黃玲玲，劉國(guó)東，向雪梅，吳 媛

(1． 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610065;2. 中國(guó)電力工程顧問集團(tuán) 電力設(shè)計(jì)院，成都610065;3. 四川省電力設(shè)計(jì)院，成都610065)

1 模型概述

陸面過程中考慮植被在土壤—植被—大氣系統(tǒng)各界面之間能量、物質(zhì)傳輸和交換過程中重要作用的物理—化學(xué)—生物聯(lián)合模型統(tǒng)稱為SVAT 模型［1］。SVAT 模型以Monteith － Perman 方程和Darcy 方程為基礎(chǔ)，考慮植物葉片對(duì)不同波段輻射的選擇吸收和反射以及植被冠層對(duì)蒸騰作用、水熱轉(zhuǎn)化和動(dòng)量交換的影響等，對(duì)土壤—植物—大氣連續(xù)體的水熱交換過程進(jìn)行統(tǒng)一的描述［2］。較有效的SVAT 模型有BATS、SiB、SiB2 和LEAF。

半個(gè)世紀(jì)以來，經(jīng)過初期“水桶”模型、生物物理學(xué)模型及生物化學(xué)模型等階段的研究和發(fā)展，SVAT模型已取得了顯著的進(jìn)展。模型用于研究土壤—植被—大氣傳輸系統(tǒng)中的5 種水的轉(zhuǎn)化關(guān)系，具體包括:大氣水、植物水、地表水、土壤水和地下水，能夠有效地反映植物耗水過程與生態(tài)需水間的規(guī)律、生態(tài)系統(tǒng)與局地氣候間的反饋機(jī)制、土壤水分與植被生長(zhǎng)的相互作用機(jī)制、以及區(qū)域植被演替規(guī)律，對(duì)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建具有十分重要的意義，也是進(jìn)行廣義水資源評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)［3］。

2 模型的組成

SVAT 模型對(duì)陸面水循環(huán)、能量循環(huán)及其它物質(zhì)循環(huán)過程進(jìn)行模擬。按其對(duì)植被冠層處理方式的不同，可將模型分為單層、雙層和多層模型3 種［4］。模型建立方法為，針對(duì)不同植被分層分別列出各自對(duì)應(yīng)的水量平衡和能量平衡方程，分別求解其中的每一項(xiàng)，最后計(jì)算出土壤—植被—大氣系統(tǒng)的水熱通量。單層模型、雙層模型和多層模型的相同之處在于均模擬了土壤和植被冠層的水熱通量; 不同之處在于單層模型和雙層模型對(duì)植被冠層內(nèi)部水熱循環(huán)過程的描述較為粗略，不易求解植被冠層的湍流交換系數(shù)和表面?zhèn)鲗?dǎo)系數(shù)。

2.1 單層模型

單層模型將下墊面，即土壤—植被系統(tǒng)看作一個(gè)整體，僅僅描述下墊面與大氣圈的交換，不考慮土壤—植被系統(tǒng)內(nèi)部能量及水分的循環(huán)和相互作用，只能反映大氣層和下墊面之間的水熱交換過程［5］。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)潔，因而廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，常用的模型是R. E. Dickinson 的單層大葉面模型BATS。模型中將土壤—植被系統(tǒng)看作是一個(gè)大葉片，首先由空氣動(dòng)力學(xué)阻抗及表面溫度與氣溫的差值確定顯熱通量，然后由能量平衡方程計(jì)算蒸散。

2.2 雙層模型

雙層模型在單層模型的基礎(chǔ)上更為完善，將下墊面中的植被冠層與土壤分開，分別考慮各自水分、能量和物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化和作用的過程。模型對(duì)植被蒸騰與土壤蒸發(fā)分別進(jìn)行計(jì)算，物理含義更為清晰。雙層模型有P. J. Sellers 等SiB2 模型［6］。

2.3 多層模型

多層模型考慮了植被冠層微氣候的差異，將冠層分成若干層，較精確地描述了冠層小氣候、輻射分布以及葉氣界面水熱交換的過程，如P. J. Sellers 等的多層大葉面模型SiB［7］。

