本發(fā)明涉及生態(tài)水文學(xué)科學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種農(nóng)田凈灌溉用水模型及灌溉用水量估算方法。

背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)用水特別是灌溉用水增加，導(dǎo)致的地下水位下降和地表水急劇減少的問(wèn)題凸顯。估算農(nóng)田灌溉用水時(shí)空格局對(duì)于水資源管理和糧食安全十分重要。凈灌溉用水是指在一定時(shí)間內(nèi)，為滿(mǎn)足作物正常生長(zhǎng)，除降水補(bǔ)給外需要的灌溉水量。當(dāng)土壤含水量不能滿(mǎn)足作物正常生長(zhǎng)的需要，需要進(jìn)行灌溉補(bǔ)給。按照水量平衡原理，觀測(cè)期內(nèi)植被降水截留量、有效作物蒸散發(fā)、徑流量和觀測(cè)始末土壤水分差值之和為觀測(cè)期內(nèi)降水總量和灌溉總量之和，進(jìn)一步可得到觀測(cè)期內(nèi)需要凈灌溉用水量。下墊面是指地球表面，包括海洋、陸地、陸地上的高原、山地、平原、森林、草原以及城市等。下墊面各部分溫度、水分以及表面形狀等參數(shù)均有較大差異，從而導(dǎo)致下墊面具有非均一性?，F(xiàn)有的凈灌溉用水量估算方法中，大多根據(jù)區(qū)域類(lèi)型估算農(nóng)田蒸散發(fā)量，并結(jié)合降水、徑流、土壤含水量等實(shí)地觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)資料得到，或者直接根據(jù)觀測(cè)期內(nèi)一定面積農(nóng)田統(tǒng)計(jì)的灌溉用水量得到，簡(jiǎn)單、實(shí)用。通常情況下，區(qū)域觀測(cè)尺度較小時(shí)，認(rèn)為氣象參數(shù)、下墊面均一、農(nóng)田管理方式等相差不明顯。但是對(duì)于大的區(qū)域或流域，上述方法由于未充分考慮地表的非均一性而造成不能準(zhǔn)確地估算特定區(qū)域空間分布狀況，具有較大的局限性。綜合上述，提出一種既考慮了下墊面的非均一性且精確度又高的大尺度像元尺度的農(nóng)田凈灌溉用水量估算方法是急需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
（一）要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種考慮了下墊面的非均一性且精確度又高的大尺度像元尺度的農(nóng)田凈灌溉用水模型，以及利用該模型實(shí)現(xiàn)的農(nóng)田凈灌溉用水量估算方法。（二）技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種農(nóng)田凈灌溉用水模型，其包括中央數(shù)據(jù)處理器，處理各部分?jǐn)?shù)據(jù)；植被截留模塊，計(jì)算植被截留量；徑流模塊，計(jì)算徑流量；蒸散發(fā)模塊，計(jì)算蒸散發(fā)量；土壤含水量模塊，模擬土壤含水量及灌溉量。其中，中央數(shù)據(jù)處理器分別與植被截留模塊、徑流模塊、蒸散發(fā)模塊和土壤含水量模塊有數(shù)據(jù)傳輸。進(jìn)一步的，植被截留模塊采用半經(jīng)驗(yàn)半理論模型進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)一步的，蒸散發(fā)模塊包括實(shí)際蒸散發(fā)模塊和潛在蒸散發(fā)模塊。進(jìn)一步的，土壤含水量模塊包括根系吸水模塊、層間土壤水分增量模塊和根系層補(bǔ)給量模塊。