基于SEBAL模型和Landsat-8遥感数据的农田蒸散发估算

【目的】及时准确地获取农田蒸散发量,为科学管理农田灌溉、精准估算作物产量和预报土壤水分动态、合理开发水资源等提供有效依据。【方法】以广利灌区为研究对象,基于SEBAL模型利用Landsat-8数据对研究区域农田蒸散发进行估算,通过地表参数计算净辐射通量、土壤热通量和感热通量,利用余项法求得潜热通量及瞬时蒸散发。假定24 h内蒸散比不变,由瞬时蒸散发扩展到日蒸散发量,最终求得研究区的日平均蒸散发量,将模型计算结果与彭曼公式进行了对比,同时结合灌区提供数据对计算结果进行了验证。【结果】彭曼公式计算2014年5月6日和2015年9月14日蒸散量与实测结果相差分别为5.2%和9.4%,SEBAL模型估算得到2014年5月6日和2015年9月14日的日蒸散量与灌区提供日蒸散量相差4.5%、6.0%,且冬小麦及夏玉米蒸散发在空间上存在一定的差异性,主要集中在灌区中部区域及西南区域。【结论】SEBAL模型计算结果具有较高的精度,而且方法相对快捷高效。     

基于双源蒸散发的新安江模型在淮河上游的应用

传统的新安江模型在计算流域蒸散发能力时仅依据非常有限的几个蒸发站的蒸发皿实测水面蒸发乘以一个折算系数来获得,不能考虑土地利用/覆被、气候特征、植被叶面积指数等因子的时空差异性和土壤特性、流域地形的空间差异性对流域蒸散发量影响。通过将考虑植被叶面积指数动态变化对蒸散发影响的双源蒸散发模型与新安江模型集成,改进了新安江模型的蒸散发计算模块,并以淮河息县水文站以上流域为研究区,以日为时间尺度,基于地形、土地利用、气象及水文资料对息县以上流域2000~2008年降雨径流过程进行模拟,结果表明,基于双源蒸散发的新安江模型能有效地模拟淮河上游降雨径流过程,满足模拟精度要求。研究成果为改进新安江模型中蒸散发计算模块提供了依据,也可为改进的新安江模型在其他流域的应用提供参考。     

遥感技术在水文水资源领域中的应用研究进展

遥感数据具有周期短、信息量大和成本低的特点,为水文水资源研究提供了丰富的数据源。详细介绍了遥感技术在水文水资源领域的主要应用研究进展,包括降水、蒸散发、径流与水文模型、地表特征及参数提取、洪涝灾害监测、水土保持、土壤水分与旱情监测、积雪与融雪、水质监测和地下水等方面,展望了今后应用研究的发展方向。     

FAO56在鲁西北平原地下水浅埋区的试验验证

利用大型称重式蒸渗仪多年冬小麦季日蒸散量数据,对FAO56推荐的作物需水量计算方法在地下水浅埋区的适用性进行了验证.模拟结果表明,在充分供水的灌溉制度下,即使不考虑地下水补给,单、双作物系数法的模拟结果也较精确,对各生育阶段的模拟误差并没有明显的规律,双作物系数法在覆盖度低的初期和后期可以较好的反映灌溉和降水的影响;当供水较少且不考虑地下水补给时,单、双作物系数法和土壤水分胁迫系数修正法的模拟误差均较大.因此,在地下水浅埋区灌溉和降水偏少时,FAO56计算作物需水量的方法应慎重应用,如何考虑地下水对蒸散发的补给,从而实现FAO56在地下水浅埋区的应用还有待于进一步研究.     

基于MODIS数据的区域蒸散发估算研究

应用遥感方法计算区域蒸散发具有很多常规方法所没有的优势.在基于地表能量平衡原理的SEBAL模型基础上提出了将新一代对地观测数据MODIS应用于反演区域地表蒸散的计算方法,并对新疆焉耆盆地的日蒸散发与月蒸散发情况进行了计算模拟,获取了相关地面特征参数.通过与基于ETM数据的SEBAL模型计算结果进行对比分析,验证了MODIS数据计算结果的合理性,并利用研究区实测水面蒸发值与区域水均衡方法对MODIS计算结果进行进一步的验证,说明了利用MODIS数据反演区域蒸散发的方法是切实可行的.     