3 SVAT 模型耦合研究

3.1 熱水耦合模型SHA W

熱水耦合SHAW 模型是SWAT 模型中最有代表性的耦合模型之一［8］，由美國(guó)農(nóng)業(yè)部北方流域研究中心Flerchinger 等人建立，它以大氣層為上邊界，以土壤層為下邊界，模擬土壤、地表、積雪層、枯枝落葉層、林冠層和大氣層之間的能量、水量和溶質(zhì)通量的交換過程［9］。模型每一層均由一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示，以日或時(shí)的時(shí)間步長(zhǎng)分別計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的水、熱及溶質(zhì)通量。

SHAW 的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為:①有著清晰的數(shù)學(xué)表達(dá)，能夠?qū)Ψ匠淌竭M(jìn)行聯(lián)立求解; ②模型參數(shù)易于確定，氣象參數(shù)可從氣象站獲取，土壤植被特征參數(shù)也可通過實(shí)驗(yàn)獲得。

模型計(jì)算主要應(yīng)用以下方程。

3.1.1 系統(tǒng)上邊界水熱通量計(jì)算

主要輸入氣象參數(shù)，包括降水、濕度、溫度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射。大氣邊界能量平衡公式為:

式中: Rn 為凈輻射，W/m2; H 為感熱通量，W/m2;LvE 為潛熱通量，W/m2; G 為地表熱通量，W/m2; Lv為蒸發(fā)潛熱，J/kg; E 為從土壤表面和植被冠層的總蒸散發(fā)量，kg/m2·s。

3.1.2 土壤層—枯枝落葉層—植被冠層系統(tǒng)中的水熱通量

1) 植被冠層的水熱通量。植被冠層空氣中的能量變化方程為:

式中:z 為從冠層頂垂直向下的距離，m; ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3;ca為空氣比熱，J/kg·℃; ke為冠層內(nèi)的傳輸系數(shù)，m2/s; Hl為植被( 葉子) 的熱量傳輸，W/m3;T 為氣溫，℃;t 為時(shí)間，s。

SHWA 模型對(duì)植被冠層水量的模擬將根系吸水和植被蒸騰作為一個(gè)連續(xù)整體，假設(shè)植物體內(nèi)水流的運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定且連續(xù)的，植被蒸騰拉力為水分從根系運(yùn)移至冠層空氣層提供了主要?jiǎng)恿ΑＶ脖还趯涌諝庵械乃客勘磉_(dá)式為:

式中: ρv為水汽密度，kg/m3; El為冠層內(nèi)葉面蒸騰量，kg/s·m3。

2) 枯枝落葉層的水熱通量?？葜β淙~層中能量通量的傳輸過程為:

式中:Cr和T 分別為枯枝落葉層的體積熱容量( J/m3·℃) 和溫度( ℃) ; kr為枯枝落葉層的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流傳輸系數(shù)，W/m·℃; hrr為枯枝落葉層組成物的相對(duì)濕度; Pv為枯枝落葉層中的飽和水汽密度，kg/m3;rh為枯枝落葉層中組成物和空氣之間的邊界層阻力，s/m。

枯枝落葉層中水量通量的傳輸過程為:

式中: Kv為枯枝落葉層中水汽對(duì)流傳輸系數(shù)，m2/s;rvr為枯枝落葉層中組成物和空氣之間的水汽傳輸阻力，s/m。

3) 土壤層的水熱通量。土壤層中的能量通量傳輸方程為:

式中: Cs為土壤體積熱容量，J/kg·℃; T 為土壤溫度，℃; ks為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃; r1為水的密度，kg/m3; c1為水的比熱，J/kg·℃; q1為液態(tài)水通量，m/s; qv為水汽通量，kg/m2·s。

SHAW 模型根據(jù)飽和土壤水分傳輸?shù)倪_(dá)西定律和非飽和土壤水分傳輸?shù)腞ichard 方程，模擬土壤內(nèi)液態(tài)水和氣態(tài)水的遷移轉(zhuǎn)化，并考慮了溫度的影響。其土壤層水量通量傳輸公式為:

式中: K 為土壤非飽和導(dǎo)水率，m/s; ψ 為土壤基質(zhì)勢(shì)，m; U 為土壤層中水通量的源匯項(xiàng)，m3/m3·s; θ1為土壤容積含水量，m3/m3。

3.1.3 方程求解

聯(lián)立方程( 2) ～( 7) 進(jìn)行計(jì)算，輸入土壤參數(shù)、植被參數(shù)及氣象參數(shù)，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間的水量和能量通量將相應(yīng)發(fā)生變化。用Newton-Raphson 迭代法并建立Jacobian 矩陣可求解出系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變量［9］。

