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一種多層土壤水分模擬方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多層土壤水分模擬方法和系統(tǒng)，包括：構(gòu)建土壤水分層均衡模型，結(jié)合遙感技術(shù)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)；利用遙感技術(shù)獲取模型參數(shù)，構(gòu)建流域水文空間信息數(shù)據(jù)庫；利用調(diào)整后的土壤水分層均衡模型和所述流域水文空間信息數(shù)據(jù)庫，開展多層土壤水分過程數(shù)值模擬。本發(fā)明能夠?qū)⑦b感反演方法和傳統(tǒng)的典型土壤水分層均衡模型相耦合，構(gòu)建出物理機制明確、結(jié)構(gòu)簡單的模型，并能保持一定的土壤水模擬精度，實現(xiàn)多層土壤水分模擬的空間化和動態(tài)化。
【專利說明】一種多層土壤水分模擬方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生態(tài)水文科學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種多層土壤水分模擬方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤水分為水循環(huán)的重要組成部分，是水文學(xué)、氣象學(xué)以及農(nóng)業(yè)科學(xué)研究領(lǐng)域中的一個重要指標(biāo)參數(shù)。土壤水的含量和運動變化，深刻地影響土壤內(nèi)部物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程，并通過蒸發(fā)蒸騰的方式在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護方面發(fā)揮著重要作用。在全球土壤濕度計劃(Global Soil Wetness Por ject, GSWP)中，土壤水已被作為專門的議題來進行探討和研究，且已經(jīng)成為全球變化研究的重要焦點之一。因此，深入研究土壤水分變化機理，弄清土壤水分含量和運移規(guī)律，對加強區(qū)域水資源管理，合理利用降水資源，緩解水資源匱乏具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003]所謂土壤水是指在一個大氣壓下，在105°C條件下能從土壤中分離出來的水分。土壤水是植物生長和生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，它不僅影響林木、大田作物、蔬菜、果樹的產(chǎn)量，還影響陸地表面植物的分布。
[0004]下墊面是指地球表面，包括海洋、陸地、陸地上的高原、山地、平原、森林、草原以及城市等。下墊面各部分溫度、水分以及表面形狀等參數(shù)均有較大差異，從而導(dǎo)致下墊面具有非均一丨I"生。
[0005]傳統(tǒng)的土壤水分監(jiān)測方法有經(jīng)驗統(tǒng)計法(從氣象和地形因素通過經(jīng)驗公式和數(shù)理統(tǒng)計方法計算土壤水分)、應(yīng)用微氣象學(xué)方法(能量平衡、空氣動力能量平衡和空氣動力渦度相關(guān)等)、土壤水運動規(guī)律分析法(土壤水量平衡計算、零通量面、測滲學(xué)法和土壤水動力學(xué)等)。而土壤水分的遙感反演方法主要有熱慣量法、溫度植被指數(shù)法、微波遙感法等。
[0006]但是，現(xiàn)有技術(shù)中的土壤水分監(jiān)測方法雖然可以模擬厚層土壤水分變化規(guī)律，但是很難滿足區(qū)域尺度土壤水分連續(xù)監(jiān)測；遙感反演方法雖然具有快速、客觀的優(yōu)勢，在一定程度上解決了表層和淺層土壤濕度的反演問題，但是大都在特定的時間和地域建立的，很難滿足深層土壤濕度反演的需要。因此，傳統(tǒng)的土壤水分監(jiān)測方法和遙感反演方法都具有一定的局限性，無法滿足多層土壤水分模擬的空間化和動態(tài)化需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一)要解決的技術(shù)問題
[0008]本發(fā)明提供一種多層土壤水分模擬方法和系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無法滿足多層土壤水分模擬的空間化和動態(tài)化需求的技術(shù)問題。
[0009](二)技術(shù)方案
