本發(fā)明涉及一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法,是一種水文模擬方法,是一種針對片麻巖山區(qū)的水循環(huán)過程的模擬方法。
背景技術:
分析片麻巖土石山區(qū)山坡水文過程內在關系,實現(xiàn)山坡水文過程模擬,是認識片麻巖土石山區(qū)山坡水資源評價、管理、水土保持等領域的基礎。片麻巖土石山區(qū)山坡水文過程異于平原區(qū),也異于石灰?guī)r地區(qū)、花崗巖地區(qū)等堅硬基巖分布區(qū)域山坡水文過程。片麻巖土石山區(qū)山坡地區(qū)土層較薄、土壤存在分層且土壤內廣泛分布著土石二元混合介質;土壤下部下覆巨厚片麻巖基巖,片麻巖基巖具有很強導水性和持水性(相較于花崗巖、石灰?guī)r等堅硬巖石),導致片麻巖土石山區(qū)山坡在連續(xù)降雨或強降雨條件下,入滲、產流、蒸散發(fā)和土壤水分運動等過程異于平原地區(qū),異于石灰?guī)r等堅硬巖石分布區(qū)。當前,山坡水文模型均未考慮片麻巖土石山區(qū)水文特征對山坡水文過程影響,導致模型出現(xiàn)模擬失真、精度不高等問題。
技術實現(xiàn)要素:
為了克服現(xiàn)有技術的問題,本發(fā)明提出了一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法。考慮到土壤內存在大量優(yōu)先流孔隙,將土壤層分為基質流區(qū)和優(yōu)先流區(qū),兩區(qū)土壤入滲及水分再分布均采用改進的理查茲方程(Richards equation)計算,土壤壤中流采用改進后的動力波方程(Saint-Venant equation)計算,地表匯流采用動力波方程(Saint-Venant equation)計算。鑒于土壤內含有大量片麻巖分化碎石,基質流區(qū)計算中,引入碎石質量比系數(shù)Rv來描述碎石對土壤含水量的影響;引入碎石質量比系數(shù)Rv和形狀系數(shù)ε來描述碎石對土壤導水系數(shù)的影響。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法,所述方法的計算過程如下:
山坡計算單元劃分:采用等流時線法將山坡劃分為若干基本計算單元;
計算單元垂直剖面劃分:根據山坡植被、土壤和巖石特性,在基本計算單元內分為4層:植被冠層截留層、地表儲留層、土壤層和基巖層;植被截留層又可細分為:高植被截留層和矮植被儲留層、草地層和裸地;土壤層進一步分為均質土壤層、土石二元混合介質層;考慮到片麻巖基巖層內廣泛分布著構造節(jié)理,且片麻巖本身具有一定持水性和透水性,進一步將基巖層分為基質流區(qū)和優(yōu)先流區(qū)。
計算單元內狀態(tài)變量包括:植被冠層截留量、洼地儲留量、枯枝落葉儲留量、土壤含水量;主要參數(shù)包括:植被最大截留深、洼地最大儲留深、枯枝落葉干重、土壤導水系數(shù)、土壤水分特征曲線、土壤含水量、各層土壤厚度、土石二元混合介質碎石質量比系數(shù)、基巖層厚度、坡面糙率;
計算單元水文過程計算,包括水文氣象數(shù)據展布、降雨期間產匯流過程計算、非降雨期間產匯流過程計算等。
水文氣象數(shù)據展布,包括水文氣象過程空間尺度展布和降雨時間降尺度展布:
采用泰森多邊形法和反距離加權平均法進行流域內氣象數(shù)據的空間展布,包括降雨、氣溫、風速、空氣濕度、凈輻射,計算公式如下:
(1)
(2)
