1、.,1,基于SWAT模型的區(qū)域蒸散發(fā) 模擬及遙感驗(yàn)證,目錄 | Contents,研究目的及意義,材料與方法,1,2,結(jié)果與討論,3,結(jié)論,4,.,3,1 研究背景,蒸散發(fā)（ET）是水文循環(huán)的主要過(guò)程和水資源管理的關(guān)鍵因素，尤其是在干旱半干旱地區(qū)，它控制著陸地表面的水分和能量通量的分配。 SWAT模型能夠預(yù)測(cè)不同土壤類(lèi)型、土地利用方式和管理?xiàng)l件對(duì)流域水文循環(huán)的影響，大部分以徑流為目標(biāo)變量進(jìn)行率定模型6-8；但在流域水平衡要素中徑流所占比例相對(duì)流域蒸散發(fā)量極低，僅以徑流為目標(biāo)變量開(kāi)展率定過(guò)程存在極大的弊端。遙感能夠提供不同時(shí)空尺度的流域信息用于估算區(qū)域ET9-11，利用遙感反演的ET對(duì)模型模擬的

2、ET進(jìn)行率定是比較新的研究方法。蔡錫填等14利用SWAT對(duì)漳衛(wèi)南運(yùn)河流域主要農(nóng)業(yè)耕作區(qū)的實(shí)際蒸散發(fā)進(jìn)行了分布式模擬，并利用遙感反演數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，二者具有很好的吻合度。錢(qián)坤等15對(duì)不同土地利用類(lèi)型下模型ET值與遙感監(jiān)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，平均相對(duì)誤差為6.01%。,.,4,1 研究背景,本研究首先以LAI和地上部生物量為目標(biāo)變量對(duì)冬小麥和夏玉米作物參數(shù)進(jìn)行率定?；谶b感ET數(shù)據(jù)進(jìn)行敏感性分析，篩選出對(duì)ET影響比較大的參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行灌溉制度設(shè)置，模擬20022008年各月的實(shí)際ET，并采用遙感監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，特別對(duì)SWAT模型作物生長(zhǎng)過(guò)程模擬和灌溉影響水量平衡進(jìn)行探討，為SWAT在海河平原農(nóng)作

3、物耕作區(qū)的ET模擬提供參考依據(jù)。,.,5,2 材料與方法,2.1 研究區(qū)概況,大興區(qū)地處海河流域中 北部，屬典型的海河平原 農(nóng)作物耕作區(qū)。表層土壤 以砂性表層土壤以砂性土 和砂壤土為主，適合多種 作物生長(zhǎng)，主要種植作物 為冬小麥和夏玉米。氣候 為中緯度暖溫大陸性季風(fēng) 氣候，多年平均氣溫為12，多年平均降水量516.4mm，降水量年際變化較大，而且季節(jié)分布不均80%以上的雨量主要集中在69月。多年平均水面蒸發(fā)量1 142mm，陸面蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于多年平均降水量。,.,6,2 材料與方法,2.2 SWAT模型,運(yùn)用“burn-in”算法對(duì)DEM進(jìn)行凹陷化處理,生成能夠反映灌區(qū)實(shí)際的子流域邊界和河網(wǎng)，共

4、劃分為34個(gè)子流域，267個(gè)水文計(jì)算單元。,蒸發(fā)蒸騰量（ET0）,潛在蒸發(fā)蒸騰量（ETp）,簡(jiǎn)化的EPIC作物生長(zhǎng)模擬,Penman-Monteith,.,7,2 材料與方法,2.3 模型數(shù)據(jù)輸入,SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)可以分為空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)兩大類(lèi)，空間數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括數(shù)字高程模型（DEM）、土壤類(lèi)型分布圖和土地利用圖；屬性數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括氣象數(shù)據(jù)和ET數(shù)據(jù)等。,（1）數(shù)字高程圖DEM：從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）提供的GTOPO30公共域中獲取，數(shù)據(jù)空間分辨率為90m。 （2）1100萬(wàn)土壤類(lèi)型圖：來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合全國(guó)土壤分類(lèi)和南京土壤分類(lèi)，將大興灌區(qū)分為14種土壤類(lèi)型，

5、每種土壤類(lèi)型選取2個(gè)典型點(diǎn)，室內(nèi)實(shí)測(cè)得到每種土壤的顆粒組成和容重，通過(guò)三次樣條函數(shù)插值算法將中國(guó)制的土壤級(jí)配換算為美制標(biāo)準(zhǔn)，再借助SPAW估算土壤可利用水量、導(dǎo)水率和有機(jī)質(zhì)含量。,.,8,2 材料與方法,2.3 模型數(shù)據(jù)輸入,3）110萬(wàn)土 地利用圖：土地 利用類(lèi)型圖是通 過(guò)對(duì)LANDSAT TM 圖像進(jìn)行目視判 讀得到，并考慮 實(shí)時(shí)野外勘查資 料，結(jié)合人工修 正的方法完成土地利用解譯； 4）氣象數(shù)據(jù)：包括逐日最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射、降雨資料。來(lái)源于大興氣象站、北京氣象站和永樂(lè)店3個(gè)氣象站點(diǎn)19952008年實(shí)測(cè)值及大興實(shí)驗(yàn)基地20042008年實(shí)測(cè)值。,.,9,2 材料