[0010]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種多層土壤水分模擬方法，其特征在于，包括:
[0011]構(gòu)建土壤水分層均衡模型，結(jié)合遙感技術(shù)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)；
[0012]利用遙感技術(shù)獲取模型參數(shù)，構(gòu)建流域水文空間信息數(shù)據(jù)庫；[0013]利用調(diào)整后的土壤水分層均衡模型和所述流域水文空間信息數(shù)據(jù)庫，開展多層土壤水分過程數(shù)值模擬。
[0014]進一步地,所述土壤水分層均衡模型包括:土壤水分平衡模型、植被截流模型、地表徑流模型、蒸散發(fā)模型、根系吸水模型、層間土壤水分增量模型、根系層補給量模型中的一個或多個。
[0015]進一步地，所述構(gòu)建土壤水分層均衡模型，結(jié)合遙感技術(shù)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)包括:
[0016]構(gòu)建并調(diào)整土壤水分平衡模型:
[0017]降水條件下，表層、有棵間蒸發(fā)的土壤水分平衡方程為:
[0018]=Wi'+I^D1-S{^
[0019]其余為
[0020]非降水條件下，表層土壤水分平衡方程為:
[0021]W11+1 =wj1+Δd1-sji [0022]其余為:wj+i=wij+Δs— uppersop — 1ss1- Sji(/ 2 2 ),
[0023]Δ s_upperrop_lossi=s_upperrop_lossi+1-s_upperrop_lossi_1 (i ^ 2)；
[0024]其中i為土壤層次，j為時間節(jié)點，W?為第i層時段初根系層土壤貯水量，W廣1為第i層時段末根系層土壤貯水量，Ea為表層棵間蒸發(fā)量，ADi為降水或灌水后第i層土壤水分增量，Si為第i層作物根系的吸水量，s_upperrop_lossi為第i層凈水分上移量；
[0025]和/或，構(gòu)建并調(diào)整植被截流模型:
[0026]構(gòu)建林冠截留量計算方程為:
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種多層土壤水分模擬方法,其特征在于,包括: 構(gòu)建土壤水分層均衡模型，結(jié)合遙感技術(shù)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)； 利用遙感技術(shù)獲取模型參數(shù)，構(gòu)建流域水文空間信息數(shù)據(jù)庫； 利用調(diào)整后的土壤水分層均衡模型和所述流域水文空間信息數(shù)據(jù)庫，開展多層土壤水分過程數(shù)值模擬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層土壤水分模擬方法，其特征在于，所述土壤水分層均衡模型包括:土壤水分平衡模型、植被截流模型、地表徑流模型、蒸散發(fā)模型、根系吸水模型、層間土壤水分增量模型、根系層補給量模型中的一個或多個。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多層土壤水分模擬方法，其特征在于，所述構(gòu)建土壤水分層均衡模型，結(jié)合遙感技術(shù)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)包括: 構(gòu)建并調(diào)整土壤水分平衡模型: 降水奪件下，表層、有棵間蒸發(fā)的土壤水分平衡方程為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多層土壤水分模擬方法，其特征在于:所述參考作物蒸散量ETp0的計算方法為:


5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的多層土壤水分模擬方法，其特征在于: 所述模型參數(shù)包括:氣象參數(shù)、下墊面植被參數(shù)、下墊面土壤參數(shù)、經(jīng)驗參數(shù)和其它參數(shù)中的一種或幾種； 所述氣象參數(shù)包括:降雨量、灌溉量、氣溫、地表溫度、2米處風(fēng)速、大氣壓、空氣相對濕度、生長期內(nèi)平均風(fēng)速和平均最小相對濕度中的一種或幾種； 所述下墊面植被參數(shù)包括:葉面積指數(shù)、植被蓋度、地表反照率、波段31發(fā)射率、波段32發(fā)射率、植被高度和平均植被最大高度中的一種或幾種； 所述下墊面土壤參數(shù)包括:初始土壤含水量、土壤田間含水量、土壤飽和含水量、土壤萎蔫含水量中的一種或幾種； 所述經(jīng)驗參數(shù)包括:地表徑流參數(shù)1、地表徑流參數(shù)2和地表覆被因子中的一種或幾種； 所述其它參數(shù)包括:中分辨率成像光譜儀過境時間、日出時間、日落時間和地理緯度中的一種或幾種。
