生态水文学导论(5-6)课件.ppt

'生态水文学导论——生态系统中的水文循环 第四章生态水文模型4.1降水模型4.2径流模型和水文模型4.3地下水流模型4.4根系吸水模型4.5蒸腾模型（水—气界面模型） 4.3地下水流模型 4.3.1潜水 设含水层底板标高为z，则H=z+h，则上式可写成对于三维各向异性含水层，有式中，Kx，Ky，Kz分别为x，y，z方向的渗透系数，s为单位弹性储(释)水率（量纲1/L)，对于潜水近似为零。h为从含水层底板算起的潜水含水层标高。 4.3.2承压水运动方程无源汇的各向异性承压含水层中三维渗流的运动方程如下对于平面二维水流，其运动方程为式中，Tx，Ty分别为x，y方向的导水系数，Tx=KxM；Ty=KyM；S为储水系数，S=sM；M为承压含水层厚度。 4.3.3土壤水或包气带水1.基本微分方程将=z+m代入上式，得这就是均质各向异性包气带介质中包气带水运动的基本微分方程式，也称为理查德(Richards)方程。 2.各种形式的Richards方程以基质势m为变量的基本方程式中C(m)为容水率，表示单位基质势变化引起的含水率变化量，即以含水率为变量的基本方程式中D()为扩散系数，即一维水平流动一维垂向流动 4.3.4地下水流数值模型承压含水层二维非稳定流数学模型： 12已知水头函数边界已知流量函数边界 12xyjj-1j+1i-1i+1i011NyNx时间轴划分M段，时刻点编号为0,1,2,…,k-1,k,k+1; 微分方程离散对于(i,j)点的水头一阶导数，其中心差分格式为K时刻的水头导数使用前向差分，有对于任一点(i,j)任一时刻k的水头和源汇项表示为 水头二阶导数为 数学模型中范定方程的差分方程表示为（i=1,2,……,Nx;j=1,2,……,Ny;k=1,2,……,M)对于k时刻，构成了NxNy个方程组，也有NxNy个未知数，求解方程组可得k时刻各点水头值。 初始条件为边界条件为 GMS软件非饱和流Hydrus软件 4.4根系吸水模型 4.4.1单根吸水模型式中：r为土壤中某一点到根中心的径向距离；rr为根半径；,为土壤含水率和水势；0,0为土壤含水率和水势的初始值；k(),D()为土壤的导水率和扩散率；q为单位根长的吸水速率，即单位时间内每单位根长的吸水量。 Molz的土-根系统水流运动模型：根区：根内：式中:m为土壤基质势；C为比水容量；rs为相邻2条根间距的中点到根轴线的距离；t为根组织水势；Dt为根组织水分扩散系数；re为根内皮层半径。Philip(1957)和Gardner(1960)模型：根系吸水项：式中：L(z)、K(z)分别为z处的根长密度、土壤导水率；s(z)-r(z)是土壤与根系间的水势差，r(z)是根半径。L=1/b2 一般单根吸水模型均包括土壤导水率和土壤水势差两项，有些模型还包括与土壤深度有关的根系吸水活力参数A(z)：Passioura(1980)计算了围绕一个单根的土壤含水量从起始含水量0变为(t)所需要的时间t：式中：D是土壤水分扩散率。Cowan(1965)单根吸水分析模型：式中Q是单位根长的吸水速率；D是在半径为b的圆柱体外缘处土壤扩散率；b是两个根平均距离的1/2；a是根平均半径；是半径为b的圆柱体外缘处与根表面土壤含水量的差值。 大豆根系的吸水过程模拟水分传导度：式中，Rs和Rp分别为单位体积土壤中土壤阻力和根阻力，Rp等于Rr/Lv，Rr为单位根长的阻力，Lv为单位体积土壤中的总根长。土壤阻力：K是水分传导度。根系对单位土壤水分的瞬时吸收速率U等于：式中，h是土壤水势；m是在土壤表面处植物的最小水势；t是时间，日出为0，日落为D；D是日照长度。 只有当h>msin(t/D)，根系才能吸水，那么一天中，根系对单位土壤体积的吸水速率(S)等于对上式的积分，即式中：A＝sec(h/m)，日蒸腾量Et＝SzTaylor和KLepper(1978)用欧姆定律原理建立的根系吸水项：式中：Vi是土壤体积(m3)；Di是在Vi中的根长密度(m/m3)；Ki是土壤—根系统的渗透率(m3/(s.m.MPa))；w是在Vi中的土壤水势(MPa)；p是在土壤表面处植物木质部水势；fi是高度引起的水势差(MPa)；f是由于摩擦引起的水势降。 式中：L是导管的长度；是水的粘滞系数；J是流速；B是导管半径；Qi是从第i层至(i-1)层水分总流速；Ni是从第i层至(i-1)层总的水分传输导管数。