式中:D表示待插值點估計值;Dpi表示第pi個參證站點數(shù)據;pm表示參證站點個數(shù);λpi表示第pi個參證站點數(shù)據權重;dpi表示第pi個參證站點同待插值點的距離;pn表示權重指數(shù);
由于日降雨過程的非穩(wěn)定性,對日降雨數(shù)據進一步進行降尺度展布,具體公式如下:
(3)
(4)
(5)
式中:I為時段tk內最大降水平均雨強;S表示暴雨參數(shù);t為時間 (tk-1<t≤tk);tk為時段()區(qū)間的時間,N為時段數(shù);表示暴雨衰減系數(shù);P表示日降雨量;T表示日降雨總歷時;a,b表示參數(shù)。
降雨期間產匯流過程計算:降雨期間,土壤蒸散發(fā)量較小,可以忽略;計算單元內水文過程主要由降雨→植被截留→入滲產流→匯流過程構成;
植被截留計算,計算公式如下:
(6)
(7)
(8)
式中:Veg表示植被的面積;Wr表示植被截留水量;表示最大植被截留水量;I為時段tk內雨強;Rr表示植被冠層流出水量;LAI表示葉面積指數(shù)。
洼地儲留計算,計算公式如下:
(9)
(10)
式中:為時段tk內凈雨強(經植被截留后的雨強); Hu2為地表儲留;Humax2為土壤表層最大儲留深;Ru2為土壤表面徑流;fin為入滲率。地表儲留量分別為洼地儲留量和枯枝落葉儲留量構成,枯枝落葉儲留量消耗于后期蒸散發(fā)過程,而洼地儲留消耗于土壤入滲。
枯枝落葉儲留計算,計算公式如下:
Humax=zmaxG (11)
式中:G為枯枝落葉干重;z為枯枝落葉最大持水系數(shù);
土壤及基巖層水分運動過程計算:片麻巖分布區(qū)土壤和基巖均具有導水性和持水性,所有土壤層水分運動過程均采用理查茲(Richards equation)公式計算:
(12)
式中:h為土壤水吸力;C為容水度;SS為源匯項(即根系吸水);z為坐標軸;K(h)為導水系數(shù);t為時間??紤]到土壤和基巖層均廣泛分布著裂隙優(yōu)先流,土壤水分運動過程中將計算單元分為基質區(qū)和優(yōu)先流區(qū)。其中計算單元內基質區(qū)所占面積比例為,優(yōu)先流區(qū)所占面積比例為。
對于片麻巖土石山區(qū),其基質區(qū)土壤內含有大量片麻巖碎石,屬于土石二元混合介質,碎石具有一定持水性和導水性,影響了土壤水分運動過程。在對其基質區(qū)土壤水分運動過程模擬時,引入碎石質量比系數(shù)Rv描述片麻巖碎石對土壤含水量的影響。根據Rv大小,可以將土壤層分為以下土層:1)當Rv=0時,土壤層為均質土壤;2)當1>Rv>0時,土壤層為土石二元混合介質層;3)當Rv=1時,土壤層為基巖層。此外,假設碎石內和土壤內水勢相等,可將基質區(qū)土壤水分運動過程進一步修正為:
(13)
式中:為基質區(qū)內平均導水系數(shù),由基質區(qū)內碎石和土壤的導水系數(shù)加權平均得到,引入碎石形狀系數(shù)ε和體積系數(shù)Rv,得到公式(14)。
(14)
其中:
(15)
(16)
式中:為基質區(qū)面積比例;h為土壤水吸力;和分別為土壤和碎石的容水度;SS為源匯項(即根系吸水);Γ為不同區(qū)間水量交換量;下標m表示基質區(qū);下標i表示土壤層;Kss(h)為土壤非飽和導水系數(shù);Ksr(h)為碎石非飽和導水系數(shù);Kss為土壤飽和導水系數(shù);Ksr為碎石飽和導水系數(shù);α、vn和vm為參數(shù),vm=1-1/vn;下標1和2分別表示土壤和碎石;z為坐標軸。
土石二元混合介質達到飽和時,h=0,基于公式(14),計算單元內飽和導水系數(shù)為:
Km= (1-Rv)·Kss +εRv·Ksr (17)
片麻巖土石山區(qū)計算單元內優(yōu)先流區(qū)同樣含有大量片麻巖碎石,但孔隙結構與基質區(qū)不同,導致水勢、導水系數(shù)等有所不同。其土壤水分過程計算公式表示如下:
(18)
式中:下標f表示優(yōu)先流區(qū);wf為優(yōu)先流區(qū)面積比例;其他參數(shù)同前。
上下邊界條件均采用通量邊界條件:
(19)
(20)
式中:q為上下邊界通量;其它參數(shù)同前。
模型計算中,基質區(qū)和優(yōu)先流區(qū)土壤水分特征曲線采用相同曲線??紤]到土石二元混合介質中含有大量片麻巖碎石,且碎石具有一定持水性和導水性,進而改變了土壤水分特征參數(shù)。考慮到土壤和碎石的土壤水分特征參數(shù)變化的差異,基于Van Genuchten模型分別計算兩者的土壤水分特征曲線。
(21)
(22)
式中:Se為飽和度系數(shù);θ為土石二元混合介質土壤含水量;θs為土石二元混合介質土壤飽和含水量;θr為土石二元混合介質殘余含水量;α、vn和vm為參數(shù),vm=1-1/vn;h為土壤水吸力;下標1和2分別表示土壤和碎石。
壤中流計算:
(23)
(24)
(25)
(26)
(27)
式中:Q為壤中過流斷面流量;Ks為土壤飽和導水系數(shù);W為計算單元寬度;為壤中流水位高度,即土水勢;x和z為坐標軸;e為土壤內孔隙度;為垂向入流量(即壤中流產流量);為各層土壤上下界面處水分通量;下標m和f分別表示基質區(qū)和優(yōu)先流;下標i表示土壤層。
地表匯流過程計算:計算公式如下:
連續(xù)方法:
(28)
運動方程:
Sf=S0 (29)
曼寧公式:
(30)
式中:Q0表示地表過流斷面流量;A表示過流斷面面積;Rsurf表示地表產流量;Sf表示摩擦坡降;S0表示計算單元平均地面坡降或河道坡降;Rwr表示過流斷面水力半徑;kn表示曼寧糙率系數(shù);
非降雨期土壤蒸散發(fā)過程計算步驟如下:
計算單元內的土壤蒸散發(fā)量是植被截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植被蒸騰的之和,計算公式如下:
(31)
式中:表示計算單元總蒸散發(fā)(mm);下標1表示植被截留蒸發(fā);下標2表示植被蒸騰;下標3表示裸土蒸發(fā)。
土壤潛在蒸發(fā)能力由Penman公式計算(最大蒸發(fā)強度):
(32)
(33)
式中:為凈輻射量;為傳入水中的熱通量;為飽和水汽壓對溫度的導數(shù);為空氣密度;為空氣的定壓比熱;為實際水蒸氣壓與飽和水蒸氣壓的差值;為蒸發(fā)表面空氣動力學阻抗;為水的氣化潛熱;為空氣濕度常數(shù);為大氣壓。
空氣動力學阻抗計算:其計算公式如下:
(34)
(35)
式中:為空氣動力學阻抗(s/m);為氣象站觀測點離地面的高度(m);為置換高度(m);表為水蒸氣紊流擴散對應的地表粗度(m);為地表粗度;為von Karman 常數(shù);為風速;為植被高度。
植被截留蒸發(fā)量()使用Noilhan-Planton模型計算:
(36)
(37)
(38)
(39)
(40)
式中:為裸地-植被域中植被的面積占計算單元的面積比例;為濕潤葉面占植被葉面的面積比例;Ep為潛在蒸發(fā)量,即最大蒸發(fā)量;Wr為植被截留量;Wrmax為植被最大截留水量;I為雨強;Rr為植被冠層流出水量,即超出最大植被截留水量的部分(mm);LAI表示葉面積指數(shù)。