基于遥感技术的区域蒸散发计算方法综述

利用遥感技术计算区域尺度蒸散发是一种非常可行的手段。通过总结遥感蒸散发模型国内外研究现状,根据各模型建模理念、内在机理等,对基于遥感技术的区域蒸散发计算方法进行了梳理;另外,结合目前研究现状,对遥感蒸散发模型当前研究的热点问题进行了总结和归纳,认为时空尺度转换、下垫面特征参数反演、模型结果检验等仍是当前遥感蒸散发研究领域亟待突破的攻坚点。同时,以良好的物理基础为背景,模拟SPAC系统中能量、物质交换过程,利用遥感技术确定地表关键参数的区域蒸散数值模型建立将是今后的发展方向之一。     

城市背景下草地蒸散发及土壤水分变异特性——以扬州区域性草地植被为例

为揭示城市背景下区域土壤水分变异特性及其利用效率,以扬州大学扬子津校区农水与水文生态实验场(P1)及扬州大学江阳路南校区草坪(P2)为研究区,基于实测的水文、气象数据,采用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式估算草地生长期内蒸散发量,采用FAO推荐的经修正的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式推求参考作物蒸散发量,并对水分有效性进行评价;采用有限差分方法结合非饱和土壤水分运动方程构建一维土壤水分运动模型,通过对观测土壤水分的数值模拟检验模型的适用性,对表层(0～10 cm)土壤水分进行模拟。结果表明:计算时段(2016-10-05-2017-10-04)内,P1、P2的ET_0为1 115.0 mm,略低于该时段的降雨量(1 200.0 mm);计算时段(2017-07-01-2017-09-31)内,P1点的ET累积值为129.7 mm,占同期降雨量的24.2%,P2点ET累积值为122.2 mm,占同期降雨量的22.9%;同期的水分有效性参数m_a分别为0.39、0.37;P1、P2两点土壤水分模拟结果与实测数据之间的均方根误差(RMSE)分别为0.012、0.021,纳什效率系数(NSE)分别为0.830、0.928,表明两点的计算与实测序列的误差较小,构建的一维土壤水分运动模型具有较高的计算精度。研究成果以期为城市化背景下草地植被的土壤水分循环以及基于绿色植被的海绵城市建设提供研究基础。     

基于概念模型的棉田土壤水分变化模拟研究

农田土壤水分模拟是农业用水管理的重要依据。以根系层土体水量平衡方程为依据,考虑根系层下界面水分通量,构建了农田土壤水分变化模拟模型,该模型由作物蒸发蒸腾量模型、根区下界面水分通量模型以及水量平衡方程等组成。依据山西水利职业技术学院试验基地2006-2008年3年棉花试验资料,确定了模型参数。结果表明,土壤储水量模拟计算值与实测值有较好的一致性,其相关系数达到0.928 7,F检验结果(F=96.44F0.001=3.27)达到高度显著水平,所建立的土壤水分变化模拟模型可用于棉花田间土壤水分的模拟计算,计算精度平均达到5.3%~15.8%;模型较好地反映了农田土壤水分转化过程以及降水、蒸发和深层土壤水分对作物蒸发蒸腾及产量的影响。     

基于支持向量机的干旱区月潜在蒸散发的模拟

探讨支持向量机回归模型模拟无风速和日照时数条件下潜在蒸散发的有效性,为气象资料短缺的干旱地区提供潜在蒸散发模拟的新途径。根据西北干旱区石羊河流域5个气象站1999―2009年基准期的日气象资料,用Penman-Monteith方程计算月潜在蒸散发量,采用支持向量机回归模型(SVR)模拟潜在蒸散发。以均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、确定性系数(DC)以及相关系数(R)作为模型的性能评价指标。结果表明,在模拟月潜在蒸散发时,无论在训练期还是验证期,当输入变量为最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速和日照时数等6个气象因子时,SVR模型取得了较好的模拟效果,各站的R和DC均在0.9以上;当输入气象变量为最高气温、最低气温、平均气温及相对湿度4个气象因子时,SVR模型对月潜在蒸散发的模拟精度略低于6个因子输入的精度,但各站的R和DC依然在0.9以上,说明在无风速和日照时数两个气象因子时,SVR模型可以有效的模拟干旱区月潜在蒸散发量。     