则 4.4.2宏观吸水模型一、以水分物理参数和根系密度为主导因子构建的吸水模型1.Gardner模型式中：K是土壤导水率；是土壤总水势，S(z,t)是在深度z处单位时间根系吸水速率；是土壤体积含水量B为常数；t为植物根水势；m为土壤基质势；z为距地表的深度；L(z,t)为单位体积土壤中的根长度 2.Whisler模型L(z)为根密度函数；hp为植物根水势；hs为土水势。3.Nimah-Hanks模型Hr为土壤表面根内的有效水头；RR为根阻力项，等于1+Cv，Cv为流速因数，在植物根系流中假定Cv=0.05；hm(z,t)为土壤基质水头；h0(z,t)为考虑含盐量的渗透水头；LDF(z)为有效根密度函数，即为在z的深度间隔内其有效根与总有效根的比率；z为深度增量；x为根表面到土壤中测量hm(z,t)和h0(z,t)点的距离(可假定为1.0cm)。 4.Feddes模型hr(z)为土-根接触面的压力水头；hm(z)为土壤基质水头；b(z)为描述水流特性的经验函数w为凋萎含水率；L为S=Smax时的最低含水率；H为S=Smax时的最高含水率；s为饱和含水率；Smax为根系最大吸水速率 5.Hillel模型6.Herklrath模型Hs为作为深度函数的土壤的总水头；Hp为植物体内的水头；Rs为土壤内的水流阻力，等于1/BKL(其中：B为经验常数；K为土壤导水率即渗透率；L为有效根长密度)；Rr为根的水力阻力，等于吸收阻力与传导阻力之和。(z,t)为深度z时刻t的土壤容积含水率；Kr为单位根长的根透性因数；L(z,t)为单位体积土壤中的根长度；s(z,t)为土水势；r为根内水势。 二、以植物蒸腾量在深度上按比例分配和根系密度分布的半理论半经验模型1.Feddes模型S=T/ZrT为单位土壤面积的蒸腾速率;Zr为植物根系层深度2.Prasad模型3.Chandra，ShekharandAmaresh模型此模型是以上2个模型的发展，当=0时即为Feddes模型，当=1时即为Prasad模型。另外，此模型有很好的边界条件:当z=0时，S=Smax;当z=zr时，S=0。 4.Molz-Remson模型5.Raats模型6.SelimandIskandar模型式中为使S在整个根区的积分等于T的参数L(z)为单位土体积的根长度；Ks()为非饱和土壤导水率；为土壤水势。 7.Molz模型8.邵明安模型式中:"m(z,t)为土壤基质势；"x(z,t)为根木质部水势Rsr为根系吸水过程中所遇到的阻力之和；n为土壤质地因子；()为土壤水分限制因子 三、通过根系吸水动态模拟的方法建立的根系吸水经验模型1.姚建文冬小麦根系吸水经验模型式中：Et(t)为蒸发蒸腾量；tP为相对时间，tP=t/ttot(t为出苗后的时间；ttot为作物生育期总时间)；zr为相对深度，zr=z/zr(t)(z为实际深度；zr(t)为根系层深度)；A为经验系数。 2.康绍忠冬小麦根系吸水经验模型3.邵爱军模型式中：TP(t)为作物潜在蒸腾量；z为土壤含水率；F为田间持水率；wp为凋萎含水率。Et为腾发量，mm.d-1；zr为相对深度，zr=z/Lr(t)(其中Lr(t)为根系吸水层深度)；A为经验系数，mm-1；B,C为经验因数。A反映作物根系吸水随生长期的变化，B反映根系吸水在剖面上的分布形状，C为作物吸水量最大值所在的位置。 4.4.2根系吸水模型中的参数测定(一)根系参数(1)总根长(重)：单位土壤面积的总根长(重)，单位是km/m2(g/m2)，表征植物根系总量的大小。(2)根长(根重)密度：单位土壤体积的根长(根重)，单位是cm/cm3(g/cm3)，反映出植物在某一土壤层次根长(根重)的多少。 (3)根冠比：地下部分生物量与地上部分生物量之比，根冠比大的植物，分配至根的同化物多，根系相对发达。该参数也反映出地上和地下部分的关系。(4)单位地上部分所具有的根长：总根长与地上部分生物量之比，表示供应单位地上部分所需要的根长，该值大，根系相对发达，与根冠比意义相似。(5)比根长：单位重量的根所具有的根长，单位一般是m/g，表示根系粗细的一个参数，比根长大，根细，反之，则较粗。 (二)根长测定方法1．直接测定方法：把根系置于有刻度的玻璃平面上，用镊子拉直根系，用放大镜或目测直接读数。这种方法较费时费力。2．交叉法：用根系与线段之间的交点数，根据公式计算出根长的一种方法。