3.2 SVAT＆HYCY 模型

SVAT＆HYCY 模型是由日本的Fukushima1Ma等人提出的。模型利用SVAT 模塊計(jì)算凈雨量，HYCY 模塊計(jì)算坡面產(chǎn)流，ROUTING 模塊計(jì)算流域匯流。其計(jì)算過程是將流域劃分為若干單元網(wǎng)格，在每一個(gè)單元網(wǎng)格上計(jì)算凈降雨量，并進(jìn)行坡面產(chǎn)流及匯流計(jì)算［10］。SVAT＆HYCY 模型具有大尺度的分布式水文模型結(jié)構(gòu)，考慮了流域各處降水及地形、土壤、植被等下墊面因素的差異，因此，具有較為清晰的物理意義。

SVAT 模塊是模型的基礎(chǔ)，向SWAT 模塊中輸入植被葉水勢(shì)等植被參數(shù)、土壤導(dǎo)水率等土壤參數(shù)、降水等氣象參數(shù)，根據(jù)能量平衡方程和水量平衡方程模擬計(jì)算各單元網(wǎng)格內(nèi)土壤—植被—大氣( SVAT)系統(tǒng)中水量的變化和遷移轉(zhuǎn)化。常采用Penman-Montieth 公式進(jìn)行模擬，其核心內(nèi)容是流域各單元網(wǎng)格的蒸散發(fā)計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出各單元的凈雨量。

由SVAT 計(jì)算出流域凈雨量之后，再利用HYCY模塊模擬流域產(chǎn)流過程。在HYCY 模塊中，將徑流組分分為河道徑流、地表徑流及地下基流3 部分，并概化為線性或非線性的水庫(kù)，計(jì)算出流域各單元網(wǎng)格產(chǎn)流量。最后通過ROUTING 模塊進(jìn)行匯流演算，基于等流時(shí)線的概念，在確定各個(gè)單元到出口斷面的匯流路徑及出流時(shí)間后，將各單元網(wǎng)格的等流時(shí)線進(jìn)行疊加，計(jì)算出流域匯流過程及流量。

3.3 SVAT 模型與遙感數(shù)據(jù)相耦合

SVAT 模型能夠分層模擬土壤、植被、大氣間的物質(zhì)、能量傳輸過程，但并未考慮下墊面的不均勻性，下墊面往往因植被、土地利用、土壤類型、雪蓋的不同而在小尺度范圍內(nèi)存在較大差異，下墊面的不均勻?qū)?duì)模型各層水量、能量狀況產(chǎn)生較大影響。因此，針對(duì)不同的下墊面，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整模型參數(shù)及計(jì)算方法，一個(gè)有效的方法是將模擬區(qū)域劃分為足夠小的單元網(wǎng)格，使各網(wǎng)格的地形、土地利用、植被和土壤類型等下墊面屬性基本保持一致，分別進(jìn)行模擬。另一方面，SVAT 模型的輸入?yún)?shù)多，覆蓋面廣而憑借先進(jìn)的遙感技術(shù)可多角度、高分辨率地獲取土壤水分、地表溫度、植被覆蓋、葉面積系數(shù)、地表反射率等土壤、植被參數(shù)。SVAT 模型與遙感數(shù)據(jù)相耦合，對(duì)大尺度區(qū)域蒸散研究具有重要的價(jià)值。

強(qiáng)迫法主要將遙感數(shù)據(jù)在各時(shí)間步長(zhǎng)和空間網(wǎng)格內(nèi)進(jìn)行插值計(jì)算，使其在時(shí)間上與SVAT 模型進(jìn)行積分計(jì)算的步長(zhǎng)保持一致，在空間上與模型的計(jì)算格網(wǎng)大小相一致。通過該方法，可使SVAT 模型實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格模擬，有效避免由下墊面的不均勻性所帶來的模擬誤差。數(shù)據(jù)同化法考慮了數(shù)據(jù)觀測(cè)在時(shí)空分布上的誤差，在模型運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過程中不斷融合新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，生成時(shí)空一致的數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)同化在SVAT 模型中的應(yīng)用是將模型的輸出結(jié)果輸入輻射模型，通過計(jì)算和優(yōu)化，選取輻射模擬值與遙感實(shí)測(cè)值差異最小的模型參數(shù)，該參數(shù)則是較優(yōu)的SVAT 模型參數(shù)。通過數(shù)據(jù)同化，不但能找到較優(yōu)的參數(shù)，也能反演出最優(yōu)的參數(shù)集，這將較大程度地提高模型的模擬精度。

SVAT 模型與遙感數(shù)據(jù)相耦合可為模型模擬提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，一方面，SVAT 模型所需參數(shù)的種類多，數(shù)量大，精度要求高［11］; 另一方面，SVAT 模型的參數(shù)獲取較難達(dá)到連續(xù)性( 如觀測(cè)1 次/h 的氣象參數(shù)) 。此外，SVAT 模型本身的計(jì)算過程復(fù)雜，加之遙感數(shù)據(jù)同化的大規(guī)模計(jì)算，使其計(jì)算更為復(fù)雜、計(jì)算量更為龐大，因此，還需進(jìn)行長(zhǎng)期的探索與研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) SVAT 模型分為單層模型、雙層模型和多層模型3 種，其復(fù)雜程度不同。

2) 熱水耦合SHAW 模型以大氣層為上邊界，以土壤層為下邊界，模擬土壤、地表、積雪層、枯枝落葉層、林冠層和大氣層之間的能量、水量和溶質(zhì)通量的交換過程，具有物理意義清晰、方程易于求解、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3) SVAT＆HYCY 模型屬于松散耦合型大尺度的分布式水文模型，利用SVAT 模塊計(jì)算凈雨量，HYCY 模塊計(jì)算坡面產(chǎn)流，ROUTING 模塊計(jì)算流域匯流，用于流域水文過程的模擬。

4) 遙感數(shù)據(jù)以“強(qiáng)迫法”或“數(shù)據(jù)同化法”與SVAT 模型相耦合估算地表通量，一定程度地提高模型的模擬精度，但由于模型在參數(shù)大量獲取方面存在一定困難，且耦合后的模型計(jì)算量大，SVAT 模型與遙感數(shù)據(jù)的同化技術(shù)距實(shí)際應(yīng)用還有一定距離，同時(shí)也有很大的發(fā)展空間。

［1］蘇鳳閣，郝振純. 陸面水文過程研究綜述［J］. 地球科學(xué)進(jìn)展，2001，16(06) :795 －801.

［2］蘇宏新，桑衛(wèi)國(guó). 宏觀植物生態(tài)模型的研究現(xiàn)狀與展望［J］. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)2002 ，26c( 增刊) :98 －106.

［3］賈仰文，王浩，倪廣恒，等. 分布式流域水文循環(huán)模型原理與實(shí)踐［M］. 北京:中國(guó)水利電力出版社，2005.

［4］Olioso A，Chauki H，Courault D，et al.Estimation of evapotranspira-tion and photosynthesis by assimilation of remote sensing data into SVAT models［J］.Remote Sensing of Environment，1999(68) :341 －356.

［5］孫睿，劉昌明. 地表水熱通量研究進(jìn)展［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，14(03) :434 － 438.

［6］郭生練，劉春蓁. 大尺度水文模型及其與氣候模型的聯(lián)結(jié)耦合研究［J］. 水利學(xué)報(bào)，1997(07) :37 －41.

［7］成向榮，虞木奎，黃明斌，等. 黃土高原農(nóng)牧交錯(cuò)帶SVAT系統(tǒng)能量平衡模擬［J］. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2011，(05) : 160－168.

［8］衛(wèi)三平，王力，吳發(fā)啟.SVAT 模型的研究與應(yīng)用［J］. 中國(guó)水土保持科學(xué)，2008(02) :113 －120.

［9］康爾泗，程國(guó)棟，宋克超，等. 河西走廊黑河山區(qū)土壤—植被—大氣系統(tǒng)能水平衡模擬研究［J］. 中國(guó)科學(xué): D 輯地球科學(xué)，2004，34 (06) :544 －551.

［10］鄭紅星，劉昌明，王中根，等. 黃河典型流域分布式水文過程模擬［J］. 地理研究，2004(04) :447 －454.

［11］鄧芳萍，劉闖，蘇高利. 區(qū)域蒸散的遙感研究進(jìn)展［J］.科技通報(bào)，2008(04) :465 －472.