一种基于动态作物系数的有效绿水资源评价方法及装置

本发明涉及水资源评价，具体涉及一种基于动态作物系数的有效绿水资源评价方法及装置。

背景技术：

1、绿水是森林、草地、湿地和农田通过蒸散消耗掉的水量，是支撑陆地生态系统和雨养农业生产的主要水源，在全球尺度上，占总降水的65％，而传统意义上的水资源(蓝水)只占35％。拓宽水资源评价范畴，将占总降水65％的绿水纳入水资源评价体系当中，会使水资源评价体系更加合理和全面，有助于保持合适的蓝水和绿水比例，为更有效地利用水资源、科学地管理水资源提供更为有效地指导。

2、太阳辐射、空气湿度、温度和风速是影响蒸发过程的重要因素。因此，绿水资源评价一般采用适用性较强的penman-monteith公式来计算蒸散发。这是分布式水文模型大都采用penman-monteith公式模拟蒸散发的原因。并且，分布式水文模型不仅可以充分考虑各类影响因素的空间变异性，还能够模拟植被生长过程，揭示绿水转化过程机制，使不同时空尺度的绿水模拟和定量划分成为可能。然而在现实中，植被蒸散发会因为不同植被类型的叶片结构、气孔特性、空气动力学性质、根系生长状况等因素而不同于参考蒸散发。penman-monteith公式仅考虑了气象条件对作物蒸散发的影响，也即是参考蒸散发，却没有考虑具体作物的特性，不能准确反映不同植被类型在各自的生育期的实际蒸散情况，这使得水文模型在绿水模拟方面尚有不足。

3、此外，以往的水资源评价多针对可满足社会经济系统消耗的蓝水资源，忽视了可被作物利用的绿水资源(蒸散发)，传统水资源评价不能完全反映出水资源的全部内涵，造成水资源评价口径缺乏层次性，直接导致水资源评价量的巨大差异。因此，应当将绿水纳入水资源评价范畴。绿水的循环供给陆生生态系统，反映了自然界土壤-植被生态系统的用水消耗，包括有效绿水和无效绿水两部分。只有在循环过程中为人类生产活动所直接利用、直接参与了经济量和生态量的生产过程或者为相关生态主体提供了有效的环境服务的绿水资源，才是有效的。除此之外的绿水没有为人类产生经济的、社会的价值，这部分绿水是无效的。识别能够对区域产生价值的有效绿水资源，才能真正符合水资源评价的目的。

4、一般地，冠层截流蒸发、水面表层蒸发、植被蒸腾由于参与了植物的生理过程，全部视为有效绿水；沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩砾地、稀疏草地等土地利用类型的土壤蒸发属于无效绿水。最关键是植物的棵间蒸发，依据植被覆盖度进行划分。以往的划分方法多根据植被不同的生长阶段，采用绿水数量乘以定值的覆盖度系数来计算有效绿水。但覆盖度是随着植被的生长而不断变化的，基于静态覆盖度的划分方法容易导致有效绿水划分出现较大误差。

5、因此，目前的水资源评价方法在绿水模拟方面尚有不足，且容易导致有效绿水划分出现较大误差，不利于绿水资源的有效利用和科学管理。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于动态作物系数的有效绿水资源评价方法及装置，以解决现有技术中在绿水模拟方面尚有不足，且容易导致有效绿水划分出现较大误差的问题。

2、根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于动态作物系数的有效绿水资源评价方法，包括：

3、对待测区域进行划分提取，得到流域信息，并根据流域信息划分水文响应单元；

4、根据水文响应单元及预先获取的气象数据、水库数据和农田管理数据，构建swat模型；

5、根据预先获取的作物信息、土壤信息以及气象信息，构建植被潜在蒸腾量的数学关系表达式，根据所述表达式对所述swat模型中的植被蒸腾计算公式进行优化，实现动态作物系数的模拟；

6、根据预先获取的实测蒸发数据和叶面积指数监测数据对运行所述swat模型得到的蒸散发结果和作物叶面积指数模拟结果进行评价，根据评价结果对所述swat模型中的作物生长参数和蒸散发参数进行率定；

7、根据土地覆被类型及动态覆盖度计算方法进行蒸发有效性判定；

8、根据判定结果，利用所述swat模型逐日模拟植被覆盖度，根据模拟结果得出待测区域内有效绿水资源总量。

9、优选的，所述对待测区域进行划分提取，得到流域信息，并根据流域信息得到水文响应单元，包括：

10、将待测区域的栅格dem数据导入地理信息系统平台，得到天然子流域划分数据以及河网水系数据作为流域信息；

11、将所述流域信息导入初始swat模型，按照土地利用类型、土壤类型和坡度类型划分水文响应单元。

12、优选的，所述根据预先获取的作物信息、土壤信息以及气象信息，构建植被潜在蒸腾量的数学关系表达式，包括：

13、所述植被潜在蒸腾量的数学关系表达式为：

14、

15、其中，ep表示植被潜在蒸腾量；et0表示参考蒸散发量；kcini、kcmid、kcend分别表示植被在初始生长期、快速生长期和生长后期阶段的作物系数；phuc表示植物热累积单位百分比；frgw1和frgw2分别表示最优叶面积指数曲线上第一个点和第二个点对应的积温比。

