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

1.本发明属于水文监测技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
7.《方法》
8.如图1所示，本发明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：
9.步骤ⅰ.开发灌溉模块：
10.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
：
11.w
irr
＝α
·
iwr，
12.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]
本发明的耦合方法见图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]，hg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，本发明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]
iwrc＝pet
c-aetc，
[0034]
式中，iwrc为作物的灌溉需水量[mm/day]；petc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；aetc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]
petc＝kc·
et0，
[0036]
式中，kc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-petc)，
[0039]
式中，ks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，其值表示蒸散发能力为5mm/day时，作物的水分消耗率；p表示特定气象条件下作物的水分消耗率，其表达式可说明，当蒸发能力很强时，即使在高土壤含水量的情况下作物生长也可能受水分胁迫；s为可被植物利用的土壤水分[mm]。
[0040]
网格尺度的作物灌溉需水量具体计算方法如下：
[0041][0042]
式中，iwr为单元网格内作物的需水量[mm/day]；a为网格单元面积[m2]；ak为网格单元内第k种作物面积[m2]。
[0043]
优选地，本发明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ⅲ中，灌溉模块与陆面-水文过程模型耦合后，灌溉模块可充分利用陆面模块与水文模型的模拟结果，因此，可对灌溉模块进行改进：
[0044]
①
由于陆面模型采用多层土壤模型模拟表层土壤水分(一般为0～2m)的动态变化，因此，灌溉模块中可被植物利用的土壤水分不再采用简单的土壤水分平衡法进行估算，而是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：
[0045]
s＝∑θk·
δzk，
[0046]
式中，θk为根系区不同土壤层的土壤湿度[m3/m3](陆面模式模拟)；
△
zk为根系区不同土壤层的厚度[m]；k为多层土壤模型中根系区对应的层数；
[0047]
②
由于水文模型模拟网格单元内河湖水位，灌溉模块中地表水灌溉量受地表水可供水量的限制，具体的改进如下：
[0048]wsf
＝f
·
(z
water-z
bed
)
·
δx
·
δy，
[0049]
式中，w
sf
为地表水可用水量[m3]，f为网格单位内水面面积占比，z
water
为水面水位[m]，z
bed
为河底高程[m]，
△
x和
△
y为网格单位精度[m]；
[0050]
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；
[0051][0052]
式中，为地表水灌溉取水量，为地下水灌溉取水量。
[0053]
优选地，本发明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，还可以包括步骤
ⅴ
.土壤水分动态变化算法的改进：
[0054]
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：
[0055][0056]
式中，θ为土壤含水量[m3/m3]，z为土壤深度[m]，d(θ)为土壤水分的扩散率[m2/s]，k(θ)为土壤导水率[m/s]，q
nat
为表层土壤的自然水分通量[m/s]；
[0057]
灌溉水量作为额外的水源将进一步影响土壤水分垂向运动过程及其后续陆面过程(如蒸发、蒸腾等)，本发明对土壤水分动态变化算法的改进如下：
[0058]
根据灌溉取水量确定网格单元的实际灌溉水量为：
[0059][0060]
式中，为实际灌溉量[m/s]，β为灌溉输水管网损漏率(该数值根据区域统计数据确定)；
[0061]
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：
[0062][0063]
式中，为灌溉水量[m/s]。
[0064]
优选地，本发明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ⅵ中，由于本发明的陆面-水文-灌溉模型涉及陆面过程、水文过程与灌溉量模拟，因此本发明推荐先构建陆面-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：
[0065]
(1)构建与验证陆面-水文模型
[0066]
①
以流域为对象，收集研究流域内高程、土地利用类型、植被覆盖面积、土壤质地等地理数据，给出流域范围内河道宽度、深度、地下水水文等水文特征参数，采用气象数据作为外部强迫驱动模型，构建该流域的陆面-水文模型；
