一种基于气候的土壤水均衡模拟计算方法与流程

1.本发明属于生态水文科学技术领域，具体涉及一种基于气候的土壤水均衡模拟计算。


背景技术：

2.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中，土壤水已被作为专门的一体来进行探讨和研究，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，厘清楚土壤水均衡过程变化，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。
3.所谓土壤水是指一个大气压下，在105摄氏度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、蔬菜和果树的产量，还影响陆地表面植物的分布。
4.传统的土壤水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)、用于微气象学方法(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。但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，因此，传统的土壤水分监测方法具有一定的局限性，无法满足与气候相关的多层土壤水分模拟的空间化和动态化需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于气候的土壤水均衡模拟计算方法解决了上述问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，包括：
7.s1、构建关于气候的实际蒸散发互补关系模型，并确定不同气候模式下的实际蒸散发；
8.s2、基于实际蒸散发，计算待研究区域的作物需水量；
9.s3、基于待研究区域的水循环规律和作物需水量，构建土壤水均衡模型，进而确定土壤水均衡变化量。
10.进一步地，所述步骤s1中的气候模式包括ssp1-2.6、ssp2-4.5、ssp5-8.5、ssp1-1.9、ssp4-4.3、ssp5-3.4os以及ssp3-7.0。
11.进一步地，所述步骤s1中的实际蒸散发互补关系模型为：
[0012][0013]
其中，气候对ea变化的贡献率为：
[0014]
p
cc
＝δe
a,cc
/(|δe
a,lc
|+|δe
a,cc
|)
[0015]
式中，ea为实际蒸散发量，ew为湿润环境蒸散发量，e
p
为潜在蒸散发量，δ(te)为睡眠温度下的饱和水汽压斜率，te为水面温度，γ为干湿表常数，ta为下垫面温度，ea为水面温度te下的实际水汽压，e
*
为饱和水汽压，δe
a,cc
为气候模式下ea的变化幅度，δe
a,lc
为下垫面变化对ea的影响值，δ为饱和水汽压曲线斜率。
[0016]
进一步地，所述潜在蒸散发量的计算公式为：
[0017][0018]
所述湿润环境蒸散发量的计算公式为：
[0019][0020]
式中，rn为净辐射，g为土壤热通量，t为土壤平均温度值，u2为平均风速，r平均温度系数值，λ为汽化潜热。
[0021]
进一步地，所述步骤s2中作物需水量是指生长在土壤水分条件优良、无病虫害疫情的大面积农田的特定作为生长所需的水分之和；
[0022]
所述作物需水量的影响因素包括参考作物蒸散发和作物系数。
[0023]
进一步地，所述作物需水量的计算公式为：
[0024]
etc＝f(v)kc×
eto[0025]
式中，f(v)为作物系数影响函数，kc为作物系数，eto为参考作物蒸散发；
[0026]
其中，a和b为作物生长的初始阶段f1和中期阶段f3对应的作物系数影响因子，t为时间，v为生长速率，b和c分别为作物生长过程中生长阶段f2和衰萎阶段f4作物系数的影响常数；eto＝(1-β)ea，β为作物需水量控制因子。
[0027]
进一步地，所述步骤s3中，土壤水均衡模型的影响因素包括作物需水量、作物直接利用地下水量、降雨入渗补给量、田间入渗补给量、渠系入渗补给量、潜水蒸发量和表水蒸发量。
[0028]
进一步地，所述作物直接利用地下水量gi(z)为：
[0029][0030]
式中，gi(z)为第i种作物在整个生育期内水埋深为z时直接利用的地下水量，z
i,t
为第i种作物在生育期内第t月份的地下水埋深，t为第i种作物生育期的初始月份，m为第i
种作物生育期的期末月份，k为指数，a
n,t
为系数；
[0031]
所述降雨入渗补给量w
p
为：
[0032]wp
＝f
·
p
[0033]
式中，f为计算单元面积，p为降雨量；
[0034]
