一种多层土壤水分模拟方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种多层土壤水分模拟方法和系统，包括：构建土壤水分层均衡模型，结合遥感技术调整模型结构；利用遥感技术获取模型参数，构建流域水文空间信息数据库；利用调整后的土壤水分层均衡模型和所述流域水文空间信息数据库，开展多层土壤水分过程数值模拟。本发明专利技术能够将遥感反演方法和传统的典型土壤水分层均衡模型相耦合，构建出物理机制明确、结构简单的模型，并能保持一定的土壤水模拟精度，实现多层土壤水分模拟的空间化和动态化。

【技术实现步骤摘要】
一种多层土壤水分模拟方法和系统
本专利技术涉及生态水文科学领域，尤其涉及一种多层土壤水分模拟方法和系统。
技术介绍
土壤水分为水循环的重要组成部分，是水文学、气象学以及农业科学研究领域中的一个重要指标参数。土壤水的含量和运动变化，深刻地影响土壤内部物质的转化过程，并通过蒸发蒸腾的方式在农业生产、生态环境建设和保护方面发挥着重要作用。在全球土壤湿度计划(GlobalSoilWetnessPorject，GSWP)中，土壤水已被作为专门的议题来进行探讨和研究，且已经成为全球变化研究的重要焦点之一。因此，深入研究土壤水分变化机理，弄清土壤水分含量和运移规律，对加强区域水资源管理，合理利用降水资源，缓解水资源匮乏具有重要的现实意义。所谓土壤水是指在一个大气压下，在105℃条件下能从土壤中分离出来的水分。土壤水是植物生长和生存的物质基础，它不仅影响林木、大田作物、蔬菜、果树的产量，还影响陆地表面植物的分布。下垫面是指地球表面，包括海洋、陆地、陆地上的高原、山地、平原、森林、草原以及城市等。下垫面各部分温度、水分以及表面形状等参数均有较大差异，从而导致下垫面具有非均一性。传统的土壤水分监测方法有经验统计法(从气象和地形因素通过经验公式和数理统计方法计算土壤水分)、应用微气象学方法(能量平衡、空气动力能量平衡和空气动力涡度相关等)、土壤水运动规律分析法(土壤水量平衡计算、零通量面、测渗学法和土壤水动力学等)。而土壤水分的遥感反演方法主要有热惯量法、温度植被指数法、微波遥感法等。但是，现有技术中的土壤水分监测方法虽然可以模拟厚层土壤水分变化规律，但是很难满足区域尺度土壤水分连续监测；遥感反演方法虽然具有快速、客观的优势，在一定程度上解决了表层和浅层土壤湿度的反演问题，但是大都在特定的时间和地域建立的，很难满足深层土壤湿度反演的需要。因此，传统的土壤水分监测方法和遥感反演方法都具有一定的局限性，无法满足多层土壤水分模拟的空间化和动态化需求。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供一种多层土壤水分模拟方法和系统，以解决现有技术中无法满足多层土壤水分模拟的空间化和动态化需求的技术问题。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供一种多层土壤水分模拟方法，其特征在于，包括：构建土壤水分层均衡模型，结合遥感技术调整模型结构；利用遥感技术获取模型参数，构建流域水文空间信息数据库；利用调整后的土壤水分层均衡模型和所述流域水文空间信息数据库，开展多层土壤水分过程数值模拟。进一步地，所述土壤水分层均衡模型包括：土壤水分平衡模型、植被截流模型、地表径流模型、蒸散发模型、根系吸水模型、层间土壤水分增量模型、根系层补给量模型中的一个或多个。