6、與方法,2.3 模型數(shù)據(jù)輸入,5）遙感ET數(shù)據(jù)：實(shí)際騰發(fā)量采用基于吳炳方開(kāi)發(fā)ETWatch系統(tǒng)生產(chǎn)的30m分辨率蒸騰蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)段為20022008年，時(shí)間尺度為月。利用地面觀測(cè)資料對(duì)蒸散遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的驗(yàn)證表明，30m級(jí)的遙感監(jiān)測(cè)ET平均誤差12.7左右。,.,10,2 材料與方法,2.4 農(nóng)業(yè)管理措施,農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)灌區(qū)的水量平衡影響很大，尤其是ET模擬與農(nóng)業(yè)灌溉制度密切相關(guān)。為了顯示灌溉對(duì)實(shí)際蒸騰蒸發(fā)量的影響，本文在模型中設(shè)置了有灌溉和無(wú)灌溉兩種情景，用來(lái)對(duì)比灌溉對(duì)作物耗水的影響。冬小麥-夏玉米輪作體系下的灌溉制度和施肥制度如表1。,.,11,2 材料與方法,2.5 模型率定及敏感性

7、分析,農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)灌區(qū)的水量平衡影響很大，尤其是ET模擬與農(nóng)業(yè)灌溉制度密切相關(guān)。為了顯示灌溉對(duì)實(shí)際蒸騰蒸發(fā)量的影響，本文在模型中設(shè)置了有灌溉和無(wú)灌溉兩種情景，用來(lái)對(duì)比灌溉對(duì)作物耗水的影響。冬小麥-夏玉米輪作體系下的灌溉制度和施肥制度如表1。,模型參數(shù)率定及驗(yàn)證,參數(shù)敏感性分析,作物參數(shù)率定,2 材料與方法,Designed by Guild Design Inc.,2.5 模型率定及敏感性分析,.,13,2 材料與方法,2.5.1 作物參數(shù)率定,采用SWAT 模型自帶的率定模塊SCE-UA 方法，LAI、地上部生物量為目標(biāo)變量進(jìn)行率定。,.,14,2 材料與方法,2.5.2 參數(shù)敏感性分析,

8、影響SWAT模型產(chǎn)匯流和蒸發(fā)過(guò)程的參數(shù)較多，敏感性分析能夠幫助識(shí)別最敏感的參數(shù)，提高模型的率定效率和準(zhǔn)確度。,.,15,2 材料與方法,2.5.3模型參數(shù)率定及驗(yàn)證,本文采用20022005年月遙感ET數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，20062008年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。具體過(guò)程分為2個(gè)水平：一是在整個(gè)流域水平，即代表流域的平均狀況；二是各土地利用類(lèi)型水平，即體現(xiàn)不同植被覆蓋間的差異性。本文用Nash效率系數(shù)（NS）、相關(guān)系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型在研究區(qū)的適應(yīng)性。最終優(yōu)化的參數(shù)取值如表4。,.,16,3 結(jié)果與討論,3.1作物參數(shù)率定結(jié)果,表2給出了大興灌溉試驗(yàn)站上冬小麥和夏玉米

9、作物參數(shù)的模型默認(rèn)值和率定值。圖3率定后的冬小麥、夏玉米的葉面積指數(shù)和地上部生物量的模型模擬值與實(shí)測(cè)值擬合的較好,.,17,3 結(jié)論與討論,3.1ET模擬結(jié)果分析,通過(guò)對(duì)冬小麥-夏玉米輪作灌溉制度設(shè)置、作物參數(shù)率定及敏感性分析，區(qū)域模擬值與遙感觀測(cè)ET的比較結(jié)果如圖4所示。,.,18,3 結(jié)果與討論,3.2 ET模擬結(jié)果分析,20022008年蒸騰蒸發(fā)量模擬值的7年平均值為485.21mm（見(jiàn)表5），比遙感監(jiān)測(cè)值偏低2.85%。其原因主要是一些年份降水量較少，模型設(shè)置灌溉量和實(shí)際灌溉量存在偏差。不同的土地利用形式下，蒸騰蒸發(fā)量變化顯著。,.,19,3 結(jié)果與討論,3.3 作物生長(zhǎng)階段蒸散發(fā)規(guī)律

10、,農(nóng)田蒸散發(fā)模擬的關(guān)鍵在于模型中作物葉面積指數(shù)變化過(guò)程應(yīng)該符合作物實(shí)際生長(zhǎng)過(guò)程。圖6是模型中2007年作物生長(zhǎng)期間所受到的脅迫，圖7為SWAT模型模擬得到的典型冬小麥返青后和夏玉米生育期的葉面積指數(shù)和作物蒸騰蒸發(fā)量變化過(guò)程。,.,20,3 結(jié)果與討論,3.4 灌溉對(duì)作物蒸散發(fā)的影響,灌溉對(duì)區(qū)域水文循環(huán)影響很大，尤其影響實(shí)際蒸騰蒸發(fā)量和土壤剖面水分總量的準(zhǔn)確模擬。,.,21,3 結(jié)論,（1）結(jié)合遙感ET數(shù)據(jù)空間分辨率高的特點(diǎn)，水文模型能夠更好的模擬區(qū)域不同空間尺度和不同土地類(lèi)型下的蒸散發(fā)，為分布式水文模型驗(yàn)證提供了一種依據(jù)和方向。 （2）對(duì)于以農(nóng)業(yè)區(qū)為主的大興灌區(qū)，冬小麥和夏玉米是主要的作物。因此相對(duì)于河道參數(shù)，作物參數(shù)及ET相關(guān)參數(shù)的合理選取，模型中作物葉面積指數(shù)變化過(guò)程符合作物實(shí)際生長(zhǎng)過(guò)程，才是區(qū)域水文循環(huán)模擬準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。 （3）灌溉制度對(duì)區(qū)域水文循環(huán)影響很大，尤其對(duì)華北地區(qū)冬小麥返青至成熟期間各月的實(shí)際蒸騰蒸發(fā)量影響顯著，但是對(duì)玉米生