[0067]
②
根据已有研究结果确定研究流域内水文参数取值范围，采用参数率定方法进一步确定水文参数取值，并利用实测自然流量(选取受人类活动影响较少的时段或还原流量数据)对模型进行验证；
[0068]
(2)构建与验证陆面-水文-灌溉模型
[0069]
①
采用全球作物数据集来描述研究区域内种植作物的类型、种植面积和生长周期(月尺度)，根据已有研究给出不同类型作物对应的参数，根据统计数据给出研究区域的有效灌溉率和灌溉输水管网的损漏率，构建研究区域的灌溉模块；
[0070]
②
采用构建的陆面-水文-灌溉模型模拟研究区域的农业灌溉活动，根据实测灌溉量和估算灌溉取水量的对比，进行灌溉模型的验证。
[0071]
优选地，本发明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，还可以具有以下特征：在步骤ⅶ中，通过对比灌溉和非灌溉情景下蒸散量、回流量等水文要素，明确农业灌溉取用水活动对流域尺度上水循环过程的影响；通过对比灌溉和非灌溉情景下陆面过程(如蒸散)和水文过程(如流域出口断面流量)的模拟精度，验证描述农业灌溉活动对提高陆面过程、水文过程模拟精度的有效性。模拟精度的评价指标包括但是不仅限于纳什效率系数、相对误差。
[0072]
《装置》
[0073]
进一步，本发明还提供基于以上《方法》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装置。
[0074]
具体地，本发明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装置，包括：
[0075]
灌溉需水量计算部，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
：
[0076]wirr
＝α
·
iwr，
[0077]
式中，iwr为网格单元内作物的需水量；α为有效灌溉率；
[0078]
耦合部，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；
[0079]
灌溉取水量计算部，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；
[0080][0081]
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；
[0082]
汇流改进部，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：
[0083]
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：
[0084][0085]
式中，为单位面积上地表水灌溉量，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；
[0086]
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：
[0087][0088]
式中，t为单位传导率；μ为单位给水度；hg为非承压层地下水水位的高程；
[0089]
构建验证部，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；
[0090]
协同变化过程模拟部，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；
[0091]
控制部，与灌溉需水量计算部、耦合部、灌溉取水量计算部、汇流改进部、构建验证部、协同变化过程模拟部均通信相连，控制它们的运行。
[0092]
优选地，本发明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装置，还包括：预警部，与控制部通信相连，根据模拟结果进行农业灌溉活动强度估计与干旱预警。
[0093]
优选地，本发明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装置，还包括：输入显示部，与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
[0094]
优选地，本发明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装置，还包括：土壤水分动态变化模拟部，与控制部通信相连，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：
[0095][0096]
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；
[0097]
根据灌溉取水量确定网格单元的实际灌溉水量为：
[0098][0099]
式中，为实际灌溉量，β为灌溉输水管网损漏率；
[0100]
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：
[0101][0102]
式中，为灌溉水量。
[0103]
发明的作用与效果
[0104]
本发明的有益效果为：本发明提出了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及装置，不仅考虑了气候变化背景下农业灌溉活动对陆面过程和水文过程的影响和相互作用，也考虑了陆面环境改变(如灌溉的降温作用)和水文要素变化(如河湖可供水量)对灌溉取水量的影响，可用于模拟气候变化背景下陆面过程、水文过程与农业灌溉活动强度的协同变化过程，从而进行科学合理地农业灌溉活动强度估计与干旱预警。
附图说明
[0105]
