一种流域森林不同尺度水循环的尺度转换及机理分析方法

本发明涉及水文地理，具体涉及一种流域森林不同尺度水循环的尺度转换及机理分析方法。

背景技术：

1、水文循环特征和尺度转换问题是水文学和地理学等学科关注的前沿领域，更是水文学的关键理论基础之一。目前水文学的发展，特别强调跨尺度理论和多学科方法的集成与发展，更加重视基于前沿理论问题导向的多尺度研究的探索。目前国内外学者开展了许多水文循环尺度转换等方面的研究，但由于流域的空间异质性和水文循环的时空变异性，以及观测数据的不足，水文尺度问题的研究仍然处在探索阶段。

2、近年来，围绕陆地植被与水的相互作用研究范畴涵盖了从植物细胞到大陆尺度的几乎所有空间尺度，从不同尺度上分别在水文学、地理学、生态学各自视角取得了较大进展。但水文尺度转换问题仍然没有很好的解决，仍是当今水文学研究的前沿课题。目前，尺度转换方法发展的一个限制是不同学科的研究方法和尺度不同，影响了不同尺度水文循环过程的观测和模拟。同时升尺度和降尺度方法的发展由于受到可用信息或观测数据获取的限制，难以找到足够的观测数据集以用于验证现有的尺度转换方法。因此，从水文学交叉学科的角度，迫切需要开展水文学、地理学等多学科、多尺度的观测、模拟和综合分析研究，系统性的进行多尺度理论和方法的探索，以期为水文学和地理学的发展提供更多的数据和理论支持。

3、大尺度水文模拟的精度和准确性在很大程度上取决于水文相关数据观测的精度，但受观测数据数量和精度的影响，严重影响大尺度水文模型模拟的准确性。因此，加强水文相关数据和观测和获取，摸清不同尺度水文循环特征和规律，是提高大尺度水文模拟精度的重要途径。尽管水文学研究大多采用流域径流观测和模型模拟等研究，但没有很好的解决水循环观测-模拟和尺度转换有机结合的科学问题。因此，将水循环研究在观测和模型模拟上加以整合，揭示其不同尺度水文循环特征和尺度转换机理，是水文学和地理学迫切解决的科学问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种流域森林不同尺度水循环的尺度转换及机理分析方法。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、提供一种流域森林不同尺度水循环的尺度转换及机理分析方法，按不同尺度，采取站点定位观测、野外样地调查、多点观测和模型模拟方法，开展流域森林的不同尺度的水文循环过程分析；具体包括以下步骤：

4、s1、在单株尺度上，通过观测树木的树干液流、树冠截留、树干茎流和穿透雨观测单株树木的水文循环过程；在样地尺度上，通过森林小气候观测场、水量平衡场和地表径流观测场观测和分析森林的水文过程；在坡面尺度上，通过标准气象站、测流堰和无人机定期观测，结合单株和样地的水文过程，分析坡面尺度的水文循环特征；

5、s2、在对森林的单株、样地和坡面尺度水文过程观测和分析的基础上，通过对流域内的样地调查和观测，实现水文模型参数的本土化和精确化；

6、s3、采用升尺度的方法，将实地监测数据和水文模型数据库相结合，通过建立budyko-porporato-guswa耦合模型和swat模型数据库，实现模型参数的本土化修正，模拟流域的水文循环过程；

7、s4、利用流域不同尺度上森林生态系统水文过程和变化特征，结合不同气候变化和地表覆盖情景下的模型模拟结果，通过arc-gis平台和数理统计分析方法，阐明流域森林不同尺度的水文过程及影响因子的相互作用关系，综合分析江流域森林不同尺度水文循环的尺度转换机理。

8、进一步地，步骤s1中，水文过程的测定遵循水量平衡原理；水量平衡方程为：

9、p＝s+is+ew+δw   (1)

10、公式1中，p为降雨量，s为蒸腾量，is为林冠截留量，ew为林下蒸散量(枯落物蒸发+林下植被蒸腾+土壤蒸发)，△w为土壤贮水量变化量；

11、植被蒸腾的观测利用树干茎流计通过观测树干液流来换算；

12、林冠截留量计算公式为：

13、is＝plw-pln-pjl   (2)

14、公式2中：is为林冠截留量，plw为林外降雨量，pln为林内降雨量，pjl为树干径流量；

15、利用烘干法测定土壤含水量，则土壤贮水量可由下面公式计算：

16、w＝∑wi＝0.1ωiγdihi   (3)