植被蒸騰量()采用Penman-Monteith公式計算。土壤各層蒸散量采用雷志棟的根系吸水模型進行計算。具體公式如下:
(41)
(42)
式中:Tr為實際植被蒸騰量(mm);為采用Penman-Monteith公式計算的潛在蒸騰量;為熱通量;為植被阻抗(s/m)。
根系吸水模型:
(43)
Tr=E2 (44)
式中:lr表示根系層厚度;Tr為植被蒸騰量;SS為源匯項(即根系吸水)。
植被群落阻抗計算:采用Dickinson等提出公式計算植被群落阻抗:
(45)
(46)
(47)
(48)
(49)
式中:rc為植被群落阻抗(s/m);rs min為最小氣孔阻抗(s/m);LAI為葉面積指數(shù);為溫度影響函數(shù);為大氣水蒸氣壓飽和差影響函數(shù);為光合作用有效放射的影響函數(shù);為土壤含水量的影響函數(shù);為氣溫(℃);為飽和水蒸氣壓同實測值之間的差(kPa);為氣孔閉合時的值(大約等于4kPa);rs max為最大氣孔阻抗(5000 s/m);為光和作用有效放射(W/m2);為的臨界值(高植被:30W/m2;低植被:100W/m2);為根系層土壤含水量(如不加說明,本文所有土壤含水量均指體積含水量);為植被凋萎時的土壤含水量;為土壤飽和含水量。
裸地土壤蒸發(fā)量()由下式計算:
(50)
(51)
式中:為土壤濕潤函數(shù);為表層土壤含水量;為土壤分子吸力(約1000-10000個大氣壓)對應的土壤含水量;為表層土壤田間持水量;其他參數(shù)意義同前。
非降雨期土壤水分運動過程采用修正的Richards公式計算,計算公式同非降雨期;當非降雨期地表有地下水流出時,采用動力波方程進行匯流計算,計算公式同降雨期;非降雨期壤中流采用改進后的動力波方程,計算公式同降雨期。
本發(fā)明產生的有益效果是:本發(fā)明的計算單元采用等流時線法劃分,計算單元內根據山坡剖面特征,在垂向上依次劃分為植被層、土壤層和基巖層,每一層內根據其特性進一步分為亞層。計算單元內水分通量包括降雨、植被截留、洼地儲留、入滲及水分再分布過程、壤中流、地表流和蒸散發(fā)過程等方面。降雨過程模擬中,主要對降雨數(shù)據在時間和空間上進行離散;植被截留是葉面積指數(shù)的函數(shù);考慮到山區(qū)土壤入滲存在優(yōu)先流,土壤降雨入滲過程計算中,將山區(qū)劃分為優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)。非降雨期間,土壤水分消耗于土壤蒸散發(fā)和水分再分布,土壤蒸散發(fā)包括植被截留蒸發(fā)、植被蒸騰和裸土蒸發(fā),計算中分別計算;土壤水分運動過程、壤中流過程和地表匯流過程均同于降雨期間。本發(fā)明使片麻巖土質的山坡水文過程模擬更加精確,更接近實際。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1是本發(fā)明的實施例一所述方法的流程圖。
具體實施方式
實施例一:
本實施例是一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法,流程如圖1所示。本實施例所述方法的計算過程如下:
山坡計算單元劃分:采用等流時線法將山坡劃分為若干基本計算單元。