Newman(1966)的计算公式：R＝NA/2H式中：R是总根长；N是根系与非常纤细的线段之间的交点数；A是矩形面积；H是在矩形面上所有线段的总长度。3．根长确定仪：利用交叉法原理发展的电动仪器。根系与平行线之间的交叉点数，通过移动玻璃板上面摆布的根系样品位置来计算。玻璃板下面，放着双目显微镜，并附有光电计算仪。每次当根部通过下方的显微镜，由换算器的电子装置记数记录，然后换算为实际根长。 (三)其它参数的测定1．根直径借助于装有测微计的显微镜，可以直接测量根直径。另一种方法是用排水法间接测定根系平均半径，具体步骤是：把洗净的根系，用吸湿纸吸干表面水分，置入装满水的一个有溢流管的特制容器中，测定溢出水分的体积，即为根系的体积，然后根据根系的总根长，求出其平均半径。2．根系表面积根系表面积是研究根系吸收水分和养分的重要参数，可根据根半径和根长计算根系表面积。除此之外，还可以用测定叶片表面积的光电技术，或者用吸附方法测定。吸附方法的原理是把刚洗净的根系浸入染色溶液，测量根部所吸附的染料数量，推算出根表面积。亚甲基蓝是最常用的染料，具体方法是把洗净的根系置于已知浓度的亚甲基蓝溶液中，慢慢转动根系，停留一段时间后，测定亚甲基蓝溶液浓度，根据两者浓度差，计算根系的吸附量，来推算根系表面积。 (四)根系活力的确定1.用刚果红染色法区分活根和死根将洗净的根系置于1％刚果红溶液中浸泡3分钟，用水冲洗，然后用吸湿纸吸干根表面的水分，再放入95％乙醇溶液中浸泡3分钟，取出后再用水冲洗。这时，活的根系就被染成深红色或鲜红色，死的根系和其他有机物质将呈无色或浅红色、褐色2．用“TTC”(红四氮唑)测定根系活力“TTC”是标准的氧化还原色素，呈无色的水溶液，当它遇到根、花粉、种子等的活细胞时，接受活细胞中脱氢酶的氢离子，还原后逐渐变成红色，生成不溶于水的三苯基甲潜。生成的物质呈红色，不能在空气中氧化。 4.5水—气界面模型(蒸腾模型) 4.5.1叶片能量平衡对于水平不透光叶片，其辐射收支方程为式中Rn—叶片的净余辐射；Isd—到达叶片的太阳短波辐射；—叶片反射率；Ild—到达叶片的天空长波辐射；—叶片长波发射率；—Stefan-Bolzman常数；Tl—叶温。如果叶片非水平Isd=Ib+Id；Ib=Ipsin 式中，Ip—太阳入射直接辐射强度；—纬度；—太阳赤纬；t—一天中的时间（按小时计）；t0—太阳正中午时间式中，a—大气透过系数；Sp0—太阳常数（=1370w.m-2）；m—大气光学质量。式中，p—实际大气压；p0—海平面大气压； 天空散射辐射：天空下长波辐射：式中，atm—参考高度气温下的半球辐射表观发射率；Ta—参考高度的气温。叶片吸收的净余辐射主要转化成蒸腾潜热和显热，叶片光合作用所消耗的热量和叶片本身储存的热量可忽略不计，则叶片热量平衡方程式中，Ec—叶—气界面蒸腾通量；H—显热通量；L—汽化潜热。 4.5.2叶—气界面水分通量的计算模型叶—气水汽交换通量E式中G—土壤热通量；—温度-饱和水汽压曲线斜率；—干湿常数；Cp—空气体积热容量；D—空气饱和水汽压差；ra—水汽传输的空气动力学阻力；rc—冠层叶片气孔的总体阻力。对于稀疏作物：D0—冠层内源汇处的饱和水汽压差。 空气动力学阻力式中，z—垂直高度；d0—零平面位移；z0m—动量传输粗糙度；z0h—热量传输粗糙度；m，h—分别为动量和热量的大气稳定度修正系数；u—风速；k—vonKarman常数。对于植被表面，实验和模型显示ln(z0m/z0h)=2叶片边界层阻力：w—叶片特征宽度(m)；C—常数，约为90s1/2·m-1。 风速h—冠层顶高度；—衰减系数，约为2.5。冠层阻力Is—入射太阳总辐射；D—空气饱和水汽压差；Ta—气温；—土壤含水率f—田间持水率；w—调萎湿度。参数1、2、3、4的非线性优化值分别为59.53、0.501、5.110-4和0.094 地表与冠层间湍流交换阻力式中，Km—冠层湍流交换系数；z0s—土壤表面粗糙度，取0.005m。土壤阻力f—田间持水率，取0.35；sf—表层土壤含水率。 简单方法式中，fc—植被覆盖度；fg—LAI中绿色叶面积的比例。蒸腾还可以用土壤水势与叶片水势差来计算 s—土壤水势；l—作物叶水势；rs—土壤阻力；rp—植物体内水流阻力。zr—根系深度；K(s)—平均根层水分传导率；s—根层平均密度。 