17、公式3中：w为土壤贮水量(mm)；ωi为第i层土壤含水量(％)；γdi为第i层土壤干容重(g/cm3)；hi为第i层土壤厚度(cm)。

18、进一步地，步骤s3中，budyko-porporato-guswa耦合模型包括：

19、budyko水热耦合平衡模型

20、budyko模型是研究气候-植被-水文之间相互作用的有效工具，它指出流域长期的平均实际蒸散发量(e)主要受可供水量和可供能量的双重控制，以流域的降水量(p)来代表可利用的水量，以流域的潜在蒸散发量(e0)来代表可获得的能量；其水热耦合平衡方程的解析表达式：

21、

22、式中，n为反映流域下垫面特征的参数；

23、porporato随机土壤水动态模型

24、该模型可建立多年平均意义下，降水量p、潜在蒸散发量e0和实际蒸散发量e之间的关系，具体表达式为：

25、

26、式中，ε为蒸发系数；φ为干旱指数；ω为porporato模型中表示下垫面特征的参数；zr表示植被根系深度，mm；α表示降水强度，mm；θ表示植被可用的土壤持水容量，cm3cm-3；γ(，)表示伽玛函数，γ(，)表示不完全伽玛函数；

27、guswa植被根深模型

28、基于guswa植被根深模型求解植被根系深度(zr)：

29、

30、式中，w为降水量与植被潜在蒸腾速率之间的比值，也就是p/e0_c，无量纲；x是θ，ɑ，w，γr，rld，srl，wue，fgs，e0_c的函数(其中，γr为根系呼吸速率，g c g-1roots d-1；rld为根长密度，cm cm-3；srl为比根长，cm g-1；wue为水分利用效率，g c cm-3h2o；fgs为生长季长度；e0_c表示植被潜在蒸腾速率，mm day-1)。

31、budyko-porporato-guswa模型耦合

32、利用guswa植被根深模型可计算porporato参数ω中的关键物理量zr；由此，可通过耦合budyko模型，porporato模型和guswa植被根深模型，建立求解budyko模型参数的解析公式；它是一个与植被、土壤和气候等环境因子有关的函数：

33、n＝f(lai,e0,p,ɑ,θ,wue,srl,rld,fgs,γr,k)

34、式中，lai为植被叶面积指数；k为消光系数。

35、本发明的有益效果为：

36、本发明以韩江流域为典型流域，以其森林的多尺度水文循环为研究内容，依托广东韩江源野外科学观测研究站，对森林的单株、样地和坡面尺度的水循环过程及特征进行观测和分析；通过流域尺度水文模型的模拟，系统分析不同尺度水文过程的时空演变特征。基于站点观测和水文模型模拟，结合流域内多点的样地核查，利用遥感、arc-gis平台和数理统计方法，分析影响不同尺度水循环的主要因子，系统阐述流域森林不同尺度水循环的尺度效应和尺度转换机理。本发明可以丰富水文学的多学科交叉研究内涵，为流域的水资源管理规划提供理论和数据保障。

技术特征：

1.一种流域森林不同尺度水循环的尺度转换及机理分析方法，其特征在于，按不同尺度，采取站点定位观测、野外样地调查、多点观测和模型模拟方法，开展流域森林的不同尺度的水文循环过程分析；具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的流域森林不同尺度水循环的尺度转换及机理分析方法，其特征在于，步骤s1中，水文过程的测定遵循水量平衡原理；水量平衡方程为：

3.根据权利要求1所述的流域森林不同尺度水循环的尺度转换及机理分析方法，其特征在于，步骤s3中，budyko-porporato-guswa耦合模型包括：

技术总结
本发明涉及水文地理技术领域，具体涉及一种流域森林不同尺度水循环的尺度转换及机理分析方法，按不同尺度，采取站点定位观测、野外样地调查、多点观测和模型模拟方法，开展流域森林的不同尺度的水文循环过程分析。本发明通过广东韩江源野外科学观测研究站对森林从单株到坡面的长期定位观测，结合流域尺度水文模型模拟，阐明韩江流域森林生态系统在不同时空尺度水循环过程特征，为流域内森林水文水资源的评估提供理论和数据支撑。通过分析韩江流域森林生态系统不同尺度的水循环特征及尺度效应，探索不同尺度水循环的尺度转换机理，以期为水文地理学的发展提供更多的理论参考和为提高流域水资源模拟和评估的精度提供技术和数据保障。

技术研发人员：臧传富,张雷,杨凌云,林华锋,王添汉,邓依佳
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23