进一步地，所述构建土壤水分层均衡模型，结合遥感技术调整模型结构包括：构建并调整土壤水分平衡模型：降水条件下，表层、有棵间蒸发的土壤水分平衡方程为：其余为：非降水条件下，表层土壤水分平衡方程为：其余为：Δs_upperrop_lossi＝s_upperrop_lossi+1-s_upperrop_lossi-1(i≥2)；其中i为土壤层次，j为时间节点，为第i层时段初根系层土壤贮水量，为第i层时段末根系层土壤贮水量，Ea为表层棵间蒸发量，ΔDi为降水或灌水后第i层土壤水分增量，Si为第i层作物根系的吸水量，s_upperrop_lossi为第i层净水分上移量；和/或，构建并调整植被截流模型：构建林冠截留量计算方程为：式中，Sv为累计截留量，单位mm；cv为植被盖度，单位％，反映覆被空间分布情况；P为累积降水量，单位mm；Smax为树冠蓄水能力，单位mm，即林冠最大截留量；η为校正系数；其中林冠最大截留量为：Smax＝0.935+0.498×LAI-0.00575×LAI2，校正系数：η＝0.046×LAI，LAI为叶面积指数；和/或，构建并调整地表径流模型：式中，Rs为地表产流量，单位mm；AWu为表层土壤湿度，单位％；WMu为表层土壤饱和含水量，单位％；P'为有效降雨量，单位mm，是降雨量扣除林冠截留后到达地面的净雨量；g1与g2是时变增益因子的有关参数，0<g1<1，1<g2，其中g1为土壤饱和后径流系数，g2为土壤水影响系数；C为覆被影响参数；和/或，构建并调整蒸散发模型：植被覆盖区实际蒸散量由土表实际棵间蒸发量Ea和实际蒸腾量Ta组成：Ea＝Ks×Ep，Ta＝Ks×Tp，其中土壤水分胁迫系数Ks为：Ks＝ln(Av+1)/ln(101)，Av＝[(W-Wa)/(Wf-Wa)]×100，式中，Wf为田间持水量，单位mm；Wa为风干土含水量，单位mm；Av为相对有效含水量。土表潜在棵间蒸发量Ep为：LAI为叶面积指数，植被潜在蒸腾量Tp为：Tp＝ETp-Ep；潜在蒸散ETp的表达式为：ETp＝Kc·ETp0，式中，Kc为作物系数；ETp0为参考作物蒸散量，单位mm；和/或，构建并调整根系吸水模型：根系吸水量的表达式为：其中Tp为植被潜在蒸腾量，AROOT为描述根主要分布的参数，z1、z2分别为所求土壤层垂直方向上的两端坐标，单位m，LR为根系深度，单位m；和/或，构建并调整层间土壤水分增量模型：当进入第i层的剩余入渗量大于ADmax,i时，降水或灌溉导致的层间土壤水分增量：ADi＝ADmax,i，其中ADmax,i为各层的最大增量，ADmax,i＝(Wf,i-Wi)·Li，i为土壤层数，Li为土层厚度，取10mm；否则，层间土壤水分增量等于剩余入渗水量：其中，F＝P+I-SV-Rs，P为期内降水量，单位mm，I为灌水量，在非灌区及天然植被区为0，单位mm；SV为期内累计植被截留量，单位mm；Rs为期内地表径流量，单位mm；和/或，构建并调整根系层补给量模型：因上层根系吸水损失的水分表示为：S_uppersop_lossi＝Ksi*ETp*(number_layer-i)/depth_sum其中，number_layer＝10，depth_sum＝100,单位为mm。进一步地，所述参考作物蒸散量ETp0的计算方法为：式中：△是气温T时的饱和水汽压曲线斜率，单位kPa·℃-1：T是日平均温度，单位℃；γ是干湿表常数，单位kPa·℃-1：Cp是空气定压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层土壤水分模拟方法，其特征在于，包括：构建土壤水分层均衡模型，结合遥感技术调整模型结构；利用遥感技术获取模型参数，构建流域水文空间信息数据库；利用调整后的土壤水分层均衡模型和所述流域水文空间信息数据库，开展多层土壤水分过程数值模拟。

【技术特征摘要】
1.一种多层土壤水分模拟方法，其特征在于，包括：构建包括蒸散发模型的土壤水分层均衡模型，结合遥感技术调整土壤水分层均衡模型的结构，包括：构建并调整蒸散发模型：植被覆盖区实际蒸散量由表层棵间蒸发量Ea和实际蒸腾量Ta组成：Ea＝Ks×Ep，Ta＝Ks×Tp，其中土壤水分胁迫系数Ks为：Ks＝ln(Av+1)/ln(101)，Av＝[(W-Wa)/(Wf-Wa)]×100，式中，W为根系层土壤贮水量，Wf为田间持水量，单位mm；Wa为风干土含水量，单位mm；Av为相对有效含水量；土表潜在棵间蒸发量Ep为：LAI为叶面积指数，植被潜在蒸腾量Tp为：Tp＝ETp-Ep；潜在蒸散ETp的表达式为：ETp＝Kc·ETp0，式中，Kc为作物系数；ETp0为参考作物蒸散量，单位mm；其中，所述参考作物蒸散量ETp0的计算方法为：式中：△是气温T时的饱和水汽压曲线斜率，单位kPa·℃-1T是日平均温度，单位℃；γ是干湿表常数，单位kPa·℃-1：Cp是空气定压比热，取1.013×10-3MJ·kg-1·℃-1；Pr是大气压，单位kPa；λ是蒸发潜热，取2.45MJ·kg-1；ε是水汽分子量与干空气分子量之比，取0.622；eS是气温T下的饱和水汽压，单位kPa：ed是实际水汽压，单位kPa：ed＝RH×eS，RH是空气相对湿度，单位％；U2是2米高度处风速，单位m·s-1：Uz为z高度处观测到的风速，单位m·s-1；Rn是净辐射，单位MJ·m-2·d-1：trise，tset分别为日出时间和日落时间，Rn_max为日最大净辐射，t为卫星过境时刻的当地时间；G是土壤热通量，单位MJ·m-2·d-1：有植被覆盖的地面为：G＝Rn[Γc+(1-fc)(Γs-Γc)]式中：全植被覆盖下，土壤热通量与净辐射的比值Γc＝0.05；裸地情况下，土壤热通量与净辐射比值Γs＝0.315，fc为植被覆盖率；对于水体和冰雪，G＝0.5Rn；所述作物系数Kc的计算方法为：非生长期的Kc小于0.4；生长期的Kc为：Kc＝Kcb+0.05，Kcb为非完全覆盖条件下的基本植物系数：式中，Kcbmin为在缺少植被情况下的裸地最小植物系数，取0.15-0.20；Kcbfull为全覆盖条件下，叶面积指数大于3的基本植物系数；h为植被高度，单位m；fcell为有效植被覆盖度；利用遥感技术获取土壤水分层均衡模型参数，构建流域水文空间信息数据库；利用调整后的土壤水分层均衡模型和所述流域水文空间信息数据库，开展多层土壤水分过程数值模拟。2.根据权利要求1所述的多层土壤水分模拟方法，其特征在于，所述土壤水分层均衡模型还包括：土壤水分平衡模型、植被截流模型、地表径流模型、根系吸水模型、层间土壤水分增量模型、根系层补给量模型中的一个或多个。3.根据权利要求1或2所述的多层土壤水分模拟方法，其特征在于：所述土壤水分层均衡模型参数包括：气象参数、下垫面植被参数、下垫面土壤参数、经验参数和其它参数；所述气象参数包括：大气压、2米处风速、空气相对湿度、气温，还包括：降雨量、灌溉量、地表温度、生长期内平均风速和平均最小相对湿度中的一种或几种；所述下垫面植被参数包括：叶面积指数、植被高度，还包括：植被盖度、地表反照率、波段31发射率、波段32发射率和平均植被最大高度中的一种或几种；所述下垫面土壤参数包括：土壤田间含水量，还包括：初始土壤含水量、土壤饱和含水量、土壤萎蔫含水量中的一种或几种；所述经验参数包括：地表径流参数1、地表径流参数2和地表覆被因子中的一种或几种；所述其它参数包括：日出时间、日落时间，还包括：中分辨率成像光谱仪过境时间和地理纬度中的一种或几种。4.一种多层土壤水分模拟系统，其特征在于，包括：模型构建单元、遥感参数单元和模拟单元，模型构建单元和遥感参数单元分别与模拟单元相连，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉娟，王树东，张立福，刘佳，王晓华，吴太夏，杨杭，岑奕，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，
类型：发明
国别省市：