hai của Ritchie và các cộng sự (1976) sử dụng ph−ơng trình (6.29) đ−ợc nhân với tỷ số của l−ợng n−ớc trong đất có thể rút ra hiện tại chia cho l−ợng n−ớc rút ra khả năng theo profile đất.
Một ph−ơng trình tổng quát để tính toán ET thực hàng ngày từ những l−u vực nhỏ đã đ−ợc phát triển và công bố bởi Saxton và các cộng sự (1974b). Mô hình này, đ−ợc chỉ ra trong hình 6.17, tách những ảnh h−ởng đất, khí hậu, vụ mùa chủ yếu thành một thủ tục tính toán với sự nhấn mạnh vào những biểu diễn đồ thị của những mối liên hệ cơ bản. Ng−ời ta đã kết hợp những l−ợng ẩm đ−ợc tính từ những quá trình thoát hơi n−ớc từ thực vật, quá trình bốc hơi từ đất và quá trình bốc hơi từ n−ớc trên mặt để cung cấp cho các −ớc l−ợng ET thực tế hàng ngày.
Bắt đầu từ phần trên cùng của hình 6.17, chúng ta xem xét đến l−ợng n−ớc bị giữ lại trong thực vật có quyền đ−ợc sử dụng năng l−ợng ET khả năng, và không bị hạn chế bởi một giới hạn nào. ET khả năng còn lại đ−ợc chia thành quá trình bốc hơi n−ớc từ đất và quá trình bốc thoát hơi n−ớc của thực vật tuỳ theo sự hiện diện của tán cây. Quá trình bốc hơi của đất thực tế là khả năng bốc hơi bị giới hạn bởi dung l−ợng n−ớc của đất tại bề mặt, trừ tr−ờng hợp là độ ẩm của đất rất lớn, do đó việc biểu diễn chuỗi quá trình làm khô hai giai đoạn theo truyền thống bằng quan hệ ở hình 6.16. Đối vùng đất khô với một tán thực vật, một tỷ lệ phần trăm nào đó của quá trình bốc hơi khả năng của đất không sử dụng quay trở lại vào quá trình thoát hơi n−ớc khả năng của thực vật để giải thích về nguồn năng l−ợng bị bức xạ trở lại của đất và không khí bị đốt
nóng. Quá trình thoát hơi n−ớc thực tế đ−ợc tính toán qua những khảo sát liên tiếp diện tích diệp lục để mô tả khả năng thoát hơi n−ớc do sự tồn tại tán cây (hình 6.12), một sự phân bố rễ phản ánh trong profile đất thực vật đang cố gắng giữ n−ớc.(bảng 6.8), và một mối quan hệ của ứng suất n−ớc mà đ−ợc cung cấp cho mỗi tầng đất và là một hàm của l−ợng n−ớc có trong thực vật ở tầng đất đó và những yêu cầu của khí quyển lên thực vật (hình 6.15). N−ớc trong đất đ−ợc điều chỉnh bằng cách lấy ET thực hàng ngày từ mỗi tầng đất mà rễ ăn sâu xuống, cộng thêm với quá trình thẩm thấu hàng ngày đ−ợc tính toán từ giáng thuỷ trừ đi l−u l−ợng dòng chảy đ−ợc tính toán hay −ớc l−ợng, và −ớc l−ợng sự phân bố và sự thấm qua của n−ớc trong đất bằng một sự tính toán dòng không bão hoà kiểu Darxy.
Mô hình này đã đ−ợc xây dựng khá thành công và đ−ợc ứng dụng cho lúa mì và cỏ trên hoàng thổ, và có khả năng linh hoạt để thích ứng với nhiều dạng cây trồng và đất. Hình 6.18 chỉ ra một ví dụ của những kết quả sử dụng mô hình này cho những tầng đất đ−ợc chọn lựa của một profile đất 1.8m (6 ft) suốt mùa phát triển sau quá trình xác định qui mô đối với đồng lúa mì và đất sét trộn bùn. Những giá trị dự báo đ−ợc đặt cân bằng với giá trị quan trắc chỉ tại thời kỳ quan trắc đầu tiên. Campbell và Johnson (1975), Anderson (1975), Koellieker và các cộng sự (1976) đã ứng dụng thành công những phiên bản đ−ợc biến đổi từ ph−ơng pháp này của những vùng đất ẩm và những vùng đất khô ở Iowa, và vùng bán khô hạn ở Tây Kansas, riêng từng vùng. Nh− phần lớn các ph−ơng pháp ET, ph−ơng pháp này mô tả một quá trình kết hợp giữa thổ nh−ỡng và vụ mùa đơn lẻ cho sự cân bằng n−ớc theo chiều thẳng đứng đ−ợc tính toán, do đó những l−u vực với một số cây trồng và/hoặc một số loại đất sẽ gặp nhiều áp dụng trên các tính toán hàng ngày hoặc những biểu diễn đất và vụ mùa trung bình.
