基于水循環(huán)全過程非飽和帶土壤水分消耗特性的評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】[0001] 本發(fā)明涉及一種非飽和帶土壤水分消耗特性的評價方法，是一種生態(tài)環(huán)境資源的評價 方法，是一種通過構(gòu)建非飽和帶水循環(huán)全信息模擬為支撐的宏觀大尺度土壤水分消耗特性 的評價理論的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)上，有關(guān)土壤水分的消耗的研究主要集中在土壤耕作層，以蒸發(fā)蒸騰和深層 滲漏為對象，僅是消耗數(shù)量的說明，不僅不能反應土壤水分的蒸發(fā)蒸騰的消耗特性，而且也 主要集中在農(nóng)田尺度，不能全面反映整個非飽和帶土壤水分的動態(tài)轉(zhuǎn)化特性，使得土壤層 的深層滲漏也被作為消耗項而考慮。實質(zhì)上，在整個水資源系統(tǒng)，深層滲漏是對地下水的補 充，并沒有真正消耗。
[0003]目前較大區(qū)域范圍內(nèi)，有關(guān)蒸發(fā)蒸騰消耗的研究，也主要集中于數(shù)量方面，并無消 耗特性的定量方法。即使在數(shù)量評價方法，也由于采用反應水分動態(tài)轉(zhuǎn)化機理的工具方法 的不同而差異較大。目前在有關(guān)非飽和帶土壤水分消耗的數(shù)量定量評價方法，主要概括為 以下兩方面：基于田間尺度的土壤水動態(tài)均衡方法，以及區(qū)域土壤水蒸發(fā)蒸騰的定量模擬 研究方法。其中， 基于田間尺度土壤水運動的均衡方法：其根本原理是以水平衡為基礎(chǔ)，在確定的時空 條件下，以作物根系層深度為研究對象，研究土壤非飽和帶系統(tǒng)水分均衡各要素間的關(guān)系。 土壤水分蒸發(fā)蒸騰消耗項是其重要的平衡項。其中蒸發(fā)量利用土壤深度和土壤含水量的指 數(shù)關(guān)系進行估算；植被蒸騰量是通過潛在蒸騰量、葉面積指數(shù)的非線性關(guān)系進行估算。對于 潛在蒸騰量，通常是以經(jīng)典土壤蒸發(fā)評價方法為工具，目前有關(guān)潛在蒸發(fā)蒸騰研究的標志 性定量方法是Penman公式，以及基于此改進的Penman-Moteith公式。Penman-Monteith公 式，以及Hargreaves方法，Pricestley-Talyor方法。這些均是在綜合考慮能量平衡與動 力學之間作用關(guān)系后，又引入表面阻抗后建立的。其基本特點是對于單剖面土壤水轉(zhuǎn)化模 擬具有原理明確，操作簡單。盡管如此，由于其研究范圍主要集中的根系活動層，不能從全 剖面分析非飽和帶土壤水分的蒸發(fā)蒸騰消耗。而且相關(guān)研究結(jié)果也主要是土壤耕作層土壤 水分數(shù)量的定量評價，不能反應蒸發(fā)蒸騰的消耗效用。同時，這些觀測和計算方法均是在一 些地面站點進行的，由于人力物力的限制，很難用于較大區(qū)域，存在著以點代面，以偏概全， 不能完全反映研究區(qū)域的時空間變異性等問題。
[0004]區(qū)域土壤水蒸發(fā)蒸騰的定量模擬模型：目前有關(guān)區(qū)域土壤蒸散發(fā)消耗的定量評價 模型均以能量平衡為基礎(chǔ)的研究。
[0005]目前有關(guān)能量平衡的土壤水分蒸發(fā)蒸騰模型，遙感反演蒸發(fā)蒸騰的定量模型，是 考慮蒸發(fā)蒸騰的驅(qū)動力是能量，因而以能量平衡為基礎(chǔ)，在綜合考慮凈輻射通量Rn、土壤熱 通量G和顯熱通量H的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。對于陸面能量轉(zhuǎn)化模型法：其基本原理是按照陸地 表面受到的能量等于植被冠層以及土壤層能量收支之和間接確定蒸發(fā)蒸騰的。盡管在土壤 水分蒸發(fā)蒸騰的定量化過程中，逐漸將土壤非飽和帶分為單層模型、雙層模型和多層模型， 使得土壤非飽和帶中土壤特性的考慮做了深入的考慮，但是在計算中仍采用地表能量平衡 方程進行計算，即將植被冠層以下與其之下的土壤層進行區(qū)分，并在處理中按照相互疊加， 認為兩個系統(tǒng)的能量是相互聯(lián)系，植被冠層的釋放或接受的總通量是分層通量之和達到系 統(tǒng)能量的平衡。
