利用改进的MOD16模型估算区域蒸散发

蒸散发（Evapotranspiration,ET）是地表水循环和能量循环的关键纽带,准确、定量地估算区域ET对于理解陆-气相互作用、全球气候变化等至关重要。MOD16模型基于Penman-Monteith（P-M）方程,是一种获取区域ET的重要遥感模型。然而,MOD16模型没有直接利用土壤水分信息,而是通过相对湿度（Relative Humidity,RH）、饱和水汽压差（Vapor Pressure Deficit,VPD）、叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）等间接表达土壤水分信息的作用,这可能会给区域ET的估算带来一些不确定性。该研究将归一化水指数（Normalized Difference Water Index,NDWI）作为土壤水分信息的补充项,对MOD16模型的地表阻抗进行修正,以改进MOD16模型（改进后的模型为MOD16-sm）,并将改进后的模型在中国西北干旱区绿洲进行验证和应用。模型验证包括模拟值与观测值的对比及误差分析。模拟值与观测值的对比分析结果表明,MOD16-sm模型获取的ET精度较高,决定系数（Coefficient of Determination,R2）为0.77,均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）为0.8 mm/d,平均绝对误差（Mean Absolute Deviation,MAE）为0.46 mm/d;误差分析结果显示,MOD16-sm模型估算结果的误差控制优于MOD16模型,结合模拟值与观测值的对比分析可知,MOD16-sm模型改善了MOD16模型的部分高估现象,MOD16-sm模型能更好地反映土壤水分对ET的影响。模型应用包括ET估算值的空间分布分析及ET估算值的频率分布统计。对MOD16-sm模型的估算结果进行空间分析发现,高植被覆盖区的ET值较高,低植被覆盖区的ET值较低,说明MOD16-sm模型的ET估算结果与土地利用类型密切相关;研究区ET估算值的频率分布结果表明,MOD16-sm模型能较好地反映和表达出不同植被覆盖区的ET通量异质性。因此,利用NDWI对MOD16模型进行改进是可行的和合理的,该研究可为提高区域ET的估算精度提供参考和思路。     

基于TVF-EMD与LSTM神经网络耦合的月径流预测研究

为了有效提高非平稳非线性径流序列的预测精度,采用具有自适应序列特征的时变滤波经验模态分解(TVF-EMD)与长短期记忆神经网络(LSTM)耦合,构成TVF-EMD-LSTM预测模型。首先利用TVF-EMD方法自适应地将径流序列分解为高频序列和低频序列;进而,利用LSTM神经网络对分解后的序列分别预测;最终,将预测结果加和重构为最终径流预测结果。提出的模型应用于洛河流域长水水文站月径流预测,并与LSTM模型、EMD-LSTM模型和CEEMDAN-LSTM模型进行对比。结果表明:TVF-EMD-LSTM神经网络耦合模型预测精度最高,预测误差最小。由此可见,TVF-EMD能更好地缓解模态混叠问题,可为径流序列的数据预处理提供更好的方式,提出的TVF-EMD耦合模型也为月径流预测提供了一种有效的新方法。     

基于主成分分析的土壤盐渍化特征研究——以甘肃景泰川电力提灌灌区为例

土壤盐渍化是世界性的资源和生态问题,严重制约了农业生产的可持续发展。为探明主导土壤盐渍化的特征因子,以景泰川电力提灌灌区为研究区,结合土壤性状调研、室内试验,利用相关性分析和主成分分析等方法对区域土壤盐渍化特征进行研究。结果表明:研究区土壤盐渍化类型主要以硫酸盐为主,灌区内同时存在着盐分表聚和底聚现象,且各层含盐量均具有很强的变异性;各层土壤中阳离子以Na~+为主,阴离子以SO_4~(2-)为主;土壤全盐量与Na~+、Cl~-、SO_4~(2-)均呈现出极显著正相关,相关性最强的是Na~+;SO_4~(2-)、Na~+,全盐量(TS)是表征景电灌区土壤盐渍化的主要特征因子。相关研究可为我国西北等干旱区的土地资源可持续利用提供理论依据。     

断面形态对支流分流比的影响研究

明渠侧向取水受取水口门形态的约束,水流流态紊乱,对支渠引水影响很大。对此采用Mike21数值模拟手段模拟3种边坡系数分别为0、1、2的断面在流量1~10 L/s下的水流运动,分析分流口门处的流态,研究各参数对分流比的影响。研究结果表明:相同边坡系数,随着上游来流流量的增加,回流区范围增大,有效宽度减小,收缩系数减小,分流比减小;相同流量,随着边坡系数的增大,支流内回流区范围变小,有效宽度增加,收缩系数增大,分流比增大;随着弗劳德数的增加,分流比逐渐减小,且边坡系数越大,变化越明显。最后获得了分流比与弗劳德数与收缩系数之间的关系式,相关度较好,并得到了验证。     