所述田间入渗补给量wa为：
[0035]
wa＝α
·i[0036]
式中，α为田间入渗补给量，i为进入田间的灌溉水量；
[0037]
所述渠系入渗补给量wc为：
[0038]
wc＝δ
·
sc[0039]
式中，δ为渠系渗漏补给系数，sc为渠系输水损失；
[0040]
所述潜水蒸发量eg为：
[0041]eg
＝c(z)
·f·
e0[0042]
式中，c(z)为潜水蒸发量，e0为水面蒸发深度；
[0043]
所述表水蒸发量ea为：
[0044]
ea＝θ
·
e0·
sa[0045]
式中，为表水蒸发系数，sa为田间地表积水面积。
[0046]
进一步地，所述步骤s3中的土壤水均衡变化量包括补给量和开采量；其中，所述补给量wh的表达式为：
[0047][0048]
所述开采量wy的表达式为：
[0049][0050]
式中，i和j为计算单元和计算作物的序数，η为水利用系数。
[0051]
本发明的有益效果为：
[0052]
(1)本发明提出了一种基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，能保持一定的土壤水均衡模拟计算精度，实现了多层土壤水分模拟的空间化和动态化；
[0053]
(2)本发明充分考虑了气候对土壤水的影响，构建了关于气候的实际蒸散发互补关系模型，并基于该模型得到是实际蒸散发，确定了研究区域的实际作物需水量，同时结合作物直接利用地下水量、降雨入渗补给量、田间入渗补给量、渠系入渗补给量、潜水蒸发量和表水蒸发量构建了土壤水均衡模型，进而实现了土壤水均衡的模拟计算，实现了对多层土壤含水量的实时监控，从而有利于加强区域水资源管理，合理利用降水资源和土壤水资源，缓解水资源匮乏。
附图说明
[0054]
图1为本发明提供的基于气候的土壤水均衡模拟计算方法流程图。
具体实施方式
[0055]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发
明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0056]
实施例1：
[0057]
本发明实施例提供了一种基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，如图1所示，包括：
[0058]
s1、构建关于气候的实际蒸散发互补关系模型，并确定不同气候模式下的实际蒸散发；
[0059]
s2、基于实际蒸散发，计算待研究区域的作物需水量；
[0060]
s3、基于待研究区域的水循环规律和作物需水量，构建土壤水均衡模型，进而确定土壤水均衡变化量。
[0061]
在本发明实施例的步骤s1中的气候模式包括ssp1-2.6、ssp2-4.5、ssp5-8.5、ssp1-1.9、ssp4-4.3、ssp5-3.4os以及ssp3-7.0。气候模式(climate model)是研究气候的理论体系，当前研究气候的模式可分为能量平衡模式、辐射对流模式、大气环流模式、统计动力模式四大类。
[0062]
本发明实施例步骤s1中的实际蒸散发互补关系模型为：
[0063][0064]
其中，气候对ea变化的贡献率为：
[0065]
p
cc
＝δe
a,cc
/(|δe
a,lc
|+|δe
a,cc
|)
[0066]
式中，ea为实际蒸散发量，ew为湿润环境蒸散发量，e
p
为潜在蒸散发量，δ(te)为睡眠温度下的饱和水汽压斜率，te为水面温度，γ为干湿表常数，ta为下垫面温度，ea为水面温度te下的实际水汽压，e
*
为饱和水汽压，δe
a,cc
为气候模式下ea的变化幅度，δe
a,lc
为下垫面变化对ea的影响值，δ为饱和水汽压曲线斜率。
[0067]
在本发明实施例中，利用p-m法进行潜在蒸散发量的计算，p-m法具有良好的水文物理学基础，适宜于不同琼湖类型的潜在蒸散发量的计算，其计算公式为：
[0068][0069]
本发明实施例中的湿润环境蒸散发量的计算公式为：
[0070][0071]
式中，rn为净辐射，g为土壤热通量，t为土壤平均温度值，u2为平均风速，r平均温度系数值，λ为汽化潜热。
[0072]
在上述公式中，饱和水汽压曲线斜率可由平均气温得出，平均气温和饱和水汽压和实际水汽压为最低和最高温度的函数；为提高气候要素敏感性分析的效率，本实施例中以日最高、最低气温的平均值代替日均气温，再考虑辐射、相对湿度和风速等因素的影响，最终确定敏感性分析的关键气候要素为日辐射、日最高气温、日最低气温、相对湿度和风速
等5个因子。
[0073]
本发明实施例中计算e
p
对气候要素的敏感系数se
vi
的公式为：
[0074][0075]