計算單元內垂直剖面劃分:根據山坡植被、土壤和巖石特性,在基本計算單元內(等高帶)分為4層:植被冠層截留層、地表儲留層(枯枝落葉儲留層和洼地儲留層)、土壤層、基巖層。土壤層進一步分為均質土壤層、土石二元混合介質層、風化碎石層和基巖層。計算單元內狀態(tài)變量包括:植被冠層截留量、洼地儲留量、枯枝落葉儲留量、土壤含水量等。主要參數(shù)包括:植被最大截留深、洼地最大儲留深、枯枝落葉干重、土壤導水系數(shù)、土壤水分特征曲線、土壤含水量、各層土壤厚度、土石二元介質碎石質量比系數(shù)、基巖層厚度、坡面糙率等。植被截留層又可細分為:高植被截留層(分為針葉林、針闊混交林、闊葉林和常綠闊葉林)和矮植被儲留層(灌木林)、草地層和裸地。
計算單元內狀態(tài)變量包括:植被冠層截留量、洼地儲留量、枯枝落葉儲留量、土壤含水量;主要參數(shù)包括:植被最大截留深、洼地最大儲留深、枯枝落葉干重、土壤導水系數(shù)、土壤水分特征曲線、土壤含水量、各層土壤厚度、土石二元混合介質碎石質量比系數(shù)、基巖層厚度、坡面糙率。
計算單元水文過程計算:包括水文氣象數(shù)據展布、降雨期間產匯流過程計算、非降雨期間產匯流過程計算等。
水文氣象數(shù)據展布:包括水文氣象過程空間尺度展布和降雨時間降尺度展布:
采用泰森多邊形法和反距離加權平均法進行流域內氣象數(shù)據的空間展布,包括降雨、氣溫、風速、空氣濕度、凈輻射等,計算公式如下:
(1)
(2)
式中:D表示待插值點估計值;Dpi表示第pi個參證站點數(shù)據;pm表示參證站點個數(shù);λpi表示第pi個參證站點數(shù)據權重;dpi表示第pi個參證站點同待插值點的距離;pn表示權重指數(shù)。
由于日降雨過程的非穩(wěn)定性,對日降雨數(shù)據進一步進行降尺度展布,具體公式如下:
(3)
(4)
(5)
式中:I為時段tk內最大降水平均雨強;S表示暴雨參數(shù);t為時間 (tk-1<t≤tk);tk為時段()區(qū)間的時間,N為時段數(shù);表示暴雨衰減系數(shù);P表示日降雨量;T表示日降雨總歷時;a,b表示參數(shù)。
降雨期間產匯流過程計算:降雨期間,土壤蒸散發(fā)量較小,可以忽略。計算單元內水文過程主要由降雨→植被截留→入滲產流→匯流過程構成。
植被截留計算,計算公式如下:
(6)
(7)
(8)
式中:Veg表示植被的面積;Wr表示植被截留水量;Wrmax表示最大植被截留水量;I為時段tk內雨強;Rr表示植被冠層流出水量;LAI表示葉面積指數(shù)。
洼地儲留計算,計算公式如下:
(9)
(10)
式中:為時段tk內凈雨強(經植被截留后的雨強);Hu2為地表儲留;Humax2為土壤表層最大儲留深;Ru2為土壤表面徑流;fin為入滲率。地表儲留量分別為洼地儲留量和枯枝落葉儲留量構成,枯枝落葉儲留量消耗于后期蒸散發(fā)過程,而洼地儲留消耗于土壤入滲。
枯枝落葉儲留計算,計算公式如下:
Humax=zmaxG (11)
式中:G為枯枝落葉干重;z為枯枝落葉最大持水系數(shù)。
土壤及基巖層水分運動過程計算:
片麻巖分布區(qū)土壤和基巖均具有導水性和持水性,所有土壤層水分運動過程均采用理查茲(Richards)公式計算,公式如下:
(12)
式中:h為土壤水吸力;C為容水度;SS為源匯項(即根系吸水);z為坐標軸;K(h)為導水系數(shù);t為時間。考慮到土壤和基巖層均廣泛分布著裂隙優(yōu)先流,土壤水分運動過程中將計算單元分為基質區(qū)和優(yōu)先流區(qū)。其中計算單元內基質區(qū)所占面積比例為,優(yōu)先流區(qū)所占面積比例為。
