MODCYCLE二元水循环模型关键技术研究

作者:王润冬 陆…    文章来源:华北水利水电学院学报    点击数:2629    更新时间:2011/10/31

: 探讨了MODCYCLE 二元水循环模型中关于农田水循环几个关键技术: 灌溉水源分为河道、水库、浅/深层地下水取水及外调水5; 灌溉方式分为指定灌溉和动态灌溉; 模拟地表积水过程能刻画干旱、半干旱及湿润地区; 作物管理分为种植、收获、收获并终结、终结操作4 . 与应用广泛的SWAT 模型进行对比分析可知, MODCYCLE模型模拟过程更符合真实情景并具有通用性.

关键词: MODCYCLE; 二元水循环; 灌溉

Research on Key Techniques of MODCYCLE Binary Water Cycle Model

WANG Run-dong1, 2, LU Chu i-yu2, SUN W en-huai1

Abstract: Several key techniques of farm land water cycle were discussed in the model of MODCYCLE binary water cycle, such as irrigation water resources were divided in to channels, reservoirs, shallow / deep groundwater taking and water transfer, irrigation modes into designated irrigation and dynamic irrigation, simulating the surface ponding process could depict a rid, semiarid and humid regions and the crop management were divided in to plan ting, harvesting, harvesting and ending up as well as ending operation. Comparing with SWAT model widely used, the simulation process of MODCYCLE model accorded with real situations much more and was universal.

Key words: MODCYCLE; binary water cycle; irrigation

10多年来, 分布式水文模型已经成为研究气候变化的水文响应、非点源污染模拟、水资源综合管理、土地利用/覆被变化的水文响应等重大科学问题不可或缺的工具[1- 2] . 从当前分布式水文模型发展和应用研究来看, 只有包含了能够有效模拟灌区、水库、取用水等水文过程的模型才能够满足变化环境下和剧烈人类活动影响下水资源管理的需求, 深入研究和考虑人类活动在分布式水文模型中的表达和模拟是分布式水文模型研究的必然选择[2] . MODCYCLE (An Object Oriented Modularized Model for Basin Scale Water Cycle Simulation)模型是由中国水利水电科学研究院陆垂裕自主研发的二元水循环模型, 完全基于面向对象的C + + 语言模块式开发, 灵活性高, 充分考虑到模型对自然水循环过程和人工水循环过程的双重体现, 不仅包括蒸发、下渗、径流等自然水分循环过程, 而且包括作物种植循环、农业灌溉、排水、退水等人工水分调控过程.

1 灌溉水源划分

农业灌溉取水在模型中具有较灵活的机制, 其水源包括河道、水库、浅/深层地下水取水及外调水5. MODCYCLE 中定义的灌溉水源属性包括2:一是灌溉水源的性质, 即上述5种水源; 二是灌溉水源的位置(流域外调水除外), 对于河道、浅层地下水、深层地下水水源的位置指的是水源所在的子流域编号; 对于水库供水则为水库的编号(模型中虽然河道和水库同属于河道网络系统, 但河道和水库各有自己的编号系统). 模型通过以上5种水源取水量各占灌溉取用水的比例参数来控制用水, 并通过5种水源取水量中进入田间土壤层的有效水量比例来描述输水损失.

2 灌溉方式

MODCYCLE 模型基础模拟单元的灌溉可分为指定灌溉和动态灌溉2.

2. 1 指定灌溉

指定灌溉以灌溉事件的形式表达. 在单次灌溉事件中, 用户指定某基础模拟单元的灌溉时间、灌溉水量、灌溉水源属性. 模型在运行到指定的时间时,将从相应水源提取相应水量并灌溉到基础模拟单元上. 需要指出的是, 虽然灌溉事件中指定了灌溉水量, 但如果水源的水量不能满足要求, 则有可能灌溉取不到水, 这是与现实情况相符合的. 一般认为地下水(包括浅层地下水和深层地下水)的灌溉保证率比较高, 因此模型目前不对地下水取水量进行限制.如果灌溉水源是河道, 灌溉事件中模型允许输入灌溉取水控制参数, 包括最小河道流量、最大的灌溉取水量或河道中允许灌溉取水的最大比例等, 用来防止由于灌溉用水量太大导致河道流量枯竭. 对于水库取水则有蓄水库容限制. 流域外取水灌溉是指水源与模拟区域无关的灌溉取水, 模型中不对取水量进行限制.