[0006] 總之，區(qū)域土壤蒸發(fā)蒸騰模型，盡管陸面能量平衡模型，克服了遙感直接反演蒸發(fā) 蒸騰缺少機理的認識，且使土壤水運動轉(zhuǎn)化行為逐漸從機理上得到深刻的揭示，特別是加 深了對SPAC系統(tǒng)內(nèi)的蒸發(fā)蒸騰的認識，但是均主要立足于能量系統(tǒng)，建立在能量平衡的基 礎(chǔ)上，仍存在難以綜合反應能量平衡和水量平衡的作用，同時也不能很好的反映空間大尺 度條件下土壤水分的時空變異性。此外，以上眾多的定量模型，均可以實現(xiàn)不同空間尺度基 于能量平衡的土壤水分消耗數(shù)量的定量評價，并不能完全給出非飽和帶土壤水分消耗效用 特性的定量評價。
[0007] 然而，由于非飽和帶土壤水分處于水循環(huán)過程的中間環(huán)節(jié)，其動態(tài)轉(zhuǎn)化過程，一方 面，作為水循環(huán)的構(gòu)成，影響著區(qū)域水分的收支；另一方面，由于其動態(tài)轉(zhuǎn)化過程又與能量 平衡密切相關(guān)，直接關(guān)系著區(qū)域能量的循環(huán)轉(zhuǎn)化。因此，綜合能量平衡和水量平衡，開展區(qū) 域尺度非飽和帶土壤水分消耗特性評價，對深入開展水資源需求管理、維持生態(tài)關(guān)系健康 具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種非飽和帶土壤水分消耗特性的評價 方法。所述方法綜合水量和能量過程，在大空間尺度流域/區(qū)域土壤水分詳細模擬基礎(chǔ)上， 全面揭示不同土地利用條件下整個非飽和帶土壤水分消耗特性的評價技術(shù)方法。該方法能 夠綜合陸面水循環(huán)全過程，并實時考慮水分蒸發(fā)蒸騰過程的能量驅(qū)動作用，在保障模擬精 度的基礎(chǔ)上，能夠給出精度較高的評價成果。
[0009] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種非飽和帶土壤水分消耗特性的評價方法，所述 的方法包括如下步驟： 構(gòu)建"非飽和帶土壤水分子系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)化模型"的步驟：用于在水平方向上，確定 非飽和帶不同下墊面條件下對應的土壤水子系統(tǒng)水循環(huán)要素，采用基于矩形網(wǎng)格的空間離 散技術(shù)或基于子流域的空間離散技術(shù)，在垂直方向上，通過地表水和地下水子系統(tǒng)之間通 量的交換，從陸地表面到地下含水層，從上到下劃分為植被或建筑物截留層、地表洼地儲留 層、土壤表層、過渡帶層、淺層地下水層和深層地下水層，綜合自然和人工水循環(huán)不同子過 程模擬，實現(xiàn)以地表和地下水循環(huán)通量為邊界的非飽和帶土壤水分詳細模擬的模型； 區(qū)域非飽和帶土壤水循環(huán)模擬的步驟：用于使用土壤水分運動方程進行模擬：
式中：砂/重力排水、似為吸引壓引起的水分擴散、為土壤蒸發(fā)消耗通量、為表 層土壤蒸發(fā)、尤％土壤層的壤中流、0為土壤層厚度、〃為表層土壤的最大蓄水量、J為不同 土壤層，其中J = 0為洼地儲蓄層、J = 1為土壤表層、J = 2為土壤中層，即第二層，J = 3 為土壤底層，即第三層； 水文模型與遙感反演土壤水分蒸發(fā)蒸騰的數(shù)據(jù)同化的步驟：用于采用陸面能量平衡模 型，提供地表溫度、反照率和植被屬性，對其反演的相應空間分辨率土壤水分的蒸發(fā)蒸騰數(shù) 據(jù)，通過ArcGIS的空間統(tǒng)計功能，展布到非飽和帶土壤水分子系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)化模型的水文 