6.一種多層土壤水分模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括:模型構(gòu)建單元、遙感參數(shù)單元和模擬單元,模型構(gòu)建單元和遙感參數(shù)單元分別與模擬單元相連，其中: 模型構(gòu)建單元，用于構(gòu)建土壤水分層均衡模型，結(jié)合遙感技術(shù)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)； 遙感參數(shù)單元，用于利用遙感技術(shù)獲取模型參數(shù)，構(gòu)建流域水文空間信息數(shù)據(jù)庫； 模擬單元，用于利用調(diào)整后的土壤水分層均衡模型和所述流域水文空間信息數(shù)據(jù)庫，開展多層土壤水分過程數(shù)值模擬。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多層土壤水分模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述模型構(gòu)建單元包括: 模型分類子單元，用于將土壤水分層均衡模型分為:土壤水分平衡模型、植被截流模型、地表徑流模型、蒸散發(fā)模型、根系吸水模型、層間土壤水分增量模型、根系層補給量模型中的一種或多種類型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多層土壤水分模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述模型構(gòu)建單元包括: 土壤水分平衡模型子單元，用于構(gòu)建并調(diào)整土壤水分平衡模型: 降水條件下，表層、有棵間蒸發(fā)的土壤水分平衡方程為: W =W/ +AD/ 其余為 非降水條件下，表層土壤水分平衡方程為: fV/+1 = JV/ + s _uppersop_l0.s.s: - Eu' - S' _ _ ，
其余為:町+1 二 W' + Av — uppersop — 1ss1- 5/
A s_upperrop_lossi=s_upperrop_lossi+1-s_upperrop_lossi_1 (i ^ 2)； 其中i為土壤層次，j為時間節(jié)點，Wi'為第i層時段初根系層土壤貯水量，W廣1為第i層時段末根系層土壤貯水量，Ea為表層棵間蒸發(fā)量，ADi為降水或灌水后第i層土壤水分增量，Si為第i層作物根系的吸水量，s_upperrop_lossi為第i層凈水分上移量； 和/或，植被截流模型子單元，用于構(gòu)建并調(diào)整植被截流模型: 構(gòu)建林冠截留量計算方程為:
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多層土壤水分模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述蒸散發(fā)模型子單元包括: 參考作物蒸散量計算模塊，用于計算參考作物蒸散量ETptl,公式為:


10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項所述的多層土壤水分模擬系統(tǒng)，其特征在于: 所述模型參數(shù)包括:氣象參數(shù)、下墊面植被參數(shù)、下墊面土壤參數(shù)、經(jīng)驗參數(shù)和其它參數(shù)中的一種或幾種； 所述氣象參數(shù)包括:降雨量、灌溉量、氣溫、地表溫度、2米處風(fēng)速、大氣壓、空氣相對濕度、生長期內(nèi)平均風(fēng)速和平均最小相對濕度中的一種或幾種； 所述下墊面植被參數(shù)包括:葉面積指數(shù)、植被蓋度、地表反照率、波段31發(fā)射率、波段32發(fā)射率、植被高度和平均植被最大高度中的一種或幾種； 所述下墊面土壤參數(shù)包括:初始土壤含水量、土壤田間含水量、土壤飽和含水量、土壤萎蔫含水量中的一種或幾種； 所述經(jīng)驗參數(shù)包括:地表徑流參數(shù)1、地表徑流參數(shù)2和地表覆被因子中的一種或幾種； 所述其它參數(shù)包括:中分辨率成像光譜儀過境時間、日出時間、日落時間和地理緯度中的一種或幾種。
【文檔編號】G01N33/24GK103645295SQ201310645778
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】王玉娟, 王樹東, 張立福, 劉佳, 王曉華, 吳太夏, 楊杭, 岑奕 申請人:中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所