16、优选的，所述根据预先获取的实测蒸发数据和叶面积指数监测数据对运行所述swat模型得到的蒸散发结果和作物叶面积指数模拟结果进行评价，包括：

17、基于预先获取的实测蒸发数据和叶面积指数监测数据，选取相关系数和nash-sutcliffe效率系数评价运行所述swat模型得到的蒸散发结果和作物叶面积指数模拟结果。

18、优选的，率定的作物生长参数，包括：最优叶面积指数曲线上第一个点对应的积温比、最优叶面积指数曲线上第二个点对应的积温比、最优叶面积指数曲线上第一个点对应的叶面积比、最优叶面积指数曲线上第二个点对应的叶面积比、潜在最大叶面积指数和叶面积指数开始衰退时对应的积温比；

19、率定的蒸散发参数，包括：土壤蒸发补偿系数、植物吸收补偿因子、浅层地下水再蒸发系数、浅层含水层“再蒸发”或渗透到深层含水层的阈值深度、土壤层有效水容量和植被截留能力。

20、优选的，所述根据土地覆被类型及动态覆盖度计算方法进行蒸发有效性判定，包括：

21、将冠层截流蒸发、居工地建筑物截留蒸发、沼泽或水域的蒸发、潜水蒸散发、参与植被蒸腾的水分判定为有效绿水资源；

22、利用动态覆盖度计算方法计算疏林地、非高密度草地植被覆盖度；

23、根据疏林地、非高密度草地植被覆盖度计算植被之间的土壤蒸发。

24、优选的，所述动态覆盖度计算方法的公式为：

25、ai＝laii/laimx

26、其中，ai表示植被生长季第i日的植被覆盖度；laii表示植被生长季第i日的叶面积指数；laimx表示植被生长期内的最大叶面积指数。

27、优选的，所述利用所述swat模型进行逐日模拟，根据模拟结果得出待测区域内有效绿水资源总量，包括：

28、通过如下公式得出待测区域内有效绿水资源总量：

29、

30、其中，其中，wgreena表示区域有效绿水资源总量；wcan,i表示第i日的截留蒸发量；wweti表示第i日的湿地蒸发量；wwti表示第i日的水域蒸发量；wgwi表示第i日的潜水蒸发量；wepij表示第j种植被第i日的植被蒸腾量；wesij表示第j种植被第i日的土壤蒸发量；wun,i表示第i日的未利用地的土壤蒸发量；aij表示第j种植被第i日的植被覆盖度；m表示流域内植被种类；n表示年总天数。

31、优选的，所述的方法，还包括：

32、通过如下公式得出待测区域内无效绿水资源总量：

33、

34、其中，wgreenu表示区域无效绿水资源总量；wun,i表示第i日的未利用地的土壤蒸发量。

35、根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于动态作物系数的有效绿水资源评价装置，包括：

36、模型构建模块，对待测区域进行划分提取，得到流域信息，并根据流域信息划分水文响应单元；根据水文响应单元及预先获取的气象数据、水库数据和农田管理数据，构建swat模型；

37、优化模块，用于根据预先获取的作物信息、土壤信息以及气象信息，构建植被潜在蒸腾量的数学关系表达式，根据所述表达式对所述swat模型中的植被蒸腾计算公式进行优化，实现动态作物系数的模拟；

38、参数率定模块，用于根据预先获取的实测蒸发数据和叶面积指数监测数据对运行所述swat模型得到的蒸散发结果和作物叶面积指数模拟结果进行评价，根据评价结果对所述swat模型中的作物生长参数和蒸散发参数进行率定；

39、判定模块，用于根据土地覆被类型及动态覆盖度计算方法进行蒸发有效性判定；

40、结果生成模块，用于根据判定结果，利用所述swat模型逐日模拟植被覆盖度，根据模拟结果得出待测区域内有效绿水资源总量。

41、本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

42、可以理解的是，本发明提供的技术方案，能够构建待测区域的swat模型；构建植被潜在蒸腾量的数学关系表达式，在swat模型中引入动态作物系数；根据预先获取的实测蒸发数据和叶面积指数监测数据对运行swat模型得到结果进行评价，进行作物生长参数和蒸散发参数进行率定；根据土地覆被类型及动态覆盖度计算方法进行蒸发有效性判定，进行逐日模拟，得出待测区域内有效绿水资源总量。本发明提供的技术方案，引入动态作物系数，使模型在蒸散发模拟过程中充分考虑了具体植物类型的特性，准确反映了不同植被类型在各自的生育期的实际蒸散发和叶面积指数变化情况，提高了绿水模拟和作物生长过程模拟的准确性；在提高作物生长过程模拟准确性的基础上，引入动态覆盖度计算方法，提高了有效绿水资源评价的准确性，拓宽了水资源评价口径，为更有效地利用和科学管理水资源提供更为有效地指导。

43、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。