一種多層土壤水分模擬方法和系統的制作方法
【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，包括：構建土壤水分層均衡模型，結合遙感技術調整模型結構；利用遙感技術獲取模型參數，構建流域水文空間信息數據庫；利用調整后的土壤水分層均衡模型和所述流域水文空間信息數據庫，開展多層土壤水分過程數值模擬。本發(fā)明能夠將遙感反演方法和傳統的典型土壤水分層均衡模型相耦合，構建出物理機制明確、結構簡單的模型，并能保持一定的土壤水模擬精度，實現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
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及生態(tài)水文科學領域，尤其涉及一種多層土壤水分模擬方法和系統。
【背景技術】
[0002]土壤水分為水循環(huán)的重要組成部分，是水文學、氣象學以及農業(yè)科學研究領域中的一個重要指標參數。土壤水的含量和運動變化，深刻地影響土壤內部物質的轉化過程，并通過蒸發(fā)蒸騰的方式在農業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境建設和保護方面發(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基礎，它不僅影響林木、大田作物、蔬菜、果樹的產量，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均有較大差異，從而導致下墊面具有非均一丨I"生。
[0005]傳統的土壤水分監(jiān)測方法有經驗統計法(從氣象和地形因素通過經驗公式和數理統計方法計算土壤水分)、應用微氣象學方法(能量平衡、空氣動力能量平衡和空氣動力渦度相關等)、土壤水運動規(guī)律分析法(土壤水量平衡計算、零通量面、測滲學法和土壤水動力學等)。而土壤水分的遙感反演方法主要有熱慣量法、溫度植被指數法、微波遙感法等。
[0006]但是，現有技術中的土壤水分監(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)明內容】

[0007](一)要解決的技術問題
[0008]本發(fā)明提供一種多層土壤水分模擬方法和系統，以解決現有技術中無法滿足多層土壤水分模擬的空間化和動態(tài)化需求的技術問題。
[0009](二)技術方案
[0010]為解決上述技術問題，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]構建土壤水分層均衡模型，結合遙感技術調整模型結構；
[0012]利用遙感技術獲取模型參數，構建流域水文空間信息數據庫；[0013]利用調整后的土壤水分層均衡模型和所述流域水文空間信息數據庫，開展多層土壤水分過程數值模擬。
[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，所述構建土壤水分層均衡模型，結合遙感技術調整模型結構包括:
[0016]構建并調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，構建并調整植被截流模型:
[0026]構建林冠截留量計算方程為:
[0027]
【權利要求】
1.一種多層土壤水分模擬方法,其特征在于,包括: 構建土壤水分層均衡模型，結合遙感技術調整模型結構； 利用遙感技術獲取模型參數，構建流域水文空間信息數據庫； 利用調整后的土壤水分層均衡模型和所述流域水文空間信息數據庫，開展多層土壤水分過程數值模擬。
2.根據權利要求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.根據權利要求2所述的多層土壤水分模擬方法，其特征在于，所述構建土壤水分層均衡模型，結合遙感技術調整模型結構包括: 構建并調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.根據權利要求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.根據權利要求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: 所述模型參數包括:氣象參數、下墊面植被參數、下墊面土壤參數、經驗參數和其它參數中的一種或幾種； 所述氣象參數包括:降雨量、灌溉量、氣溫、地表溫度、2米處風速、大氣壓、空氣相對濕度、生長期內平均風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包括:葉面積指數、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； 所述經驗參數包括:地表徑流參數1、地表徑流參數2和地表覆被因子中的一種或幾種； 所述其它參數包括: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，其特征在于，包括:模型構建單元、遙感參數單元和模擬單元,模型構建單元和遙感參數單元分別與模擬單元相連，其中: 模型構建單元，用于構建土壤水分層均衡模型，結合遙感技術調整模型結構； 遙感參數單元，用于利用遙感技術獲取模型參數，構建流域水文空間信息數據庫； 模擬單元，用于利用調整后的土壤水分層均衡模型和所述流域水文空間信息數據庫，開展多層土壤水分過程數值模擬。
7.根據權利要求6所述的多層土壤水分模擬系統，其特征在于，所述模型構建單元包括: 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.根據權利要求7所述的多層土壤水分模擬系統，其特征在于，所述模型構建單元包括: 土壤水分平衡模型子單元，用于構建并調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，用于構建并調整植被截流模型: 構建林冠截留量計算方程為:
9.根據權利要求8所述的多層土壤水分模擬系統，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.根據權利要求6至9中任一項所述的多層土壤水分模擬系統，其特征在于: 所述模型參數包括:氣象參數、下墊面植被參數、下墊面土壤參數、經驗參數和其它參數中的一種或幾種； 所述氣象參數包括:降雨量、灌溉量、氣溫、地表溫度、2米處風速、大氣壓、空氣相對濕度、生長期內平均風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包括:葉面積指數、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； 所述經驗參數包括:地表徑流參數1、地表徑流參數2和地表覆被因子中的一種或幾種； 所述其它參數包括: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:中國科學院遙感與數字地球研究所