模型与模拟降雨入渗过程一样, 模拟灌溉水量通过土壤表层逐层下渗的过程. 一般在实际灌溉活动中, 灌溉持续时间一般约为2~ 6 h. 模型中假定为24 h(1 d)均匀完成, 这可能与实际情况有一点差异, 但考虑到一般灌溉时水量也不是在灌溉持续时间内完全下渗, 而是通常有田面积水, 在随后的几天才完全下渗, 模型简化为1 d内灌溉完成差别不大.MODCYCLE 模型可模拟处理田间积水过程, 灌溉水量在一般情况下不会有产流损失, 因此灌溉持续时间的长短对最终计算结果基本无影响. 当天的模拟结束后如果田面积水未下渗完毕, 则模型将继续模拟田面入渗过程.

灌溉事件中可以指定水量损失比例, 以考虑水分在传输过程中的渗漏损失. 损失的灌溉水量将成为浅层地下水的补给量.

2. 2 动态灌溉

指定灌溉比较适合于用户对灌溉发生的时间比较确定的情形. 但在通常情况下, 特别对于区域/流域范围的灌溉模拟, 用户不可能清楚所有灌溉事件发生的时间, 而且通常收集相应信息也是比较困难的. 为此, MODCYCLE 模型采用模拟灌溉驱动行为的方式开发了动态灌溉方法. 该方法具有一定的人工智能性.

一般而言, 某地区某种作物的灌溉制度信息是相对比较容易收集的, 动态灌溉的思路是在作物灌溉制度的指导下, 以作物的每个生育期为时间阶段预定灌溉事件. 这里预定灌溉事件有2层含义. 一是灌溉事件本身是预定的, 不一定执行. 在预定的灌溉事件中, 用户需要给出本次灌溉时土壤墒情的阈值,只有满足灌溉时机时, 模型才对基础模拟单元执行预定灌溉. 如果从该生育阶段开始直到结束都未找到灌溉时机, 则该预定灌溉被取消. 二是此时灌溉事件指定的时间是预定的, 该时间只是可能进行灌溉的起始时间, 模型从该时间开始起不断检查每天基础模拟单元的土壤墒情和降雨情况, 真正执行该灌溉事件的时间是当土壤墒情达到阈值时的时间. 动态灌溉模拟的程序设计框图如图1所示.

预设灌溉事件在执行时与指定灌溉无区别, 都需要判断水源是否充足, 灌溉水量被分在当天24 h内均匀灌溉等. 土壤墒情阈值在模型中通过土壤中的植物可用水占土壤中最大植物可用水的比例界定. 土壤中植物可用水为土壤含水量与凋萎含水率对应含水量之差, 如图2所示.

3 地表积水过程

在现实情况下由于下垫面因素的复杂性, 地表发生积水的现象很常见. 自然情况下地表存在小的坑洼, 树根、枯枝对地面径流的阻滞等, 都具有一定的地表滞蓄作用. 特别是人类活动区如农田, 一般都有田埂存在, 更是具有较强的积水能力. 在降雨/灌溉能力超出土壤入渗能力时, 地表虽有自由水产生,但不能形成径流, 而是通过地表积水的形式存在. 随着积水深度的增加, 在超出地表滞蓄能力之后才开始产流. 为刻画积水过程, 模型中设置地表的最大积水深度参数, 作为影响入渗量的重要参数, 只有当地表的积水深度超过地表最大积水深度时才能形成地表产流, 如图3所示.

