用于气候变化背景下陆面水文和农业灌溉协同变化的模拟方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供用于气候变化背景下陆面水文和农业灌溉协同变化的模拟方法及装置，包括：步骤Ⅰ.开发灌溉模块：估算网格尺度的作物灌溉需水量，根据有效灌溉率计算灌溉水量；步骤Ⅱ.灌溉模块与陆面

【技术实现步骤摘要】
用于气候变化背景下陆面水文和农业灌溉协同变化的模拟方法及装置


[0001]本专利技术属于水文监测
，具体涉及一种用于气候变化背景下陆面水文和农业灌溉活动强度协同变化的模拟方法及装置。

技术介绍

[0002]地表水和地下水作为水文循环的重要组成部分，在人类生产生活各方面都发挥着重要作用。其中，农业灌溉是人类的主要用水单元，全球范围内灌溉用水占到总用水量的70％。农业灌溉由于耗水量大、密集程度高，往往能在较大程度上改变水文过程，甚至区域气候条件。
[0003]为了描述农业灌溉活动对水文过程的影响，学者们在不同的模型中加入农业灌溉的取用水模块。在全球水文模型中，如全球水文模型H08、全球用水评价模型WaterGAP、全球水文和水资源模型PCR
‑
GLOBWB，根据气象条件、耕种面积等估算灌溉量和耗水量，并从地表水和/或地下水储量中扣减这部分水量。在水文模型中，采用植被类型、植被覆盖等卫星反演数据估算灌溉量，或者采用更简单的土壤水分亏缺法来计算灌溉量，并从河道、湖泊、地下水中扣除灌溉水量。
[0004]现有针对农业灌溉与水文过程的模拟方法存在如下问题：(1)实际中有效灌溉率无法达到100％，作物的灌溉需水量无法完全满足，导致水文模型中估算的灌溉水量往往较实际灌溉量偏高；(2)计算作物灌溉需水量时，往往采用简单的水量平衡法来估算土壤水分含量，忽略了其余相关的陆面过程；(3)水文模型中往往强调农业灌溉取用水与水文过程的相互影响，如灌溉导致河道流量减小、地下水水位下降，同时河湖等可供水量会限制灌溉取水量，而较少考虑农业灌溉与陆面过程的相互作用，无法模拟变化环境下农业灌溉强度的变化过程。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供用于气候变化背景下陆面水文和农业灌溉协同变化的模拟方法及装置，不仅可以完整地模拟农业灌溉活动影响下陆面过程和水文过程，还可以模拟在地表条件和水文要素变化情况下灌溉强度的变化过程。
[0006]本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：
[0007]<方法>
[0008]如图1所示，本专利技术提供用于气候变化背景下陆面水文过程和农业灌溉活动强度协同变化的模拟方法，包括如下步骤：
[0009]步骤Ⅰ.开发灌溉模块：
[0010]采用全球作物用水模型方法估算网格尺度的作物灌溉需水量，根据有效灌溉率计算灌溉水量W
irr
：
[0011]W
irr
＝α
·
IWR，
[0012]式中，IWR为网格单元内作物的需水量[mm/day]；α为有效灌溉率，其值一般可根据以往研究或统计数据确定；
[0013]步骤Ⅱ.灌溉模块与陆面
‑
水文模型的耦合：
[0014]在已有陆面
‑
水文过程模型的基础上开发灌溉模块，建立陆面
‑
水文
‑
灌溉过程模型，具体步骤为：
①
将陆面模式模拟的土壤水分传递给灌溉模块，通过灌溉模块计算网格单元的灌溉水量；
②
根据地表水模块中河湖水位计算地表水供水量，从而确定地表水和地下水灌溉取水量；
③
在地表水和地下水模块中描述地表水和地下水取水过程，在陆面模式中实现对农业灌溉用水过程的描述；
[0015]本专利技术的耦合方法见图2，图3所示为陆面
‑
水文
‑
灌溉模型结构图；
[0016]步骤Ⅲ.灌溉模块的改进：
[0017]根据地表水可用水量计算地表水灌溉取水量，并进一步确定地下水灌溉取水量；
[0018][0019]式中，为地表水灌溉取水量[m/s]，为地下水灌溉取水量[m/s]，W
irr
为灌溉水量[mm/day]，W
sf
为地表水可用水量[m3]，
△
t为时间步长[s]；
[0020]步骤Ⅳ.河道汇流演算和地下水侧向流动算法的改进：
[0021]采用改进河道汇流算法和地下水侧向流动算法来分别描述农业灌溉的地表水和地下水取水过程，具体改进为：
[0022]①
将地表水灌溉取水量作为源汇项加入地表水模块，实现在地表水模块中描述地表水取水过程：
[0023][0024]式中，A
flow
为水流截面积[m2]，H为河湖自由水面的高程[m]，Q为网格单元的流量[m3/s]；
[0025]②
将地下水灌溉取水量作为源汇项加入地下水模块，实现在地下水模块中描述地下水取水过程：
[0026][0027]式中，T为单位传导率[m2/s]，μ为单位给水度[m3/m
–3]，H
g
为非承压层地下水水位的高程[m]；
[0028]步骤
Ⅵ
.模型的构建与验证：
[0029]基于以上改进的模块和算法，构建研究流域的陆面
‑
水文
‑
灌溉模型，根据实测灌溉量验证灌溉模块；
[0030]步骤
Ⅶ
.协同变化过程模拟：
[0031]基于研究区域的实测资料和模拟要求，输入模型所需的资料和参数值，然后运行模型，进行研究气候变化背景下区域范围内陆面过程、水文过程与农业灌溉活动强度的协同变化过程模拟。