图1为本发明涉及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的流程图；
[0106]
图2为本发明涉及的陆面-水文-灌溉模型的耦合方法图；
[0107]
图3为本发明涉及的陆面-水文-灌溉模型的模型结构图；
[0108]
图4为本发明实施例涉及的长江流域模拟区域图；
[0109]
图5为本发明实施例涉及的长江流域水文特征参数分布图(河道深度)；
[0110]
图6为本发明实施例涉及的1980～1990年宜昌站(a)和汉口站(b)实测和模拟日均流量时间序列图；
[0111]
图7为本发明实施例涉及的研究区域内作物生长时段、种植面积占比图，其中，(a)为多年生植物，(b)为生长在4-8月份的蔬菜，(c)为4-10月份的蔬菜，(d)为11-次年3月份的水稻，(e)为5-9月份的水稻，(f)为6-10月份的水稻，(g)为1-5月份的季节性作物，(h)为5-9月份的季节性作物，(i)为10月-次年4月份的季节性作物；
[0112]
图8为本发明实施例涉及的1999～2003年宜昌站(a)和汉口站(b)非灌溉情景和灌溉情景模拟日均流量与实测流量的对比图。
具体实施方式
[0113]
以下结合附图对本发明涉及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及装置的具体实施方案进行详细地说明。
[0114]
本实施例所提供的气候变化背景下陆面水文过程与农业灌溉活动强度协同变化的模拟方法，包括如下步骤：
[0115]
步骤1，开发灌溉模块。基于选定的陆面-水文模型noahmp-hms开发灌溉模块，其中，采用全球作物用水模型gcwm的方法，结合气象条件(如降水、温度、辐射、潜在蒸散发等)、植物可利用土壤水分(根据陆面模式模拟的土壤湿度推算)、作物生长需水参数(如作物系数kc)等计算灌溉需水量，并根据有效灌溉率确定灌溉水量。
[0116]
采用全球作物用水模型的方法估算作物的灌溉需水量(计算方法如公式1～3所示)，根据有效灌溉率计算灌溉水量(计算方法如公式4所示)；
[0117]
iwrc＝pet
c-aetcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0118]
式中，iwrc为作物的灌溉需水量[mm/day]；petc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(如公式2所示)；aetc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，aetc的计算公司如公式3所示。
[0119]
petc＝kc·
et0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0120]
式中，kc为无量纲的作物系数，表征不同类型的作物在不同生长阶段的需水规律；et0表示参考蒸散量[mm/day]，根据fao penman-monteith方法计算。
[0121]
aetc＝ks·
petcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0122]
[0123]
p＝p
std
+0.04(5-petc)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0124]
式中，ks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，其值表示蒸散发能力为5mm/day时，作物的水分消耗率；p表示特定气象条件下作物的水分消耗率，其表达式可说明，当蒸发能力很强时，即使在高土壤含水量的情况下作物生长也可能受水分胁迫；s为可被植物利用的土壤水分[mm]，一般采用简单的土壤水量平衡公式计算：
[0125][0126]
式中，p
t
为本时段内降雨量[mm]，e
t
为本时段内蒸散量[mm]，为本时段内地表径流量[mm]，i
t
为本时段内渗漏量[mm]，s
t
和s
t-1
为本时段和上时段土层内需水量[mm]。
[0127]
采用mosaic方法计算网格尺度的作物灌溉需水量，具体计算方法如下：
[0128][0129]
式中，iwr为单元网格内作物的需水量[mm/day]；a为网格单元面积[m2]；ak为网格单元内第k种作物面积[m2]。
[0130]
在实际应用中，受灌溉设施的影响灌溉需水量往往无法完全满足，因此，采用有效灌溉率来描述灌溉水量：
[0131]wirr
＝α
·
iwr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0132]
式中，iwr为网格单元内灌溉需水量[mm/day]；w
irr
为灌溉水量[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。
[0133]
步骤2，模型耦合。将灌溉模块嵌入陆面-水文模型noahmp-hms，形成陆面-水文-灌溉模型noahmp-hms-irr(详细方法见发明内容的步骤ⅱ)。
[0134]
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。
[0135]
步骤3，灌溉模块的改进。根据改进后的方法计算灌溉水量，结合水文模型模拟的河湖、湖泊等地表水可用量，确定地表水灌溉取水量和地下水灌溉取水量。
[0136]
①
由于陆面模型采用多层土壤模型模拟表层土壤水分(一般为0～2m)的动态变化，因此，灌溉模块中可被植物利用的土壤水分不再采用简单的土壤水分平衡法进行估算，而是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：
[0137]