MODCYCLE 模型中地表积水公式为

Pndday = Pcpday + Irriday – Fint,day (1)

式中: Pndday为当天末的潜在积水量, mm; Pcpday为当天的降雨量, mm; Irriday为当天的灌溉量, mm;Fint,day为当天的地表入渗量, mm.

当天的地表产流量的计算通过地表最大积水能力判断,

式中: Rday为当天的地表产流量, mm; Pndmx为地表的最大积水能力, mm; 其它符号意义同前.

在计算完当天的地表产流量后, 当天的地表积水量可计算为

式中: Pndday为当天末的地表实际积水量, mm, 其它符号意义同前. 当天在地表没有入渗的水量Pndday将与次日的地表降雨、灌溉量一起作为地表潜在入流量继续模拟地表入渗过程.

4 作物的管理

作物的管理指在作物从种植到死亡的全过程中人工的干预. 模型中分4个方面进行模拟.

4. 1 种植操作

种植操作为植物生长的开始, 用户需要指定农业作物的种植时间和作物的具体参数, 包括作物达到成熟时需要的潜在热单位、生长基温, 成熟时的最大叶面积指数、株高、根系长度、光能利用效率等. 模型中可以对作物的轮种进行模拟, 但规定每个基础模拟单元在同一时间内只能存在一种作物. 在种植新作物之前, 以前的作物必须先终结生长.

4. 2 收获操作

收获操作是从基础模拟单元中移除生物量但是不终结作物的生长, 适用于可重复收获的植物, 如牧草等. 收获操作在模型中仅需要输入的信息是收获时间. 收获效率参数也可指定, 该值代表了收获的生物量中真正从基础模拟单元中移除的生物量比例,损失的收获量将作为植物残余保留在基础模拟单元上. 如不指定则模型认为收获效率为1(收获量中没有生物量转化为植物残余) . 当执行收获操作后, 生物量被移除, 植物的叶面积指数和累计热单位将按照移除的生物量占总生物量的比例关系进行折减.折减了累计热单位之后, 植物将退回到生长较快的生长前期.

4. 3 收获并终结操作

该操作不仅从基础模拟单元中移除生物量, 同时将终结植物在基础模拟单元上的生长, 适用于模拟仅可收获一次的作物, 如小麦、玉米等. 执行该操作时, 作为产量的生物量将从从基础模拟单元上移除, 其它的生物量将作为植物残余保存在土表中. 收获并终结唯一需要的信息是操作时间.

4. 4 终结操作

终结操作将终结植物在基础模拟单元上的生长, 所有的生物量将全部转变为植物残余, 该操作适用于模拟林草等自然植物在一年的生长期结束时的枯萎. 终结操作唯一需要的信息是操作时间.

5 模型对比

在美国、北美寒区、欧洲和澳洲的许多流域,SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 被应用于农业非点源污染、水沙模拟、水资源管理等领域, 并取得了较好的效果[3] . 国内SWAT 的应用和研究从2000年前后起步, 经过快速发展, 已广泛地用于水量、泥沙和非点源模拟之中, 并在西北寒旱区黑河流域[5- 6] 、黄河兰州以上、汉江褒河上游江口流域、漳卫河流域[4- 9] 等地区都有较好的模拟. SWAT 模型与MODCYCLE模型思想算法比较相似, 所以选取该模型与MODCYCLE 模型进行对比说明.

SWAT 模型对灌溉过程处理方式为:灌溉水分从土壤顶层开始向下, 逐一使各土壤层达到田间持水率, 直到水分被用完或达到土壤剖面的底部;如果指定的灌溉水量超过使土壤剖面达到田间持水率的水量, 多余的水量将退回原水源;当降雨强度大于土表入渗速率时就会发生地表产流. 这种处理方式的缺点是完全不考虑灌溉水入渗过程的刻画, 导致无法模拟某些情景. 例如稻田状况无法模拟, 因为稻田上部土层始终饱和; 模型无法模拟充分灌溉的情况, 出现灌溉水用不出去的情况; 模型中不考虑地表积水因素的影响, 但实际上平原区种植玉米、小麦、水稻等的田地间都有田埂.