生态水文学模型的实现 1WaterModWaterModisaprogramtostudythedynamicsofsoilwaterinagriculturalsystems. Itincorporatesrainfallandirrigationinputs,runoff,transpiration,evaporationfrom(thesoil,litter枯枝落叶层andthecanopy冠层),infiltrationandthroughdrainage.Usersspecifysoil,crop,climaticandirrigationparameters.ClimaticinputscanbespecifiedwithintheprogramorfromametdatafileinExcelformat. Featuressuchassoilprofile,rootdistribution,cropgrowth,andplantwateruptake(吸水)modelscanbereadilymodifiedtoexploretheireffectonthebehaviourofthesystem. Themodelcanbeusedtocomparesimulationswithuserdata.Theaimoftheprogramistoallowyou,theuser,tobecomethemodeller.Itisnotdesignedasablack-boxmodel.Rather,yougettheopportunitytospecifybiophysicalparametersinaquickandeasymannerinordertoexploretheunderlyingbehaviourofthebiophysicalsystem. Someoftheusesofthemodelaretoexploretheeffectofsoilphysicalpropertiesonsoilwaterdynamics;cropgrowthresponsetodifferentclimaticconditions;cropgrowthresponsetodifferentirrigationstrategies;theeffectthatrootdepthhasonthesoilwaterdynamics;howdifferentfactorsinfluencetheamountofwaterinfiltrating(渗透)belowtheroothorizon,soaffectingleachingofnutrientsortheriseofthewatertable;sustainableirrigationstrategiestoreducerunoffandthroughdrainage;sustainablecroppingstrategiestoreducerunoffandthroughdrainage. 模型结构 Aprincipalfeatureofthemodelisitseaseofuseandintuitive,informative,interface. Allgraphsinthemodelcanbecopiedtotheclipboard(rightmouse)andpastedtootherapplications. Inaddition,thesimulationresultscanbeexportedtoanExcelfileforfurtheranalysis.Thisallowsthedailyvaluesofmostofthevariablesinthemodeltobeexported,aswellasafewderivedvariables(衍生变量),andgivespowerfulaccesstothesimulations.Forexample,dailyvaluesofquantitiessuchasrainfall,netradiation,potentialevapotranspiration(PET),actualevapotranspiration(ET),ET/PET,albedo(反射系数:canopyreflectioncoefficient)transpiration,canopy,litterandsoilevaporation,runoff,drainage