s＝∑θk·
δzkꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0138]
式中，θk为根系区不同土壤层的土壤湿度[m3/m3](陆面模式模拟)；
△
zk为根系区不同土壤层的厚度[m]；k为多层土壤模型中根系区对应的层数。
[0139]
②
由于水文模型模拟网格单元内河湖水位，灌溉模块中地表水灌溉量受地表水可供水量的限制，具体的改进如下：
[0140]wsf
＝f
·
(z
water-z
bed
)
·
δx
·
δy
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0141]
式中，w
sf
为地表水可用水量[m3]，f为网格单位内水面面积占比，z
water
为水面水位
[m]，z
bed
为河底高程[m]，
△
x和
△
y为网格单位精度[m]。
[0142]
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。
[0143][0144]
式中，为地表水灌溉取水量[m/s]，为地下水灌溉取水量[m/s]，
△
t为时间步长[s]。
[0145]
步骤4，河道汇流演算和地下水侧向流动算法的改进。将地表水灌溉取水量和地下水灌溉取水量作为源汇项分别加入地表水和地下水模块，完成对河道汇流演算和地下水侧向流动算法的改进，描述地表水和地下水取水过程。
[0146]
①
将地表水灌溉取水量作为源汇项加入地表水模块的数学物理方程(见公式12～13)，实现在地表水模块中描述地表水取水过程，具体表达式为：
[0147][0148][0149]
式中，h为河湖自由水面的高程[m]，a
flow
为水流截面积[m2]，q为网格单元的流量[m3/s]，w为水流宽度[m]；d为水流深度[m]；n为糙率[s/m
1/3
]；m为无量纲常数；r为水力半径[m]；j为水面坡降[m/m]。
[0150]
②
将地下水灌溉取水量作为源汇项加入地下水模块的数学物理方程，实现在地下水模块中描述地下水取水过程，具体表达式为：
[0151][0152]
式中，t为单位传导率[m2/s]，μ为单位给水度[m3/m
–3]，hg为非承压层地下水水位的高程[m]。
[0153]
步骤5，土壤水分动态变化算法的改进。根据步骤3确定的地表水和地下水灌溉取水量，将其作为有效降水量加入陆面模式，作为源汇项加入多层土壤模块，完成对土壤水分动态变化算法的改进，在陆面过程中完成对农业灌溉用水过程的描述，并通过土壤水分运移模块、裸土蒸发模块、植被蒸腾模块等进一步影响水循环。
[0154]
陆面模式中多层土壤模块采用richards方程来描述垂向土壤水分的动态变化，具体表达式为：
[0155][0156]
式中，θ为土壤含水量[m3/m3]，z为土壤深度[m]，d(θ)为土壤水分的扩散率[m2/s]，k(θ)为土壤导水率[m/s]，q
nat
为表层土壤的自然水分通量[m/s]。
[0157]
灌溉水量作为额外的水源将进一步影响土壤水分垂向运动过程及其后续陆面过程(如蒸发、蒸腾等)，本发明对土壤水分动态变化算法的改进如下：
[0158]
根据灌溉取水量确定网格单元的实际灌溉水量为：
[0159][0160]
式中，为实际灌溉量[m/s]，β为灌溉输水管网损漏率(该数值根据区域统计数据确定)。
[0161]
将确定的实际灌溉量作为源汇项加入多层土壤模块的数学物理方程中，具体表达式为：
[0162][0163]
式中，为灌溉水量[m/s]。
[0164]
步骤6：模型构建与验证。
[0165]
(1)在本实施例中，以长江流域为研究对象，收集研究区域内高程、土地利用类型、植被覆盖、土壤质地等地理数据，根据经典水力几何模型给出长江流域范围内河道宽度和深度(如图5所示)，根据全球水文模型模拟的地下水水位作为初始条件，将实测气象数据作为模型的强迫驱动，构建长江流域的陆面-水文模型。长江流域陆面-水文模型的模拟区域图见图4，空间精度为20km，时间精度为30分钟。
[0166]
(2)根据已有研究结果确定长江流域各河段的糙率、河床导水率等水文参数的取值范围，采用参数率定方法进一步确定参数取值；分别采用宜昌站和汉口站1980～1986年和1987～1990年实测日均流量进行参数率定和模型验证。结果详见图6和表1。由图6和表1可知，宜昌站模拟流量的nse超过0.85，模拟与实测流量的相对误差小于4％；汉口站模拟流量的nse超过0.7，相对误差小于1％。由此可知，构建的陆面-水文模型能很好地模拟自然条件下长江流域的水文过程。
[0167]
表1宜昌站和汉口站自然条件下模拟日均流量的评估结果
[0168][0169]
备注：nse为纳什效率系数(计算公式见公式18)，nse取值范围为(-∞,1]，越接近1表明模拟效果越好；pb为相对误差(计算公式见公式19)，pb取值范围为(-∞,+∞]，越接近0表明模拟效果越好。
[0170]
[0171][0172]
其中，t为时间序列总长度，为实测流量时间序列[m3/s]；为模拟流量时间序列[m3/s]；为实测流量时间序列平均值[m3/s]；为模拟流量时间序列平均值[m3/s]；
[0173]
(3)在本实施例中，从全球高精度作物数据集mirca2000中提取长江流域种植作物类型、种植面积、生长周期(月尺度)，将数据集中26种作物类型归类为四大类作物：多年生作物、水稻、蔬菜和季节性作物，图7所示为模拟区域内四大类作物的种植面积和生长时段。
[0174]
根据已有研究给出不同类型作物对应的作物生长和需水参数(如作物系数kc)，根据统计数据确定长江流域设施农业的有效灌溉率α为0.75，构建长江流域的陆面-水文-灌溉模型。
[0175]