本發(fā)明還提供了一種利用農(nóng)田凈灌溉用水模型實(shí)現(xiàn)估算農(nóng)田灌溉用水量的方法，其包括以下步驟：S1：獲取下墊面參數(shù)和氣象參數(shù)；S2：分別向植被截留模塊、蒸散發(fā)模塊、徑流模塊和土壤含水量模塊中輸入下墊面參數(shù)和氣象參數(shù)；S3：將計(jì)算出的植被截留量、蒸散發(fā)量和徑流量傳輸給中央數(shù)據(jù)處理器；S4：中央數(shù)據(jù)處理器根據(jù)各模塊傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)控制土壤含水量模塊進(jìn)行土壤含水量模擬，S5：根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算出農(nóng)田灌溉用水量。其中，步驟S1中的下墊面參數(shù)包括植被類(lèi)型、植被蓋度、葉面積指數(shù)、田間持水量Wf、萎蔫系數(shù)Wm、各層土壤含水量和表層土壤厚度，氣象參數(shù)包括降水量、氣溫、長(zhǎng)波輻射、短波輻射、地表反照率和大氣壓。其中，步驟S4在計(jì)算時(shí)需向中央數(shù)據(jù)處理器輸入降水量。（三）有益效果本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：充分考慮大尺度的地表不均一性,將空間離散化為像元，在像元尺度上反演農(nóng)田凈灌溉用水模型中各子模塊所需的部分參數(shù)，耦合生態(tài)水文過(guò)程模型，進(jìn)行降水植被截留、土壤含水量、徑流和蒸散發(fā)全過(guò)程模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田土壤含水量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能及時(shí)了解農(nóng)田是否需要灌溉，或灌溉所需用水量，避免農(nóng)田得不到及時(shí)灌溉或者灌溉量過(guò)大的情況，從而造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失和水資源浪費(fèi)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明模型結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明凈灌溉用水量推導(dǎo)過(guò)程圖。圖3為本發(fā)明植被截留量退出過(guò)程圖。圖4為本發(fā)明徑流量推導(dǎo)過(guò)程圖。圖5為本發(fā)明蒸散發(fā)量推導(dǎo)過(guò)程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種農(nóng)田凈灌溉用水模型，其包括中央數(shù)據(jù)處理器、植被截留模塊、徑流模塊、蒸散發(fā)模塊和土壤含水量模塊。其中，中央數(shù)據(jù)處理器分別與植被截留模塊、徑流模塊、蒸散發(fā)模塊和土壤含水量模塊有數(shù)據(jù)傳輸。凈灌溉用水是指在一定時(shí)間內(nèi)，為滿(mǎn)足作物正常生長(zhǎng)，除降水補(bǔ)給外需要的灌溉水量。水量交換側(cè)重垂直方向，根據(jù)北方流域地下水位情況，在研究中忽略地下水對(duì)農(nóng)田根系層的補(bǔ)給作用。農(nóng)田凈灌溉用水量I用如下公式表示：I=Sv+R+ETa+ΔW-P式中，Sv為期內(nèi)累計(jì)植被截留量，R為期內(nèi)徑流量，ETa為期內(nèi)累計(jì)蒸散發(fā)量，ΔW為期內(nèi)末期和起始期土壤含水量差值，P為期內(nèi)累計(jì)降水量。由公式可知，如圖2所示，要計(jì)算出凈灌溉用水量就須知道植被截留量、徑流量、蒸散發(fā)量、土壤含水量和降水量。除降水量可以通過(guò)遙感或者通過(guò)監(jiān)測(cè)站獲取以外，其他數(shù)據(jù)均需要計(jì)算才能得出。