SVAT模型的組成及其耦合方法

黃玲玲，劉國東，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)國家重點實驗室，成都610065;2. 中國電力工程顧問集團(tuán) 電力設(shè)計院，成都610065;3. 四川省電力設(shè)計院，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)，考慮植物葉片對不同波段輻射的選擇吸收和反射以及植被冠層對蒸騰作用、水熱轉(zhuǎn)化和動量交換的影響等，對土壤—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的相互作用機(jī)制、以及區(qū)域植被演替規(guī)律，對生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建具有十分重要的意義，也是進(jìn)行廣義水資源評價的基礎(chǔ)［3］。

2 模型的組成

SVAT 模型對陸面水循環(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，針對不同植被分層分別列出各自對應(yīng)的水量平衡和能量平衡方程，分別求解其中的每一項，最后計算出土壤—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)點是計算簡潔，因而廣泛應(yīng)用于各個領(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)看作是一個大葉片，首先由空氣動力學(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。模型對植被蒸騰與土壤蒸發(fā)分別進(jìn)行計算，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節(jié)點表示，以日或時的時間步長分別計算各節(jié)點的水、熱及溶質(zhì)通量。

SHAW 的優(yōu)點表現(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)也可通過實驗獲得。

模型計算主要應(yīng)用以下方程。

3.1.1 系統(tǒng)上邊界水熱通量計算

主要輸入氣象參數(shù)，包括降水、濕度、溫度、風(fēng)速和太陽輻射。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 為時間，s。

SHWA 模型對植被冠層水量的模擬將根系吸水和植被蒸騰作為一個連續(xù)整體，假設(shè)植物體內(nèi)水流的運(yùn)動是穩(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動力。植被冠層空氣中的水量通量表達(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。枯枝落葉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)和熱對流傳輸系數(shù)，W/m·℃; hrr為枯枝落葉層組成物的相對濕度; 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，m; U 為土壤層中水通量的源匯項，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 模塊計算凈雨量，HYCY 模塊計算坡面產(chǎn)流，ROUTING 模塊計算流域匯流。其計算過程是將流域劃分為若干單元網(wǎng)格，在每一個單元網(wǎng)格上計算凈降雨量，并進(jìn)行坡面產(chǎn)流及匯流計算［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)計算，進(jìn)而計算出各單元的凈雨量。

由SVAT 計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，計算出流域各單元網(wǎng)格產(chǎn)流量。最后通過ROUTING 模塊進(jìn)行匯流演算，基于等流時線的概念，在確定各個單元到出口斷面的匯流路徑及出流時間后，將各單元網(wǎng)格的等流時線進(jìn)行疊加，計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)δＰ透鲗铀俊⒛芰繝顩r產(chǎn)生較大影響。因此，針對不同的下墊面，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整模型參數(shù)及計算方法，一個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，對大尺度區(qū)域蒸散研究具有重要的價值。

強(qiáng)迫法主要將遙感數(shù)據(jù)在各時間步長和空間網(wǎng)格內(nèi)進(jìn)行插值計算，使其在時間上與SVAT 模型進(jìn)行積分計算的步長保持一致，在空間上與模型的計算格網(wǎng)大小相一致。通過該方法，可使SVAT 模型實現(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)觀測在時空分布上的誤差，在模型運(yùn)行的動態(tài)過程中不斷融合新的觀測數(shù)據(jù)，生成時空一致的數(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，通過計算和優(yōu)化，選取輻射模擬值與遙感實測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1 次/h 的氣象參數(shù)) 。此外，SVAT 模型本身的計算過程復(fù)雜，加之遙感數(shù)據(jù)同化的大規(guī)模計算，使其計算更為復(fù)雜、計算量更為龐大，因此，還需進(jìn)行長期的探索與研究。

4 結(jié) 語

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。

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 模塊計算凈雨量，HYCY 模塊計算坡面產(chǎn)流，ROUTING 模塊計算流域匯流，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，且耦合后的模型計算量大，SVAT 模型與遙感數(shù)據(jù)的同化技術(shù)距實際應(yīng)用還有一定距離，同時也有很大的發(fā)展空間。

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