WACM4.0模型模拟内蒙古河套地区山水林田湖草系统水循环

内蒙古河套地区是中国重要的商品粮、油生产基地。区域内耕地密布,长期大规模河道外引水,引排水渠系纵横交错,人类活动剧烈,改变了原来的水循环环境,水循环要素变化具有时空变异性,水分转化与运动过程及其复杂。为厘清河套地区山水林田湖草系统的水循环演变规律,该研究在"自然—人工"复合水循环理论基础上,构建了适用于强人类活动地区的分布式水循环模型(Water Allocation and Cycle Model,WACM4.0),系统模拟分析了河套地区山水林田湖草各系统的水循环演变规律与水分运动过程。结果表明:乌梁素海、引排水渠道水循环特征以引水—排水的横向运动为主;乌海滩涂水循环特征以地下水补给—蒸发的垂向运动为主;海子水循环以垂向与横向综合运动为主;耕地水循环特征为灌溉水入渗—蒸散发的垂向运动;人工林、草地、未利用地与居工地的水循环特征为降雨—入渗—潜水蒸发的垂向运动。山水林田湖草系统整体水循环特征以灌溉(降雨)—下渗—蒸发垂向水循环为主。河套地区地下水量逐年亏损,地下水循环过程为"负水平衡"垂向运动。河套地区引水灌溉平均每年致使黄河径流量减少约42.0亿m~3。其中耕地耗黄水量最多,其次为引水渠道、乌梁素海、排水渠道、海子、草地。研究可为河套地区灌溉管理、水资源开发利用与山水林田湖草生态保护提供基础支撑。     

基于SUFI-2参数最适置信区间的参数优化方法结果对比分析

研究水文模型参数置信区间对于径流模拟的影响,对SWAT模型校准应用具有重要意义.将麻城市举水河流域作为研究区域,选取1953-2006年(1995-1996年为预热期,1997-2000年为率定期,2001-2004年为验证期)的月径流实测资料,并采用SUFI-2方法识别出敏感性参数的置信区间进行模拟,比较参数置信区间影响前后的3种优化算法(GLUE、PSO、Parasol)径流结果并进行适用性分析.结果表明:初次模拟仅SUFI-2算法符合模拟精度要求,但模拟精度不高,GLUE、PSO、Parasol算法不满足精度要求;采用参数最适置信区间后二次模拟模型的精度大大提高,GLUE、Parasol算法均满足R2>0.7,NSE>0.7,表明此时模型模拟效果较好,相较于SUFI-2算法更适用于本研究区域;故选择适宜的优化参数方法前,可先采用SUFI-2方法获取适宜参数置信区间,在此基础上进一步进行参数率定,可提高参数率定的精度.     

京津冀地区潜在蒸散量时空演变特征及归因分析

为了深入认识京津冀地区潜在蒸散量的时空变化特征及其对气候变化的响应,该研究基于京津冀地区23个气象站57 a逐日气象观测资料,应用Penman-Monteith公式计算各站点日潜在蒸散量(ET0),剖析ET0的时空变化特征,运用敏感性分析法定量研究ET0对各气象要素的敏感性及其时空变化特征,定量识别各气象要素变化对ET0变化的贡献。研究结果表明:1)京津冀地区ET0空间分布整体呈由南向北递减趋势(除中部地区的塘沽站、黄烨站与保定站点ET0较高外)。ET0整体呈下降趋势,线性趋势率为-0.92 mm/a。ET0变化趋势空间分布由西北向东南递减,以春季减幅最为明显。2)京津冀地区ET0对相对湿度的最为敏感(-0.44),其次为风速(0.31)、日照时数(0.28)与平均气温(0.26)。随时间推移,ET0对平均风速与相对湿度敏感性整体呈下降趋势,而ET0对平均气温与日照时数的敏感性逐渐增强。敏感性系数空间分布从西北到东南:风速与平均气温敏感性系数逐渐递增,而日照时数与相对湿度敏感性系数逐渐递减。3)风速变化对京津冀地区ET0变化的贡献最大,平均气温次之。风速为主导因素的站点个数随时间呈下降趋势,平均气温与日照时数为主导的站点个数随时间呈上升趋势,说明近年来平均气温与日照时数对潜在蒸散量变化的影响愈加明显,这可能是由于近年来京津冀地区雾霾尤其是冬季雾霾对日照时数、气温与风速的产生一定影响,进而影响ET0。     