對于片麻巖土石山區(qū),其基質區(qū)土壤內含有大量片麻巖碎石,屬于土石二元混合介質,碎石具有一定持水性和導水性,影響了土壤水分運動過程。在對其基質區(qū)土壤水分運動過程模擬時,引入碎石質量比系數(shù)Rv描述片麻巖碎石對土壤含水量的影響。根據Rv大小,可以將土壤層分為以下土層:1)當Rv=0時,土壤層為均質土壤;2)當1>Rv>0時,土壤層為土石二元混合介質層;3)當Rv=1時,土壤層為基巖層。此外,假設碎石內和土壤內水勢相等,可將基質區(qū)土壤水分運動過程進一步修正為:
(13)
式中:為基質區(qū)內平均導水系數(shù),由基質區(qū)內碎石和土壤的導水系數(shù)加權平均得到,引入碎石形狀系數(shù)ε和體積系數(shù)Rv,得到公式(14)。
(14)
其中:
(15)
(16)
式中:wm為基質區(qū)面積比例;h為土壤水吸力;Cms和Cmr分別為土壤和碎石的容水度;SS為源匯項(即根系吸水);Γ為不同區(qū)間水量交換量;下標m表示基質區(qū);下標i表示土壤層;Kss(h)為土壤非飽和導水系數(shù);Ksr(h)為碎石非飽和導水系數(shù);Kss為土壤飽和導水系數(shù);Ksr為碎石飽和導水系數(shù);α、vn和vm為參數(shù),vm=1-1/vn;下標1和2分別表示土壤和碎石;z為坐標軸。
土石二元混合介質達到飽和時,h=0,基于公式(14),計算單元內飽和導水系數(shù)為:
Km= (1-Rv)·Kss +εRv·Ksr (17)
片麻巖土石山區(qū)計算單元內優(yōu)先流區(qū)同樣含有大量片麻巖碎石,但孔隙結構與基質區(qū)不同,導致水勢、導水系數(shù)等有所不同。其土壤水分過程計算公式表示如下:
(18)
式中:下標f表示優(yōu)先流區(qū);wf為優(yōu)先流區(qū)面積比例;其他參數(shù)同前。
上下邊界條件均采用通量邊界條件:
(19)
(20)
式中:q為上下邊界通量;其它參數(shù)同前。
模型計算中,基質區(qū)和優(yōu)先流區(qū)土壤水分特征曲線采用相同曲線。考慮到土石二元混合介質中含有大量片麻巖碎石,且碎石具有一定持水性和導水性,進而改變了土壤水分特征參數(shù)??紤]到土壤和碎石的土壤水分特征參數(shù)變化的差異,基于Van Genuchten模型分別計算兩者的土壤水分特征曲線。
(21)
(22)
式中:Se為飽和度系數(shù);θ為土石二元混合介質土壤含水量;θs為土石二元混合介質土壤飽和含水量;θr為土石二元混合介質殘余含水量;α、vn和vm為參數(shù),vm=1-1/vn;h為土壤水吸力;下標1和2分別表示土壤和碎石。
壤中流計算:
(23)
(24)
(25)
(26)
(27)
式中:Q為壤中過流斷面流量;Ks為飽和導水系數(shù);W為計算單元寬度;Φ為壤中流水位高度,即土水勢;x和z為坐標軸;e為土壤內孔隙度;Rsub為垂向入流量(即壤中流產流量);q為各層土壤上下界面處水分通量;下標m和f分別表示基質區(qū)和優(yōu)先流;下標i表示土壤層。
地表匯流過程計算:計算公式如下:
連續(xù)方法:
(28)
運動方程:
Sf=S0 (29)
曼寧公式:
(30)
式中:Q0表示地表過流斷面流量;A表示過流斷面面積;Rsurf表示地表產流量;Sf表示摩擦坡降;S0表示計算單元平均地面坡降或河道坡降;Rwr表示過流斷面水力半徑;kn表示曼寧糙率系數(shù);
非降雨期土壤蒸散發(fā)過程計算。計算單元內的土壤蒸散發(fā)量是植被截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植被蒸騰之和,計算公式如下:
(31)