吉兰泰及周边地区蒸散发的时空变化规律

【目的】探索吉兰泰及周边地区蒸散发的时空变化规律。【方法】以吉兰泰为对象,利用MODIS数据通过SEBAL模型估算了研究区2017年植被生长季5—10月的日蒸散发,并分析了蒸散发与环境因子的相关性。【结果】①生长季日平均蒸散量整体趋势呈单峰型分布趋势,日均蒸散量最大值在7月(3.98 mm),最小值在10月(1.11 mm);②在空间分布上,研究区东南部蒸散发最高,东北部蒸散发最低;不同土地利用类型中蒸散发值由大到小分别为林地、耕地、草地、戈壁、沙漠;各土地利用类型蒸散发量的时间动态表现一致,呈生长期>生长初期>生长后期;③归一化植被指数、高程与蒸散发正相关,风速以及地表温度与蒸散发负相关。【结论】SEBAL模型估算的蒸散发与P-M作物系数法的蒸散发进行对比,相对误差在允许范围之内,表明SEBAL模型对本研究区蒸散发的估算是可靠的。研究区靠近山地的蒸散发大于荒漠区的蒸散发。在植被生长季中生长初期的蒸散发受温度和风速影响最大,生长期和生长后期的蒸散发受地表温度和高程影响最大。     

基于HYDRUS的黄土高原丘陵沟壑区土壤水分入渗模拟

根据黄土高原丘陵沟壑区小流域的观测资料,利用HYDRUS软件建立了该区域的土壤水分运移模型,分析了在降水条件下沟道不同地理位置及不同土层深度下土壤水分的分布规律,将模拟结果与实测数据进行了对比验证,同时利用该模型对暴雨条件下土壤水分的运移进行了模拟。结果显示,建立的模型能够较好地反映当地土壤水分的运移状况,模拟结果显示暴雨结束后,上游20及40 cm深处土壤水分含量降低相对较快,下游40 cm深处土壤水分含量降低最慢,且保持了较高水平。     

降雨入渗补给量计算的数值模拟方

基于土壤水运动的物理过程，提出了降雨入渗补给地下水的计算模型。该模型以超渗产流和蓄满产流的混合产流模式计算地表产流量，以双层土壤蒸发模式和植物蒸散发机制计算蒸散发量，并在考虑大孔隙对土壤水运动影响的基础上，采用一维土壤水运动分层计算模型模拟土壤水运动。利用零通量面法确定非饱和土壤渗透系数、土壤水分率定模型其它参数。利用江苏徐州汉王水文试验站蒸渗仪实测资料对模型计算的入渗补给量进行了检验，结果表明，模型可以较好地模拟以土壤水运动为核心的水文过程及降雨入渗补给量。     

免耕覆盖条件下田间土壤水分入渗的二维数值模拟研究

根据土壤水动力学基本原理,建立了秸秆覆盖条件下夏玉米SPAC系统中二维土壤水分入渗模型,应用该模型采用ADI法对辽宁地区秸秆覆盖条件下玉米田间土壤水分入渗过程进行模拟计算。模拟结果再现田间土壤水分入渗过程,同时显示产流与未产流情况试验数据与模拟值均有较好的一致性,平均相对误差均在5%以内,所构建模型可用于覆盖条件下土壤水分运动规律的研究。     

华北典型区SEBAL模型蒸散发反演的适用性分析

为获取农田蒸散发量,探究SEBAL模型在华北地区的适用性,以邯郸市永年区为研究对象,基于MODIS数据的SEBAL模型,通过地表能量平衡法计算区域冬小麦关键生长期中不同时期单日蒸散量的情况,并与P-M法结果进行适用性分析,其相对误差在23％左右.分析结果表明:SEBAL模型在研究区的蒸散发模拟精度较准确,且方法简单高效...     

华北冬小麦-夏玉米农田水分动态模拟研究

冬小麦-夏玉米连作是华北地区主要的粮食作物种植模式。根据华北季节性冻土区的特点,将全年划分为作物生长期与越冬期,分别建立了作物生长条件下农田水分运移模型、冻融条件下土壤水热运移模型。前一模型主要包括参照腾发量计算、腾发量分配、作物根系吸水、土壤表面蒸发、土壤水分特征参数和土壤水分运动等子模型;后一模型主要包括冻土水热耦舍迁移、地气水热交换等子模型。应用以上模型对冬小麦-夏玉米连作条件下的土壤水分过程进行模拟,根据北京永乐店试验资料对模型进行检验。模拟了不同降水水平年、不同灌溉处理下的农田灌溉制度及土壤水分过程,分析了降水、灌溉对农田蒸散、土壤水利用、深层渗漏等的影响。     

灌区尺度遥感蒸散发模型时间尺度提升方法研究

以内蒙古河套灌区解放闸灌域为典型研究区,构建基于能量平衡原理的单层遥感蒸散发模型,利用2014年Terra和Aqua卫星的MODIS标准陆地产品模拟蒸散发时空分布,分别探讨将遥感蒸散发模型由卫星过境时刻的瞬时值扩展到日蒸散发的尺度提升方法,以及由未受云层遮挡的日蒸散发扩展到全年的尺度提升方法。由瞬时到日的尺度提升采用日内代表性参数法,避免了对气象数据进行降尺度带来的误差及由瞬时蒸散发到日蒸散发尺度提升过程中的误差,由日到全年的尺度提升采用逐象元插值的方法,使遥感数据的利用得到最大化。     