景电灌区盐碱耕地土壤剖面盐分时空演替特征研究

为了研究西北干旱引黄灌区长期综合改良条件下盐碱耕地土壤化学性质的时空演替特征，以甘肃省景泰川电力提灌灌区（以下称“景电灌区”）为例，采集灌区不同耕种年限（5、10、15 a）盐碱耕地0~80 cm土层土壤样品，同时选取试验地附近未耕作盐碱荒地作为对照。对土壤水溶性总盐（TS）、pH值和各盐分离子指标进行测定与分析，研究了不同耕种年限盐碱耕地土壤剖面盐分的时空演替特征。结果表明，随着耕种年限的增加盐碱耕地土壤脱盐效果明显，土壤TS由未耕种时的4.081 g·kg^-1下降到耕种15 a后的0.411 g·kg^-1；而土壤pH值则随着耕种年限的增加呈现出缓慢增加趋势，由未耕种时的8.30上升至耕种15 a后的9.05，说明土壤在脱盐过程中出现了碱化趋势；其余盐分指标除HCO^-₃随着耕种年限的增加呈现缓慢增加趋势，钠吸附比（SAR）、Cl^-/SO^2-₄以及其余各盐分离子均随着耕种年限的增加而降低。可见随着耕种年限的增加，土壤条件得到了很大的改善，有利于作物的生长，但长期的土壤脱盐改造同时也诱发了土壤碱化倾向。     

陇中旱塬不同覆盖集雨种植方式对春玉米生长特性和产量的影响

以春玉米"金凯3号"为供试材料,2015年和2016年开展两年6个不同处理大田试验,设置平地全膜覆盖(WM)、平地半膜覆盖(HM)、隔沟覆膜垄播(MRM)、全膜双垄沟播(WRF)、垄沟秸秆覆盖(SM)和露地平播(CK)6个处理,测定春玉米不同生育阶段生长特性、收获后产量、水分利用效率(WUE)及经济效益等指标。结果表明,覆盖集雨种植方式均能显著促进春玉米生长和干物质积累,提高产量、水分利用效率和经济效益。较露地平作(CK),WRF和MRM处理玉米产量和WUE分别提高了4 561.34、4 126.31 kg/hm2和14.48、12.72 kg/(hm2·mm),以全膜双垄沟播种植方式增幅最显著。试验结果表明,WRF处理纯收益最高,达5 878.26元/hm2,WM处理次之,为4 599.18元/hm2,分别较CK处理增加5 113.3 1和3 834.23元/hm2,可显著提高投入产出比。全膜双垄沟播春玉米种植由于其良好耕作生产特性,是陇中旱塬春玉米高产、稳产的优势选择。     

基于遥感数据分析干旱区人工绿洲灌区的水盐时空分异特征

干旱区人工绿洲的土壤盐渍化产生和演化过程是一个多要素参与、多层次驱动、多过程耦合的复杂过程。为揭示干旱扬水灌区区域尺度的水盐时空分异特征,以地处腾格里沙漠边缘的甘肃省景泰川电力提灌工程一期灌区为研究区,选取1994、2001、2008、2015年的直接参与驱动区域土壤水盐分异过程的地表盐分、土壤含盐量、地下水矿化度、地表灌水量、地下水埋深等5个指标因子。运用可拓层次分析法确定各指标因子权重,借助ArcGIS软件中监督分类以及空间分析技术,获取各指标因子的空间分布栅格图件,将各栅格图件进行标准化处理后按照指标权重进行空间嵌套并叠加,定量化地分析了研究区区域尺度的水盐时空分异特征。结果表明:研究区次生盐碱地主要分布在东部的封闭型水文地质单元,总体看,研究区内轻度盐碱地面积最大,中度盐碱地次之,重度盐碱地面积最小;从解译的进程发展态势可知,研究区盐碱地还处于发展过程中,并呈现出加速增长趋势;由可拓层次分析法分析各指标因子权重排序为地下水埋深(0.3190)地下水矿化度(0.2710)土壤含盐量地表盐分地表灌水量,可见,区域内的地下水埋深和地下水矿化度是影响区域尺度水盐时空分异进程的主要驱动因素;研究区水盐时空分布态势与总体地势相关,呈现出西低东高的总体分布特征,由西南向东北以弧线状递增的发展趋势,灌区内东北部封闭型水文地质单元地下水位抬升明显,土壤盐渍化发展迅速。