[0032]优选地，本专利技术提供的用于气候变化背景下陆面水文过程和农业灌溉活动强度协同变化的模拟方法，在步骤Ⅰ中：采用全球作物用水模型的方法估算作物的灌溉需水量：
[0033]IWR
C
＝PET
C
‑
AET
C
，
[0034]式中，IWR
C
为作物的灌溉需水量[mm/day]；PET
C
为作物潜在蒸散量[mm/day]，表示健康作物在充分灌溉情况下的蒸散量，其值取决于气候条件、作物类型、作物生长状况等，采用作物系数法进行计算；AET
C
为实际作物蒸散量[mm/day]，作物在变化环境中受水分和生长条件的胁迫。
[0035]PET
C
＝k
C
·
ET0，
[0036]式中，K
C
为无量纲参数作物系数，表征不同类型的作物在不同生长阶段的需水规律；ET0表示参考作物蒸散量[mm/day]，根据FAO Penman
‑
Monteith方法计算；
[0037][0038]p＝p
std
+0.04(5
‑
PET
C
)，
[0039]式中，K
s
为作物的水分胁迫系数[
‑
]；S
max
为土壤总可用水量[mm]；p
std
为作物对水分的标准消耗率，其值表示蒸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于气候变化背景下陆面水文和农业灌溉协同变化的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤Ⅰ.开发灌溉模块：采用全球作物用水模型的方法估算网格尺度的作物灌溉需水量，根据有效灌溉率计算灌溉水量W
irr
：W
irr
＝α
·
IWR，式中，IWR为网格单元内作物的需水量；α为有效灌溉率；步骤Ⅱ.灌溉模块与陆面
‑
水文模型的耦合：在已有陆面
‑
水文过程模型的基础上开发灌溉模块，建立陆面
‑
水文
‑
灌溉过程模型，具体步骤为：
①
将陆面模式模拟的土壤水分传递给灌溉模块，通过灌溉模块计算网格单元的灌溉水量；
②
根据地表水模块中河湖水位计算地表水供水量，从而确定地表水和地下水灌溉取水量；
③
在地表水和地下水模块中描述地表水和地下水取水过程，在陆面模式中实现对农业灌溉用水过程的描述；步骤Ⅲ.灌溉模块的改进：根据地表水可用水量计算地表水灌溉取水量，并进一步确定地下水灌溉取水量；式中，为地表水灌溉取水量，为地下水灌溉取水量，W
sf
为地表水可用水量，
△
t为时间步长；步骤Ⅳ.河道汇流演算和地下水侧向流动算法的改进：
①
将地表水灌溉取水量作为源汇项加入地表水模块，实现在地表水模块中描述地表水取水过程：式中，A
flow
为水流截面积，H为河湖自由水面的高程，Q为网格单元的流量；
②
将地下水灌溉取水量作为源汇项加入地下水模块，实现在地下水模块中描述地下水取水过程：式中，T为单位传导率；μ为单位给水度；H
g
为非承压层地下水水位的高程；步骤
Ⅵ
.模型的构建与验证：基于以上改进的模块和算法，构建研究流域的陆面
‑
水文
‑
灌溉模型，根据实测灌溉量验证灌溉模块；步骤
Ⅶ
.协同变化过程模拟：基于研究区域的实测资料和模拟要求，输入模型所需的资料和参数值，然后运行模型，进行研究气候变化背景下区域范围内陆面过程、水文过程与农业灌溉活动强度的协同变化
过程模拟。2.根据权利要求1所述的用于气候变化背景下陆面水文和农业灌溉协同变化的模拟方法，其特征在于：其中，在步骤Ⅲ中：
①
对于灌溉模块中可被植物利用的土壤水分，根据陆面模式中模拟的作物根系区土壤湿度来计算，具体计算公式如下：S＝∑θ
k
·
Δz
k
，式中，θ
k
为根系区不同土壤层的土壤湿度；
△
z
k
为根系区不同土壤层的厚度；k为多层土壤模型中根系区对应的层数；
②
地表水用水量采用如下公式计算：W
sf
＝f
·
(Z
water
‑
Z
bed
)
·
Δx
·
Δy，式中，W
sf
为地表水可用水量，f为网格单位内水面面积占比，Z
water
为水面水位，Z
bed
为河底高程，
△
x和
△
y为网格单位精度。3.根据权利要求1所述的用于气候变化背景下陆面水文和农业灌溉协同变化的模拟方法，其特征在于，还包括：步骤
Ⅴ
.土壤水分动态变化算法的改进：陆面模式中多层土壤模块采用下列方程来描述垂向土壤水分的动态变化：式中，θ为土壤含水量，z为土壤深度，D(θ)为土壤水分的扩散率，K(θ)为土壤导水率，q
nat
为表层土壤的自然水分通量；根据灌溉取水量确定网格单元的实际灌溉水量为：式中，为实际灌溉量，β为灌溉输水管网损漏率；将确定的实际灌溉量作为源汇项加入多层土壤模块，具体表达式为：式中，为灌溉水量。4.根据权利要求1所述的用于气候变化背景下陆面水文和农业灌溉协同变化的模拟方法，其特征在于：其中，在步骤
Ⅵ
中，先构建陆面
‑
水文模型，验证陆面模块和水文模型，再构建陆面
‑
水文
‑
灌溉模块，对灌溉模块进行验证，具体步骤如下：(1)构建与验证陆面
‑
水文模型
①
以流域为对象，收集研究流域内地理数据，给出流域范...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏倩，刘攀，范杨臻，王亚菲，韩东阳，刘伟博，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：