,watercontentintherootzone,totalsoilprofilewatercontent.ThisExcelfilecanthenbeusedtolookforrelationshipsbetweenthemodelvariables.Indevelopingthemodel,eachmodulehasbeenconstructedinarelativelysimplemanner,withtheaimofstrikingabalancebetweencomplexity,tractabilityandrealism. Asintheformulationofanymodel,thisrequiressimplifyingassumptionstobemade. Themodulesshouldthereforebeviewedinthecontextofthemodelasawholeandnotasspecifictreatmentsofthesub-modelunits. Forexample,thetreatmentofleafphotosynthesisndoesnotincorporateanyspecificbiochemicalprocesses,butusesasemi-empiricalequationforthelightresponseofphotosynthesis. Thisisthenadaptedtoincludetemperature,waterandnutrienteffects. Clearly,moredetailedapproachescan,andhave,beadopted,buttheywouldintroduceanunacceptablelevelofcomplexity. Themoduleshavealsobeendevelopedtobeinternallyconsistent. Whileitisoftentemptingtotakesub-modelunitsthathavebeenbuiltbydifferentmodellinggroupsandlinkthemtogether,thisapproachhasnotbeenadoptedhere. Byconstructingeachmodulewithaviewtohowitfitstogetherinthewholemodel,ithasbeenpossibletogaininsightintotheinteractionsbetweenthedifferentcomponentsofthesystemwhich,inturn,helpsgainabetterunderstandingofthestructureandfunctionofthewholesystem.ThemainWaterModwindowContainscontrolsformanagingsimulationfiles,definingsimulationparameters,runninganddisplayingthesimulation.CreatingormodifyingsimulationsWaterModstartsupwithasetofdefaultsimulationparameters.YoucaneditmoduleparametersbyusingtheEditmenuorthebuttonsinthetoolbar.Ifyouholdthemouseoverabutton,ahintwillappeardescribingitsfunction.Thefullsimulationcanbeedited,whichwillmovesequentiallythroughthemodules. WaterMod主要模拟：1）土壤中的水热迁移(遵循土壤水动力学的原理)；2)土壤表面和植物冠层大气间的水热交换(即地表蒸发和显热交换)；3)植物冠层中的水热迁移(叶面向植物冠层大气的蒸腾和显热交换)；4)冠层大气和参考高度大气层之间的水热交换。 2CoupModelCOUPMODEL是由SOIL和SOILN发展而来的。能够模拟水、热处理过程，同时也能模拟土壤—作物—大气循环系统中的碳氮的运动。是一个一维的动态模型。