(4)采用构建的陆面-水文-灌溉模型模拟长江流域的农业灌溉活动，根据1999～2003年实测灌溉量和模拟灌溉取水量对灌溉模型进行验证(结果见表2)。由表2可知，1999～2003年模拟年灌溉量相对实测灌溉量的误差在可接受范围之内，五年平均相对误差值为14.8％(误差范围小于
±
20％)，表明该模型较好地估算了长江流域的灌溉水量。
[0176]
表2长江流域1999～2003年实测与模拟灌溉取水量的对比
[0177][0178]
步骤7，采用经验证的模型模拟农业灌溉活动强度与陆面、水文过程的协同变化过程，验证其对提高陆面过程、水文过程模拟精度的有效性。
[0179]
(1)农业灌溉用水过程会改变流域内水循环过程，从而进一步影响灌溉活动。长江流域的灌溉水量中，约9％的灌溉量通过地表回流和地下回流返回河道和湖泊(见表3)，大部分消耗于作物蒸腾和裸土蒸发(蒸散消耗的灌溉水量约占灌溉量的90％，见表3)。由此可知，在本实施例中长江流域的农业灌溉活动与流域范围内陆面过程、水文过程互相作用、相互影响。
[0180]
表3 1999～2003年长江流域灌溉量、消耗量、回流量及其占灌溉量的比例
[0181][0182]
(2)在本实施例中，对比1999～2003年在灌溉和非灌溉情景下模拟的长江流域蒸散量，结果见表4。由表4可知，相较于无灌溉情景，在考虑灌溉的情况下长江流域蒸散量增强，其平均蒸散量与蒸发产品的相对误差从-9.8％下降到-2.7％(见表4)。由此可知，在模型中描述农业灌溉活动可更好地估算蒸散量(陆面过程)。
[0183]
表4 1999～2003年灌溉情景与非灌溉情景下长江流域蒸散量的对比
[0184][0185]
备注：蒸发产品包括gleam、mte和pml三种常用的蒸发产品。
[0186]
(3)在本实施例中，对比1999～2003年在灌溉和非灌溉情景下的模拟河道断面流量，结果见图8和表5。由图8可知，由于长江流域水资源量丰富，灌溉量在径流量中占比较小，因此，灌溉和非灌溉情景下模拟的断面流量差别不大，均能较好地重现长江流域水文过程。
[0187]
在本实施例中，长江流域农业灌溉取水主要来自地表水，会导致河道水量减小。由表5可知，受农业灌溉活动的影响，宜昌站多年平均流量由14918m3/s(灌溉情景下)降低为14073m3/s(非灌溉情景下)，汉口站多年平均流量由25764m3/s降低为24480m3/s。
[0188]
由表5可知，宜昌站模拟流量与实测流量的相对误差从8.9％(非灌溉情景)下降到2.7％(灌溉情景)，nse由0.84增大到0.87；汉口站模拟流量的相对误差由10.9％下降到5.3％，nse由0.58增大到0.62。结果表明，考虑农业灌溉取用水活动有助于更好地描述流域水文过程。
[0189]
表5宜昌和汉口站1999～2003年灌溉与非灌溉情景下模拟日均流量评估结果
[0190][0191][0192]
备注：nse为纳什效率系数，nse取值范围为(-∞,1]，越接近1表明模拟效果越好；pb为相对误差，pb取值范围为(-∞,+∞]，越接近0表明模拟效果越好。
[0193]
进一步，本实施例还提供能够自动实现上述方法的装置，该装置包括灌溉需水量计算部、耦合部、灌溉取水量计算部、汇流改进部、构建验证部、协同变化过程模拟部、预警部、输入显示部以及控制部。
[0194]
灌溉需水量计算部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。
[0195]
耦合部在已有陆面-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；
[0196]
灌溉取水量计算部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。
[0197]
汇流改进部采用改进河道汇流算法和地下水侧向流动算法来描述农业灌溉的取水过程。
[0198]
构建验证部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。
[0199]
协同变化过程模拟部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。
[0200]
预警部与控制部通信相连，根据模拟结果进行农业灌溉活动强度估计与干旱预警。
[0201]
土壤水分动态变化模拟部使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：
[0202][0203]
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；
[0204]
根据灌溉取水量确定网格单元的实际灌溉水量为：
[0205][0206]
式中，为实际灌溉量，β为灌溉输水管网损漏率；
[0207]
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：
[0208][0209]
式中，为灌溉水量。
[0210]
输入显示部与灌溉需水量计算部、耦合部、灌溉取水量计算部、汇流改进部、构建验证部、协同变化过程模拟部、土壤水分动态变化模拟部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
[0211]
控制部与灌溉需水量计算部、耦合部、灌溉取水量计算部、汇流改进部、构建验证部、协同变化过程模拟部、土壤水分动态变化模拟部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
[0212]
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及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及装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。