式中，se
vi
为第i个气象因子(vi)的敏感系数，敏感系数越大，e
p
受该气象因子的影响越大。敏感系数是敏感性曲线切线的斜率，敏感性曲线为线性时，敏感系数代表该气象因子任意区间变化对e
p
的影响。敏感性曲线为非线性时，敏感系数的精度取决于所选气象因子的变化步长，气象因子变化越小，敏感系数精度越高。基于敏感性分析得到e
p
对气候因素变化的响应程度分异，有利于区域气候要素影响e
p
的主导性分析。
[0076]
在本发明实施例的步骤s2中作物需水量是指生长在土壤水分条件优良、无病虫害疫情的大面积农田的特定作为生长所需的水分之和；所述作物需水量的影响因素包括参考作物蒸散发和作物系数。
[0077]
本发明实施例步骤s2中的作物需水量的计算公式为：
[0078]
etc＝f(v)kc×
eto[0079]
式中，f(v)为作物系数影响函数，kc为作物系数，eto为参考作物蒸散发；
[0080]
其中，a和b为作物生长的初始阶段f1和中期阶段f3对应的作物系数影响因子，t为时间，v为生长速率，b和c分别为作物生长过程中生长阶段f2和衰萎阶段f4作物系数的影响常数；eto＝(1-β)ea，β为作物需水量控制因子。具体地，在作为生长的初始阶段，即作为从播种到作物覆盖率达到10％的阶段，作物系数kc取常数，在作物生长期，也就是作物覆盖率从10％到作物覆盖率75％左右，即达到可以有效覆盖土壤表面的阶段，作物系数kc的取值为以时间为自变量，因变量为kc的一次函数值；作物中期是从作物能够充分覆盖地表直到作物成熟开始的阶段，该阶段的作物系数也为常数；而在作物中后期，即从叶片开始变黄衰败枯萎一直到植物最终生理成熟并收获果实的阶段，作物系数kc的取值为以时间为自变量，因变量为kc的一次函数值。
[0081]
本发明实施例的步骤s3中，土壤水均衡模型的影响因素包括作物需水量、作物直接利用地下水量、降雨入渗补给量、田间入渗补给量、渠系入渗补给量、潜水蒸发量和表水蒸发量；其中，作物直接利用地下水量gi(z)为：
[0082][0083]
式中，gi(z)为第i种作物在整个生育期内水埋深为z时直接利用的地下水量，z
i,t
为第i种作物在生育期内第t月份的地下水埋深，t为第i种作物生育期的初始月份，m为第i种作物生育期的期末月份，k为指数，a
n,t
为系数；
[0084]
所述降雨入渗补给量w
p
为：
[0085]wp
＝f
·
p
[0086]
式中，f为计算单元面积，p为降雨量；
[0087]
所述田间入渗补给量wa为：
[0088]
wa＝α
·i[0089]
式中，α为田间入渗补给量，i为进入田间的灌溉水量；
[0090]
所述渠系入渗补给量wc为：
[0091]
wc＝δ
·
sc[0092]
式中，δ为渠系渗漏补给系数，sc为渠系输水损失；
[0093]
所述潜水蒸发量eg为：
[0094]eg
＝c(z)
·f·
e0[0095]
式中，c(z)为潜水蒸发量，e0为水面蒸发深度；
[0096]
所述表水蒸发量ea为：
[0097]
ea＝θ
·
e0·
sa[0098]
式中，为表水蒸发系数，sa为田间地表积水面积。
[0099]
本发明实施例的步骤s3中的土壤水均衡变化量包括补给量和开采量；
[0100]
其中，所述补给量wh的表达式为：
[0101][0102]
所述开采量wy的表达式为：
[0103][0104]
式中，i和j为计算单元和计算作物的序数，η为水利用系数。
[0105]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

技术特征：
1.一种基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，其特征在于，包括：s1、构建关于气候的实际蒸散发互补关系模型，并确定不同气候模式下的实际蒸散发；s2、基于实际蒸散发，计算待研究区域的作物需水量；s3、基于待研究区域的水循环规律和作物需水量，构建土壤水均衡模型，进而确定土壤水均衡变化量。2.根据权利要求1所述的基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，其特征在于，所述步骤s1中的气候模式包括ssp1-2.6、ssp2-4.5、ssp5-8.5、ssp1-1.9、ssp4-4.3、ssp5-3.4os以及ssp3-7.0。3.根据权利要求1所述的基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，其特征在于，所述步骤s1中的实际蒸散发互补关系模型为：其中，气候对e
a
变化的贡献率为：p
cc
＝δe
a,cc