该模型由Jansson和Haldin首次使用，经过不断改进和完善，已由过去只用于森林植被的环境，发展为可在WINDOWS工作平台上用于模拟各种植被土壤状况下大型水、热处理综合模型系统。共有5个主要部分：土壤热处理、土壤水处理、作物水处理、雪和大气相关处理、氮和碳处理 水、热模型的组成 碳氮模型的组成 植物呼吸与排泄过程（模拟植物的生长过程） 土壤中的氮和碳要么是来自外部输入（例如肥料、沉积物和人工施肥），要么来自植物（如枯落物）。排泄物和枯落物增加了土壤中的碳和有机氮，而矿质氮则转化为铵和硝酸盐。当有机物开始分解时，碳和氮被转移到第三个有机库，即腐殖质库，通过土壤的呼吸作用，部分碳离开土壤。微生物对碳的分解影响着土壤有机质的碳氮比率。对于氮固定到土壤铵库，或从土壤铵库中矿化，这些变化都是主要因素。通过硝化作用，氮进一步转移到土壤中的硝酸盐库中。 模型构成土壤热量过程土壤热流过程土壤传热性质土壤霜冻过程土壤热泵土壤水过程土壤水分流动过程表层水土壤水力性质排水与深层渗透盐分与痕量元素运移灌溉作用 植物水分过程植物描述潜在蒸腾根系吸水截留土壤蒸发、降雪和辐射过程土壤表面蒸发降雪动力学辐射过程 地面以上的碳、氮过程外部输入植物生长土地管理非生物功能地面以下的碳、氮过程土壤有机过程矿质氮过程（硝化与反硝化作用）气体过程（土壤中N2和O2进入空气的过程） 土壤热量过程土壤热流过程式中：h表示热；v表示气态水；w表示液态水；q表示通量；k表示传导率；T表示土壤温度；C为热容量；L表示潜热；z表示深度。将上述方程与能量守恒定律联合，就可以得到一般的热量流方程：或式中：下标i和f分别为冰与结冻；t为时间；为密度；L为潜热；为体积含水量；Sh为土壤热源强度。 上部边界条件土壤表面热流量qh(0)式中：kho为地表有机物质的热传导率；Ts为地表温度；T1为最上层土壤温度；TPa为参数，表示空气和降雨温度间的差别；qin为水分渗透率；qvo为水汽流；Lv为潜热。温度差Ta-TPa，可以与地表温度Ts交换 下部边界条件底部温度TLowB式中：t为时间；tph为相位变化世界；为循环频率；da为减幅深度。ycycle为(日或年)温度周期长度D为热扩散系数 土壤传热过程热容量不冻结土壤的热传导率结冻土壤的热传导率 土壤水过程土壤水分流动过程表层水运动（Rechards方程） 土壤水力性质水分特征曲线有效饱和度： 非饱和传导率 植物水分过程植物描述有三种不同的描述方法：(1)最简单的大叶模型，蒸腾与土壤蒸发都作为一般流动对待（不计土壤蒸发），潜在土壤水分蒸发蒸腾损失总量以主变量形式应用。(2)植物也可以用明确的一片大叶表示，这时蒸腾与蒸发作为独立流动对待，潜在蒸腾量以Penman-Monteith方程来计算。(3)植被用一系列植物来表示，同时也可以表示多重林冠和根系系统。“多重植被”选项与明确的大叶模型相似，主要区别为使用多重植被可以对同一区域不同的林分覆盖采用不同的性质。 叶面积指数林冠高度反照率营养期：成熟期 根系深度根系长度根系的深度分布 潜在蒸腾潜在蒸腾量Etp气动阻力 粗糙度长度 根系吸水在SPAC系统中植物和土壤的性质是明确的，则以植被阻力和土壤根际阻力的经验方程计算水分吸收率。默认水分吸收量等于蒸腾量。有三种计算方法：动态SPAC方法、稳态SPAC方法和压力水头响应方法。压力水头响应方法实际蒸腾量每一深度可能应力结果为 稳态SPAC方法植物阻力土壤根围阻力 动态SPAC方法植物水分储存变量Sp 土壤蒸发、降雪和辐射过程地面以上的碳、氮过程地面以下的碳、氮过程 模型输入（部分）水分和热量流动的计算基于土壤特性：滞水曲线饱和导水率和不饱和导水率函数热容量，包括融化或溶化的潜在热量热传导率函数植物特征：垂直根系分布植物和大气间水分流动的界面阻力 植物特征：当压力存在时，植物如何控制从土壤摄取和蒸腾水分植被如何影响大气空气动力学条件和土壤表面辐射平衡不同的植物冠层间如何空间交替及竞争辐射能碳氮过程：植物生命周期的典型控制，例如氮吸收和分配植物活动，例如吸收、呼吸和养分吸收土壤中碳和氮的外部输入微生物活动不同的分解产物在整个土壤剖面中的再分配 模型输出（部分）温度含冰量未结冻含水量水势热量和水分的垂直流动和水平流动根吸水水分和热量的储存土壤中氮和碳的储藏量及储藏物质间的流通 积雪厚度水当量雪深冻结深地表径流排泄径流深层渗漏地下水植物中的碳氮含量碳的吸收和呼吸作用氮的摄取 本讲结束 '