Một số ph−ơng pháp đã đ−ợc công bố có ứng dụng tốt nhất cho chế độ thuỷ văn l−u vực hoặc những khu vực đất sử dụng cụ thể. Ph−ơng pháp ET đ−ợc cung cấp bởi Crawford và Linsley (1966) trong mô hình l−u vực Stanford IV xem xét ảnh h−ởng của sự biến đổi thực tế qua một hệ số −ớc l−ợng tỉ lệ phần trăm của diện tích biến đổi, phần trăm của khả năng xuất hiện quá trình bốc hơi, ng−ợc lại nó là một hàm của một hệ số phụ thuộc vào thời gian để mô
tả sự phát triển của vụ mùa. Với việc sử dụng sự bốc hơi lòng chảo nh− một ET thực tế, mô hình này kết hợp ET thực đ−ợc −ớc l−ợng từ sự chắn hai miền đất, và n−ớc d−ới đất để −ớc l−ợng tổng l−ợng ET thực hàng ngày. Không có một cố gắng nào đ−ợc thực hiện để tách quá trình bốc hơi của đất từ quá trình thoát hơi n−ớc thực vật, và việc xác định bậc của tham số thu đ−ợc bằng cách lắp các giá trị quan trắc của l−u vực. Fleming (1975, trang 137) đã cung cấp thêm một số chi tiết nữa và lời giải thích.
Hình 6.18 Phân bố ẩm của đất đ∙ quan trắc và tính toán sử dụng ph−ơng pháp của Saxton cùng cộng sự (1974b) cho ngũ cốc trồng trên đất phù sa (1970) Độ ẩm củ a đ ất, % th ể tích Tính toán Quan trắc
Morton (1975, 1976) đã đ−a ra một ph−ơng pháp dựa trên số liệu khí hậu vùng và đã chỉ ra những ứng dụng của nó cho nhiều l−u vực lớn ở Mỹ và Canada. Hanson (1976) và Aase và các cộng sự (1973) đã phát triển các ph−ơng trình dự báo ET cho dải đất tự nhiên của miền Tây n−ớc Mỹ. Grigel và Hubbard (1971) mô tả một mô hình ET thực nghiệm, SOGGY.
Những ph−ơng pháp khác đã hạn chế các số liệu đầu vào của nó bằng các số liệu khí hậu sẵn có làm cho những mô hình này trở nên thiết thực hơn những ph−ơng pháp tinh vi. Eagleman (1967) đã mô tả một ph−ơng pháp dựa trên nhiệt độ không khí và độ ẩm. Brun và các cộng sự (1972), Kanemasu và các công sự (1976), và Rosenthial và các cộng sự (1977), đã mô tả những ph−ơng pháp sử dụng nhiệt độ không khí, Rn, và LAI. Jensen và các cộng sự (1971) đã thảo luận về một cách tiếp cận t−ơng tự cho việc xây dựng kế hoạch t−ới tiêu, nh−ng kỹ thuật đó cần phải đ−ợc thay đổi và cung cấp cho những nhu cầu thuỷ văn.
Một số ph−ơng pháp mô tả các quá trình ET với hệ thống đất thực vật khí quyển đã đ−ợc phát triển. Mô hình đất-thực vật-khí quyển (SPAM) đ−ợc mô tả bởi Lemon và các cộng sự (1973) và Shawcroft và những ng−ời khác (1974) xử lý các đặc tính của ET và sự phát triển của thực vật một cách chi tiết