Aplicability of sap flow data in hydrological modeling
Authors: ЛУПАКОВ С.Ю. , ГУБАРЕВА Т.С. , ШАМОВ В.В. , РУБЦОВ А.В. , ГАРЦМАН Б.И. , БУГАЕЦ А.Н. , ОМЕЛЬКО А.М. 
Published: June 2021

Статья содержит результаты моделирования стока малого речного бассейна в верховьях р. Уссури с использованием оригинальных данных о стволовом сокодвижении, пересчитанных в объем воды, транспирируемый древостоем. В теплый период 2019 г. на территории Верхнеуссурийского стационара ФНЦ биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН проведен комплекс наблюдений за компонентами влагооборота, позволивший накопить необходимый массив данных для гидрологического моделирования. В дополнение к традиционным водно-балансовым измерениям проводился мониторинг транспирации на основе системы датчиков регистрации водотока в стволах деревьев. Полученные данные точечных наблюдений распространены на масштаб водосбора (площадь около 3.1 км2). Показано, что в теплых и сухих условиях объем суточного суммарного испарения с малого речного бассейна может достигать 8.5 тыс. м3, что больше объема речного стока за тот же период в 5–6 раз, а во время выпадения дождей транспирация деревьев уменьшается практически до нуля. Для расчета водного баланса изучаемого объекта использована гидрологическая модель HBV (Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning). Ряды суточной потенциальной эвапотранспирации, рассчитанные на основе широко используемых методов Пенмана-Монтейса и Одина, применены в HBV как входные данные. Расчетные суточные значения испарения, по сравнению с полученными на основе данных стволового сокодвижения, оказались выше в 1.5–2 раза, разница сумм испарения за весь теплый период года достигает слоя 100 мм и более. При этом надежной связи между расчетными значениями суточного испарения и измерениями не было обнаружено. Сделан вывод, что использование приборных данных о стволовом сокодвижении в составе входных переменных в гидрологическую модель повышает качество расчетов стока.

The article deals with the experience of applying an alternative method for quantifying evapotranspiration volume as input to the hydrological model to simulate runoff of a small catchment located in the upper reaches of the Ussuri River. In the warm period of 2019 at the territory of the Verkhneussuriyskiy station of the Federal Scientific Center of the East Asia Terrestrial Biodiversity (FEB RAS), a set of field measurements was carried out. The measured data were used to calibrate the HBV hydrological model (Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning). In addition to traditional water-balance measurements, there was assessed the evapotranspiration rate based on sap flow measurements eliminating other parts of water losses. The Tissue Heat Balance technique was applied to measure a sap flow in some individual trees. After that, the obtained data were scaled up to the catchment area (3.1 km2). It is shown that in warm and dry weather conditions, the volume of daily total evaporation from a small catchment can reach 8.5 ths.m3 that is 5-6 times more than the river runoff volume over the same period. During the rainfall events, the transpiration rate in trees decreases to almost zero. To compare the obtained results with the modelled ones, the potential evapotranspiration was also calculated based on well-known Penman-Monteith’s and L. Oudin’s methods that forced HBV model as input. Based on hydrological simulations, these methods overestimated the actual daily evaporation volume up to 2 times in comparison with the sap flow data, and the difference for the warm season reaches 100 mm and more. No reliable relationship was found between the calculated values of daily evaporation rate and the conventionally “measured” ones. Basically, runoff simulations quality was improved while using evapotranspiration volume assessed with the sap flow data. We conclude that water balance via HBV simulations is quite different depending on applied evapotranspiration method. In this case, overestimated volume of evapotranspiration by Penman-Monteith and L. Oudin methods leads to excessive water extraction from the HBV soil moisture storage. If it’s actually not correct, long-term runoff simulations would result in wrong water balance and error accumulation.