/(|δe
a,lc
|+|δe
a,cc
|)式中，e
a
为实际蒸散发量，e
w
为湿润环境蒸散发量，e
p
为潜在蒸散发量，δ(t
e
)为睡眠温度下的饱和水汽压斜率，t
e
为水面温度，γ为干湿表常数，t
a
为下垫面温度，e
a
为水面温度t
e
下的实际水汽压，e
*
为饱和水汽压，δe
a,cc
为气候模式下e
a
的变化幅度，δe
a,lc
为下垫面变化对e
a
的影响值，δ为饱和水汽压曲线斜率。4.根据权利要求3所述的基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，其特征在于，所述潜在蒸散发量的计算公式为：所述湿润环境蒸散发量的计算公式为：式中，r
n
为净辐射，g为土壤热通量，t为土壤平均温度值，u2为平均风速，r平均温度系数值，λ为汽化潜热。5.根据权利要求1所述的基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，其特征在于，所述步骤s2中作物需水量是指生长在土壤水分条件优良、无病虫害疫情的大面积农田的特定作为生长所需的水分之和；所述作物需水量的影响因素包括参考作物蒸散发和作物系数。6.根据权利要求5所述的基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，其特征在于，所述作物需水量的计算公式为：et
c
＝f(v)k
c
×
et
o
式中，f(v)为作物系数影响函数，k
c
为作物系数，et
o
为参考作物蒸散发；
其中，a和b为作物生长的初始阶段f1和中期阶段f3对应的作物系数影响因子，t为时间，v为生长速率，b和c分别为作物生长过程中生长阶段f2和衰萎阶段f4作物系数的影响常数；et
o
＝(1-β)e
a
，β为作物需水量控制因子。7.根据权利要求5所述的基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，其特征在于，所述步骤s3中，土壤水均衡模型的影响因素包括作物需水量、作物直接利用地下水量、降雨入渗补给量、田间入渗补给量、渠系入渗补给量、潜水蒸发量和表水蒸发量。8.根据权利要求7所述的基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，其特征在于，所述作物直接利用地下水量g
i
(z)为：式中，g
i
(z)为第i种作物在整个生育期内水埋深为z时直接利用的地下水量，z
i,t
为第i种作物在生育期内第t月份的地下水埋深，t为第i种作物生育期的初始月份，m为第i种作物生育期的期末月份，k为指数，a
n,t
为系数；所述降雨入渗补给量w
p
为：w
p
＝f
·
p式中，f为计算单元面积，p为降雨量；所述田间入渗补给量w
a
为：w
a
＝α
·
i式中，α为田间入渗补给量，i为进入田间的灌溉水量；所述渠系入渗补给量w
c
为：w
c
＝δ
·
s
c
式中，δ为渠系渗漏补给系数，s
c
为渠系输水损失；所述潜水蒸发量e
g
为：e
g
＝c(z)
·
f
·
e0式中，c(z)为潜水蒸发量，e0为水面蒸发深度；所述表水蒸发量e
a
为：e
a
＝θ
·
e0·
s
a
式中，为表水蒸发系数，s
a
为田间地表积水面积。9.根据权利要求8所述的基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，其特征在于，所述步骤s3中的土壤水均衡变化量包括补给量和开采量；其中，所述补给量w
h
的表达式为：所述开采量w
y
的表达式为：
式中，i和j为计算单元和计算作物的序数，η为水利用系数。

技术总结
本发明公开了一种基于气候的土壤水均衡模拟计算方法，包括：S1、构建关于气候的实际蒸散发互补关系模型，并确定不同气候模式下的实际蒸散发；S2、基于实际蒸散发，计算待研究区域的作物需水量；S3、基于待研究区域的水循环规律和作物需水量，构建土壤水均衡模型，进而确定土壤水均衡变化量。本发明充分考虑了气候对土壤水的影响，构建了关于气候的实际蒸散发互补关系模型，并基于该模型得到实际蒸散发，确定了研究区域的实际需水量，同时结合其他影响参数构建了土壤水均衡模型，进而实现了土壤水均衡的模拟计算，实现了对多层土壤含水量的实时监控，从而有利于加强区域水资源管理，合理利用降水资源和土壤水资源，缓解水资源匮乏。缓解水资源匮乏。缓解水资源匮乏。


技术研发人员：曹国亮 侯保灯 李佳蕾 刘军 王嗣晨 肖伟华 佟浩旭 王露露 刘洪财
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2022/3/8