基于遥感的农业用水效率评价方法研究进展

遥感技术的发展为区域尺度蒸散发计算、作物分布识别及估产提供了一条有效途径,为基于遥感信息的灌区灌溉水利用效率及作物水分利用效率定量评价奠定了基础。回顾总结了遥感蒸散发模型、瞬时蒸散发升尺度方法、日蒸散发插值方法、作物分布识别方法及作物估产模型的研究进展,评述了遥感蒸散发及作物估产结果在灌区灌溉水利用效率及作物水分利用效率评价中的应用情况。提出了相关领域需要进一步研究的问题,包括适合非均匀下垫面特点且具有较强物理基础的灌区遥感蒸散发模型、日蒸散发插值中灌溉或降雨引起土壤含水量突变情况的处理、农田蒸散发中灌溉水有效消耗量的准确估算、能适应复杂种植结构并且适用于多年的作物分布遥感识别模型以及精度较高且可操作性强的遥感估产模型等。     

近50年来黄河源区水文要素周期性分析及模拟

寒区水文过程是寒区生态系统中的重要环节之一,水热状况将直接决定高寒地区的生态环境状况.用滑动趋势法和墨西哥帽状小波变化分别获取了研究区域近50年来气候变化的年际年代变化及其周期分析,基于青藏高原太阳辐射平衡已有成果,结合联合国粮农组织推荐的彭曼-蒙蒂斯模型,对于达日县可能蒸散发进行了数值模拟.得出以下主要结论:近50年来达日县降水年增加率为0.557 mm/a,而该县最大可能蒸散发量的年增加率为0.132 mm/a,气候总体趋势是由干旱向湿润方向发生转变;达日县年气温序列主要呈现20 a、15 a、7 a和5 a的周期振荡,年降水序列表现为15～20 a和7～8 a的周期振荡;近20年来可能蒸散发呈递减的趋势,汛期序列递减率为0.046 7 mm/a,冬春序列递减率为0.108 4 mm/a.     

陆浑灌区实际蒸散发影响因素分析

实际蒸散发是水文循环的关键环节,分析灌区实际蒸散发及其影响因素对灌区水资源的高效利用和农业高质量发展具有重要意义。然而,目前蒸散发的影响因素研究在确定主要因素时往往采用解释力较差的传统统计学方法,在相关性分析时忽略了蒸散发与其影响因素在空间上的相关性。因此利用改进的随机森林模型确定实际蒸散发的主要影响因素,并通过岭回归模型和地理加权回归模型探究实际蒸散发与其影响因素的时空相关关系。结果表明：(1)在灌溉期,地表净辐射、平均气温、叶面积指数和实际水汽压是实际蒸散发的主要影响因素;在非灌溉期,地表净辐射、平均气温、风速和日照时间是实际蒸散发的主要影响因素。实际蒸散发在一定程度上代表了灌区的作物耗水量。因此,灌区作物耗水在灌溉期和非灌溉期的影响作用有一定的差异。(2)在时间上,风速与实际蒸散发为负相关关系且呈显著负相关(P<0.05),其余影响因素与实际蒸散发均为正相关关系且呈显著正相关(P<0.05);在空间上,除风速与实际蒸散发在大部分区域呈负相关关系,其余影响因素都与实际蒸散发在大部分区域呈正相关关系。因此,除风速外,其余影响因素对灌区作物耗水在大部分区域都为正向促进作用。     

基于蒸散发调控及排水重复利用的灌区节水潜力

基于改进SWAT模型,以漳河灌区为背景,模拟分析了不同情景下蒸散发及排水比的变化,并进一步分析灌区节水潜力.结果表明,水田蒸散发由大到小为淹灌、间歇灌溉和薄浅湿晒.基于蒸散发消耗调控,研究区现状条件下理论节水率为14.5％,远大于实际节水潜力;与淹灌相比,间歇灌溉和薄浅湿晒节水率分别为1.6％和2.4％.基于排水重复利用,研究区现状条件下理论节水率为16％;塘堰汇流面积比例从现状的30％提高到50％,排水管理节水率及实际灌溉节水率分别为3.8％和1％,而传统的灌溉取水节水率为19.9％;可见,不同计算方法得到的节水潜力存在很大差异.