響應單元，然后，針對時間和相應空間觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)同化，以遙感反演與模型模擬相結(jié) 合的模擬結(jié)果與單一模型模擬結(jié)果進行判斷，確定同化后的模型結(jié)果； 確定蒸發(fā)蒸騰結(jié)構(gòu)的步驟：用于結(jié)合非飽和帶土壤水分的轉(zhuǎn)化原理，結(jié)合土地利用變 化，通過非飽和帶土壤水分子系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)化模型模擬獲得不同土地利用下的蒸發(fā)蒸騰消 耗分項和最后的計算單元的綜合土壤水分蒸發(fā)蒸騰，按照土地利用方式的不同，土壤水資 源消耗結(jié)構(gòu)主要歸納為即農(nóng)作物或植被域植被蒸騰、農(nóng)作物或植被域土壤棵間蒸發(fā)、農(nóng)業(yè) 產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)裸土蒸發(fā)，以及難利用土地裸土蒸發(fā)四大類型，確定蒸發(fā)蒸騰結(jié)構(gòu)； 進行土壤水分消耗特性定量評價的步驟：用于根據(jù)蒸發(fā)蒸騰結(jié)構(gòu)，結(jié)合土壤水分在蒸 發(fā)蒸騰過程中其對人類生產(chǎn)和生態(tài)的效用不同，按照土壤水分服務功能的差異，將土壤水 資源的消耗效用分為生產(chǎn)性消耗和非生產(chǎn)性消耗，在此基礎(chǔ)上，土壤水分在消耗過程中對 人類社會經(jīng)濟作用的大小進一步區(qū)分為高效消耗和低效消耗；同時，考慮土壤水分消耗的 可調(diào)控性，針對土地利用，以能否在實踐中指導土壤水資源的高效利用為基本原則，進一步 對其可調(diào)控性做出界定。
[0010] 進一步的，所述的"非飽和帶不同下墊面條件下對應的土壤水子系統(tǒng)水循環(huán)要素 的確定"包括以下子步驟： 基本計算單元的確定，以全流域DEM分析和實測水系矢量圖為基礎(chǔ)，通用地理信息系 統(tǒng)工具對水循環(huán)模擬系統(tǒng)進行劃分的多個子流域； 基本計算單元中不同土地利用所對應的非飽和帶土壤水分蒸發(fā)蒸騰的確定，通過計 算單元內(nèi)可能的土地利用形式分別對應的面積，進行面積加權(quán)確定不同計算單元的蒸發(fā)蒸 騰、不同單元不同土地利用的蒸發(fā)、蒸騰項以及綜合蒸發(fā)蒸騰項；
nlanduse)， 計算出計算單元綜合土壤水分蒸發(fā)蒸騰、同種土地利用情況下不同計算單元的蒸發(fā)蒸 騰以及區(qū)域的蒸發(fā)蒸騰量。
[0011] 進一步的，所述的"與地表水和地下水子系統(tǒng)之間通量的交換"包括：在一個時 間步長內(nèi)，計算單元內(nèi)水循環(huán)模擬系統(tǒng)先完成地表水循環(huán)過程，和地下水與土壤水子系統(tǒng) 的交流并計算各子流域內(nèi)水循環(huán)的各項通量，，其中與土壤水分有關(guān)的垂向循環(huán)通量包括 降水入滲補給量和河道、水庫、濕地、渠系的地表水體滲漏補給量、基流排泄量，以及潛水蒸 發(fā)： 平原區(qū)無側(cè)向壤中流的計算單元：
山丘區(qū)有側(cè)向壤中流的計算單位：
式中：為時段內(nèi)單位面積土體最大土壤含水量，為前一時段單位面積土體土壤 含水量，/為降水量通量，為植被截留量；你為降水形成的地表徑流量；為填洼 tKm地表水下滲為地表水下滲量，爲為潛水蒸發(fā)通量，根據(jù)地下水埋深的不同而不同，當潛水 埋深較大時，可忽略不計；你為深層滲漏通量，％為側(cè)向壤中流，^1、4為計算時 段的起始和終止時間，以上變量的單位均為cm3/cm2。
[0012] 進一步的，所述的基于子流域的空間離散技術(shù)，所述的基于子流域的空間離散技 術(shù)的水循環(huán)模擬系統(tǒng)是SWAT水循環(huán)模擬系統(tǒng)或WEP水循環(huán)模擬系統(tǒng)。
[0013] 進一步的，所述的數(shù)據(jù)同化方法是最優(yōu)插值法、