MODCYCLE 模型的处理方式:灌溉水除不参与植被截留过程, 其余过程跟降水性质完全一样, 要通过土壤表层逐层下渗;②灌溉水量无限制;当降雨强度大于入渗强度时地面会出现积水, 在超过最大积水深度时才会产生地表径流. 这种处理方式的优点: 真实刻画了实际灌溉入渗过程, 结果更合理;提高了模型的适用面包括充分/非充分灌溉、稻田区模拟等; 模型可以针对种植不同作物的农田实际情况通过设置最大积水深度, 模拟到最真实蓄水产流机制, 使入渗/产流模拟更加贴近实际情况.

6

MODCYCLE 模型农田水循环构建的关键问题进行了有效地探讨. 灌溉水源划分合理, 指定灌溉和动态灌溉更加智能化, 地表积水刻画考虑了地表滞蓄作用, 作物管理模拟完整. 该模型可以使研究者站在流域的角度审视人类活动干预下农田水循环的整体变化过程及各水循环通量分项的变化, 可为当前研究人类活动对水循环的影响提供强大的分析工具.

[1] 徐宗学, 李景玉. 水文科学研究进展的回顾与展望[J].水科学进展, 2010, 21(4): 450- 459.

[2] 徐宗学. 水文模型: 回顾与展望[J]. 北京师范大学学报(自然科学版) , 2010, 46(3): 278- 289.

[3] 程磊, 徐宗学, 罗睿, . SWAT 在干旱半干旱地区的应用——以窟野河流域为例[J] . 地理研究, 2009, 28(1):65- 73.

[4] 庞靖鹏, 徐宗学, 刘昌明. SWAT 模型研究应用进展[J].水土保持研究, 2007, 14(3): 31- 35.

[5] 黄清华, 张万昌. SWAT 分布式水文模型在黑河干流山区流域的改进及应用[J]. 南京林业大学学报, 2004, 28(2): 22- 26.

[6] 王中根, 刘昌明, 黄友波. SWAT 模型的原理、结构及应用研究[J]. 地理科学进展, 2003, 22(1): 79- 86.

[7] Zhao F F, Xu Z X, Huang J X. Impact of climate change on the stream flow in head water of the Yellow River basin [C ] Liu Zhiyu, Yang Dawen. Proceedings of the International Symposium on Flood Forecasting and Water Resources Assessment for IAHS-PUB. Beijing: China Water Power Press, 2006.

[8] 张东, 张万昌, 朱利, . SWAT 分布式流域水文物理模型的改进及应用研究[J]. 地理科学, 2005, 25(4 ): 434- 440.

[9] 朱新军, 王中根, 李建新, . SWAT 模型在漳卫河流域应用研究[J]. 地理科学进展, 2006, 25(5): 105- 111.

作者简介: 王润冬(1984- ) , , 山西临汾人, 硕士研究生, 主要从事水循环及地下水资源方面的研究.

分享到:

文章录入:ahaoxie    责任编辑:ahaoxie 

延伸阅读
没有相关文章
精彩图片
文章评论
数据载入中,请稍后……
  请您注意:
 ·请遵守中华人民共和国有关法律法规和《全国人大常委会关于维护互联网安全的决定》。
 ·请注意语言文明,尊重网络道德,并承担一切因您的行为而直接或间接引起的法律责任。
 ·环境生态网文章跟帖管理员有权保留或删除其管辖留言中的任意内容。
 ·您在环境生态网发表的言论,环境生态网有权在网站内转载或引用。
 ·发表本评论即表明您已经阅读并接受上述条款,如您对管理有意见请向文章跟帖管理员反映。

绿色进行时
推荐文章
植物生长调节剂强化籽粒苋修复镉…
Exogenous plant growth regulators improved phytoextract…
绿色生活
驴行天下
考试频道点击排行
  • 没有考试

  • | 设为首页 | 加入收藏 | 关于我们 | 广告服务 | 联系站长 | 友情链接 | 版权申明 | 管理登录 |