式中:表示計算單元總蒸散發(fā)(mm);下標1表示植被截留蒸發(fā);下標2表示植被蒸騰;下標3表示裸土蒸發(fā)。
土壤潛在蒸發(fā)能力由Penman公式計算(最大蒸發(fā)強度):
(32)
(33)
式中:為凈輻射量;為傳入水中的熱通量;為飽和水汽壓對溫度的導數(shù);為空氣密度;為空氣的定壓比熱;為實際水蒸氣壓與飽和水蒸氣壓的差值;為蒸發(fā)表面空氣動力學阻抗;為水的氣化潛熱;為空氣濕度常數(shù);為大氣壓。
空氣動力學阻抗計算:其計算公式如下:
(34)
(35)
式中:為空氣動力學阻抗(s/m);為氣象站觀測點離地面的高度(m);為置換高度(m);表為水蒸氣紊流擴散對應的地表粗度(m);為地表粗度;為von Karman 常數(shù);為風速;為植被高度。
植被截留蒸發(fā)量()使用Noilhan-Planton模型計算:
(36)
(37)
(38)
(39)
(40)
式中:為裸地-植被域中植被的面積占計算單元的面積比例;為濕潤葉面占植被葉面的面積比例;Ep為潛在蒸發(fā)量,即最大蒸發(fā)量;Wr為植被截留量;Wrmax為植被最大截留水量;I為雨強;Rr 為植被冠層流出水量,即超出最大植被截留水量的部分(mm);LAI表示葉面積指數(shù)。
植被蒸騰量()采用Penman-Monteith公式計算。土壤各層蒸散量采用雷志棟的根系吸水模型進行計算。具體公式如下:
(41)
(42)
式中:Tr為實際植被蒸騰量(mm);為采用Penman-Monteith公式計算的潛在蒸騰量;為熱通量;為植被阻抗(s/m)。
根系吸水模型:
(43)
Tr=E2 (44)
式中:lr表示根系層厚度;Tr為植被蒸騰量;SS為源匯項(即根系吸水)。
植被群落阻抗計算:采用Dickinson等提出公式計算植被群落阻抗:
(45)
(46)
(47)
(48)
(49)
式中:rc為植被群落阻抗(s/m);rs min為最小氣孔阻抗(s/m);LAI為葉面積指數(shù);為溫度影響函數(shù);為大氣水蒸氣壓飽和差影響函數(shù);為光合作用有效放射的影響函數(shù);為土壤含水量的影響函數(shù);為氣溫(℃);為飽和水蒸氣壓同實測值之間的差(kPa);為氣孔閉合時的值(大約等于4kPa);rs max為最大氣孔阻抗(5000s/m);為光和作用有效放射(W/m2);為的臨界值(高植被:30W/m2;低植被:100W/m2);為根系層土壤含水量(如不加說明,本文所有土壤含水量均指體積含水量);為植被凋萎時的土壤含水量;為土壤飽和含水量。
裸地土壤蒸發(fā)量()由下式計算:
(50)
(51)
式中:為土壤濕潤函數(shù);為表層土壤含水量;為土壤分子吸力(約1000-10000個大氣壓)對應的土壤含水量;為表層土壤田間持水量;其他參數(shù)意義同前。
非降雨期土壤水分運動過程采用修正的Richards公式計算,計算公式同非降雨期;當非降雨期地表有地下水流出時,采用動力波方程進行匯流計算,計算公式同降雨期;非降雨期壤中流采用改進后的動力波方程,計算公式同降雨期。
最后應說明的是,以上僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制,盡管參照較佳布置方案對本發(fā)明進行了詳細說明,本領域的普通技術人員應當理解,可以對本發(fā)明的技術方案(比如數(shù)據的采集、各種公式的運用、步驟的先后順序等)進行修改或者等同替換,而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍。