基于水循环全过程非饱和带土壤水分消耗特性的评价方法
【技术领域】[0001] 本发明涉及一种非饱和带土壤水分消耗特性的评价方法，是一种生态环境资源的评价 方法，是一种通过构建非饱和带水循环全信息模拟为支撑的宏观大尺度土壤水分消耗特性 的评价理论的方法。
【背景技术】
[0002] 传统上，有关土壤水分的消耗的研究主要集中在土壤耕作层，以蒸发蒸腾和深层 渗漏为对象，仅是消耗数量的说明，不仅不能反应土壤水分的蒸发蒸腾的消耗特性，而且也 主要集中在农田尺度，不能全面反映整个非饱和带土壤水分的动态转化特性，使得土壤层 的深层渗漏也被作为消耗项而考虑。实质上，在整个水资源系统，深层渗漏是对地下水的补 充，并没有真正消耗。
[0003]目前较大区域范围内，有关蒸发蒸腾消耗的研究，也主要集中于数量方面，并无消 耗特性的定量方法。即使在数量评价方法，也由于采用反应水分动态转化机理的工具方法 的不同而差异较大。目前在有关非饱和带土壤水分消耗的数量定量评价方法，主要概括为 以下两方面：基于田间尺度的土壤水动态均衡方法，以及区域土壤水蒸发蒸腾的定量模拟 研究方法。其中， 基于田间尺度土壤水运动的均衡方法：其根本原理是以水平衡为基础，在确定的时空 条件下，以作物根系层深度为研究对象，研究土壤非饱和带系统水分均衡各要素间的关系。 土壤水分蒸发蒸腾消耗项是其重要的平衡项。其中蒸发量利用土壤深度和土壤含水量的指 数关系进行估算；植被蒸腾量是通过潜在蒸腾量、叶面积指数的非线性关系进行估算。对于 潜在蒸腾量，通常是以经典土壤蒸发评价方法为工具，目前有关潜在蒸发蒸腾研究的标志 性定量方法是Penman公式，以及基于此改进的Penman-Moteith公式。Penman-Monteith公 式，以及Hargreaves方法，Pricestley-Talyor方法。这些均是在综合考虑能量平衡与动 力学之间作用关系后，又引入表面阻抗后建立的。其基本特点是对于单剖面土壤水转化模 拟具有原理明确，操作简单。尽管如此，由于其研究范围主要集中的根系活动层，不能从全 剖面分析非饱和带土壤水分的蒸发蒸腾消耗。而且相关研究结果也主要是土壤耕作层土壤 水分数量的定量评价，不能反应蒸发蒸腾的消耗效用。同时，这些观测和计算方法均是在一 些地面站点进行的，由于人力物力的限制，很难用于较大区域，存在着以点代面，以偏概全， 不能完全反映研究区域的时空间变异性等问题。
[0004]区域土壤水蒸发蒸腾的定量模拟模型：目前有关区域土壤蒸散发消耗的定量评价 模型均以能量平衡为基础的研究。
[0005]目前有关能量平衡的土壤水分蒸发蒸腾模型，遥感反演蒸发蒸腾的定量模型，是 考虑蒸发蒸腾的驱动力是能量，因而以能量平衡为基础，在综合考虑净辐射通量Rn、土壤热 通量G和显热通量H的基础上实现的。对于陆面能量转化模型法：其基本原理是按照陆地 表面受到的能量等于植被冠层以及土壤层能量收支之和间接确定蒸发蒸腾的。尽管在土壤 水分蒸发蒸腾的定量化过程中，逐渐将土壤非饱和带分为单层模型、双层模型和多层模型， 使得土壤非饱和带中土壤特性的考虑做了深入的考虑，但是在计算中仍采用地表能量平衡 方程进行计算，即将植被冠层以下与其之下的土壤层进行区分，并在处理中按照相互叠加， 认为两个系统的能量是相互联系，植被冠层的释放或接受的总通量是分层通量之和达到系 统能量的平衡。
[0006] 总之，区域土壤蒸发蒸腾模型，尽管陆面能量平衡模型，克服了遥感直接反演蒸发 蒸腾缺少机理的认识，且使土壤水运动转化行为逐渐从机理上得到深刻的揭示，特别是加 深了对SPAC系统内的蒸发蒸腾的认识，但是均主要立足于能量系统，建立在能量平衡的基 础上，仍存在难以综合反应能量平衡和水量平衡的作用，同时也不能很好的反映空间大尺 度条件下土壤水分的时空变异性。此外，以上众多的定量模型，均可以实现不同空间尺度基 于能量平衡的土壤水分消耗数量的定量评价，并不能完全给出非饱和带土壤水分消耗效用 特性的定量评价。
[0007] 然而，由于非饱和带土壤水分处于水循环过程的中间环节，其动态转化过程，一方 面，作为水循环的构成，影响着区域水分的收支；另一方面，由于其动态转化过程又与能量 平衡密切相关，直接关系着区域能量的循环转化。因此，综合能量平衡和水量平衡，开展区 域尺度非饱和带土壤水分消耗特性评价，对深入开展水资源需求管理、维持生态关系健康 具有重要的意义。
【发明内容】
[0008] 为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种非饱和带土壤水分消耗特性的评价 方法。所述方法综合水量和能量过程，在大空间尺度流域/区域土壤水分详细模拟基础上， 全面揭示不同土地利用条件下整个非饱和带土壤水分消耗特性的评价技术方法。该方法能 够综合陆面水循环全过程，并实时考虑水分蒸发蒸腾过程的能量驱动作用，在保障模拟精 度的基础上，能够给出精度较高的评价成果。
[0009] 本发明的目的是这样实现的：一种非饱和带土壤水分消耗特性的评价方法，所述 的方法包括如下步骤： 构建"非饱和带土壤水分子系统的动态转化模型"的步骤：用于在水平方向上，确定 非饱和带不同下垫面条件下对应的土壤水子系统水循环要素，采用基于矩形网格的空间离 散技术或基于子流域的空间离散技术，在垂直方向上，通过地表水和地下水子系统之间通 量的交换，从陆地表面到地下含水层，从上到下划分为植被或建筑物截留层、地表洼地储留 层、土壤表层、过渡带层、浅层地下水层和深层地下水层，综合自然和人工水循环不同子过 程模拟，实现以地表和地下水循环通量为边界的非饱和带土壤水分详细模拟的模型； 区域非饱和带土壤水循环模拟的步骤：用于使用土壤水分运动方程进行模拟：
式中：砂/重力排水、似为吸引压引起的水分扩散、为土壤蒸发消耗通量、为表 层土壤蒸发、尤％土壤层的壤中流、0为土壤层厚度、〃为表层土壤的最大蓄水量、J为不同 土壤层，其中J = 0为洼地储蓄层、J = 1为土壤表层、J = 2为土壤中层，即第二层，J = 3 为土壤底层，即第三层； 水文模型与遥感反演土壤水分蒸发蒸腾的数据同化的步骤：用于采用陆面能量平衡模 型，提供地表温度、反照率和植被属性，对其反演的相应空间分辨率土壤水分的蒸发蒸腾数 据，通过ArcGIS的空间统计功能，展布到非饱和带土壤水分子系统的动态转化模型的水文 响应单元，然后，针对时间和相应空间观测数据进行数据同化，以遥感反演与模型模拟相结 合的模拟结果与单一模型模拟结果进行判断，确定同化后的模型结果； 确定蒸发蒸腾结构的步骤：用于结合非饱和带土壤水分的转化原理，结合土地利用变 化，通过非饱和带土壤水分子系统的动态转化模型模拟获得不同土地利用下的蒸发蒸腾消 耗分项和最后的计算单元的综合土壤水分蒸发蒸腾，按照土地利用方式的不同，土壤水资 源消耗结构主要归纳为即农作物或植被域植被蒸腾、农作物或植被域土壤棵间蒸发、农业 产业系统裸土蒸发，以及难利用土地裸土蒸发四大类型，确定蒸发蒸腾结构； 进行土壤水分消耗特性定量评价的步骤：用于根据蒸发蒸腾结构，结合土壤水分在蒸 发蒸腾过程中其对人类生产和生态的效用不同，按照土壤水分服务功能的差异，将土壤水 资源的消耗效用分为生产性消耗和非生产性消耗，在此基础上，土壤水分在消耗过程中对 人类社会经济作用的大小进一步区分为高效消耗和低效消耗；同时，考虑土壤水分消耗的 可调控性，针对土地利用，以能否在实践中指导土壤水资源的高效利用为基本原则，进一步 对其可调控性做出界定。
[0010] 进一步的，所述的"非饱和带不同下垫面条件下对应的土壤水子系统水循环要素 的确定"包括以下子步骤： 基本计算单元的确定，以全流域DEM分析和实测水系矢量图为基础，通用地理信息系 统工具对水循环模拟系统进行划分的多个子流域； 基本计算单元中不同土地利用所对应的非饱和带土壤水分蒸发蒸腾的确定，通过计 算单元内可能的土地利用形式分别对应的面积，进行面积加权确定不同计算单元的蒸发蒸 腾、不同单元不同土地利用的蒸发、蒸腾项以及综合蒸发蒸腾项；
nlanduse)， 计算出计算单元综合土壤水分蒸发蒸腾、同种土地利用情况下不同计算单元的蒸发蒸 腾以及区域的蒸发蒸腾量。
[0011] 进一步的，所述的"与地表水和地下水子系统之间通量的交换"包括：在一个时 间步长内，计算单元内水循环模拟系统先完成地表水循环过程，和地下水与土壤水子系统 的交流并计算各子流域内水循环的各项通量，，其中与土壤水分有关的垂向循环通量包括 降水入渗补给量和河道、水库、湿地、渠系的地表水体渗漏补给量、基流排泄量，以及潜水蒸 发： 平原区无侧向壤中流的计算单元：
山丘区有侧向壤中流的计算单位：
式中：为时段内单位面积土体最大土壤含水量，为前一时段单位面积土体土壤 含水量，/为降水量通量，为植被截留量；你为降水形成的地表径流量；为填洼 tKm地表水下渗为地表水下渗量，爲为潜水蒸发通量，根据地下水埋深的不同而不同，当潜水 埋深较大时，可忽略不计；你为深层渗漏通量，％为侧向壤中流，^1、4为计算时 段的起始和终止时间，以上变量的单位均为cm3/cm2。
[0012] 进一步的，所述的基于子流域的空间离散技术，所述的基于子流域的空间离散技 术的水循环模拟系统是SWAT水循环模拟系统或WEP水循环模拟系统。
[0013] 进一步的，所述的数据同化方法是最优插值法、