植被截留量可以通過(guò)植被截留模塊計(jì)算得出。植被截留是指大氣降水到達(dá)冠層后，部分降水被植被的冠層截留并存儲(chǔ)的現(xiàn)象，它對(duì)雨水具有在數(shù)量和時(shí)間上重新分配的功能，截留水量將以蒸發(fā)的形式返回大氣中，并影響同期的蒸散發(fā)能力。植被截留模塊可以為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)半理論模型或理論模型，其中以Rutter模型和Gash解析模型較為完善且被廣泛應(yīng)用，但是模型的參數(shù)較難獲取，因此，本發(fā)明采用半經(jīng)驗(yàn)半理論模型進(jìn)行計(jì)算。降雨過(guò)程中植被對(duì)降水的截留主要有枝葉作用，因此截留量主要與植被特征有關(guān)，如植被蓋度、葉面積、葉面粗糙度，隨植被類(lèi)型和生長(zhǎng)時(shí)段而變化。植被截留量Sv的計(jì)算方程為：式中：cv為植被蓋度，反映覆被空間分布情況；P為累積降水量，Smax為植被最大截留量；η為校正系數(shù)。植被最大截留量主要取決于葉面特征，即葉面積和葉面粗糙度?；谌~面積指數(shù)LAI可以計(jì)算出植被最大截留量，其公式為：Smax=0.935+0.498×LAI-0.00575×LAI2η=0.046×LAI綜上所述，可得出植被截留量在植被截留模塊中輸入?yún)?shù)降雨量、葉面積指數(shù)和植被蓋度后可以計(jì)算出，如圖3所示。遙感技術(shù)在這些參數(shù)的獲取上均已有較為成熟的應(yīng)用，可以提供較高時(shí)間分辨率的LAI產(chǎn)品，能為模型提供驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。徑流量可以通過(guò)徑流模塊進(jìn)行計(jì)算得出。徑流模塊分為4個(gè)單元計(jì)算，包括地表徑流單元、表層壤中流單元、深層壤中流單元和地下徑流單元，4個(gè)單元之和即為所求徑流量。降雨經(jīng)林冠截留后到達(dá)表層土壤，一部分在表面發(fā)生地表徑流，剩余部分進(jìn)入表層土壤補(bǔ)充土壤含水量。地表徑流采用VGTM模型計(jì)算，模型認(rèn)為地表徑流與有效降雨呈非線性關(guān)系，這種關(guān)系通過(guò)時(shí)變?cè)鲆嬉蜃颖硎?，時(shí)變?cè)鲆嬉蜃油ㄟ^(guò)表層土壤水分求算，同時(shí)增加下墊面覆被狀況對(duì)產(chǎn)流狀況的影響通過(guò)地表覆被因子C來(lái)表達(dá)，其主要與植被生長(zhǎng)狀況有關(guān)。地表徑流單元計(jì)算公式如下：式中：為地表徑流量，AWu為表層土壤含水量，WMu為表層土壤飽和含水量，(P-Sv)為有效降雨量，為降雨量扣除植被截留后到達(dá)地面的凈雨量；g1與g2是時(shí)變?cè)鲆嬉蜃拥挠嘘P(guān)參數(shù)（0<g1<1，1<g2），其中g(shù)1為土壤飽和后徑流系數(shù)，g2為土壤水影響系數(shù)；C為覆被影響參數(shù)?？鄢乇韽搅魍獾慕涤暌砸欢ǖ乃俾氏聺B進(jìn)入土壤，一部分保存在土壤中，使土壤含水量增大；一部分沿著土壤空隙流動(dòng)，從坡側(cè)土壤空隙流出，轉(zhuǎn)換為地表徑流，注入河槽的部分徑流稱(chēng)為表層壤中流，采用自由水蓄水庫(kù)線性出流計(jì)算，表層壤中流單元計(jì)算公式如下：式中：為表層壤中流量，AWu為表層土壤含水量，Kr為土壤水出流系數(shù)；Thick為表層土壤厚度。表層土壤水分在重力和水勢(shì)作用下向深層下滲，給定表層到深層的下滲率為fc，即可求算上層土壤滲入到下層的水量，地下徑流亦相同。深層壤中流和地下徑流計(jì)算方式同于表層壤中流，即式中：和分別為深層壤中流量和地下徑流量，AWd和AWg分別為深層土壤含水量和地下層含水量，Kd和Kg分別深層土壤流出流系數(shù)和地下徑流出流系數(shù)，地下徑流一般出流較為穩(wěn)定，在冰期，徑流的主要供給為地下流，因此可根據(jù)冬季徑流量確定出流系數(shù)。由圖4和上述公式可知，在徑流模塊中輸入表層土壤含水量AWu、表層土壤飽和含水量MWu、表層土壤厚度Thick、深層土壤含水量AWd、地下層含水量AWg、降水量P以及在植被截留模塊得出的植被截留量Sv就可以得出徑流量R，這些數(shù)據(jù)均可以通過(guò)遙感方式獲取，如降水量P等還可以通過(guò)其他方式獲取。蒸散發(fā)量ETa的計(jì)算是通過(guò)蒸散發(fā)模塊完成的，如圖5所示為蒸散發(fā)量ETa推導(dǎo)過(guò)程圖。實(shí)際蒸散量ETa取決于潛在蒸散量ETP以及制約蒸散過(guò)程的土壤水分脅迫系數(shù)KS。因此，實(shí)際蒸散發(fā)量ETa可表示為：ETa=Ks×ETp土壤水分脅迫系數(shù)Ks可以利用下列公式確定：Ks=ln(Av+1)/ln(101)Av=[(W-Wm)/(Wf-Wm)]×100式中，W為即時(shí)含水量，Wf為田間持水量，Wm為萎蔫系數(shù)。其中，田間持水量Wf與萎蔫系數(shù)Wm均與土壤的類(lèi)別有關(guān)，其均可以用常規(guī)方法進(jìn)行估算。在蒸散發(fā)模塊中，潛在蒸散發(fā)量ETP由Priestley-Taylor公式計(jì)算得出，其公式為：式中，α為Priestley-Taylor系數(shù)，取值為1.26；Rn為地表凈輻射，G為土壤熱通量，λ為汽化潛熱，Δ為飽和水氣壓-溫度曲線斜率，γ為干濕表常數(shù)。由上述公式可以看出，在計(jì)算潛在蒸散發(fā)量ETP時(shí)，需知道地表凈輻射Rn、土壤熱通量G、汽化潛熱λ、飽和水氣壓-溫度曲線斜率Δ和干濕表常數(shù)γ。地表凈輻射Rn又稱(chēng)輻射平衡或輻射差額，是指地表面凈得的短波輻射RS與長(zhǎng)波輻射RL之和，即地表輻射能量收支的差額。它是地表面能量、動(dòng)量、水分輸送與交換過(guò)程中的主要能源，是地氣能量交換中最重要的組分，也是驅(qū)動(dòng)地表蒸散和顯熱通量的主要來(lái)源。在蒸散發(fā)模塊中，地表凈輻射采用MODIS數(shù)據(jù)估算衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的瞬時(shí)地表凈輻射Rn：Rn=（1-α）RS+RL式中，α為地表反照率，RS為短波輻射，RL為長(zhǎng)波輻射。地表反照率α、短波輻射RS和長(zhǎng)波輻射RL均可以通過(guò)遙感方式獲取數(shù)據(jù)，故蒸散發(fā)模塊可以通過(guò)上述公司計(jì)算出瞬時(shí)地表凈輻射。瞬時(shí)地表凈輻射Rn計(jì)算出以后，蒸散發(fā)模塊再對(duì)瞬時(shí)地表凈輻射Rn進(jìn)行積分運(yùn)算，就可以得出所需要的地表凈輻射Rn。地表凈輻射能量一部分被用作蒸散發(fā)，一部分被用來(lái)加熱地表的大氣，剩下的則被儲(chǔ)藏在土壤或水體之中，這部分土壤或水體的熱交換能量即土壤熱通量。目前土壤熱通量G還不能直接通過(guò)遙感技術(shù)獲取，一般通過(guò)它與地表凈輻射Rn及植被蓋度cv的關(guān)系來(lái)確定，在蒸散發(fā)模塊中的計(jì)算公式如下：G=Rn[Γc+(1-cv)(Γs+Γc)]式中：Γc為土壤熱通量與地表凈輻射的比值，在全植被覆蓋下Γc=0.05，Γs為土壤熱通量與地表凈輻射比值，在裸地情況下Γs=0.315，cv為植被蓋度。對(duì)于水體和冰雪，土壤熱通量G的計(jì)算多采用與地表凈輻射Rn取比值的方法，本發(fā)明中，水體、積雪與冰川的土壤熱通量G與地表凈輻射Rn的比值取0.5，即認(rèn)為進(jìn)入水體和冰雪的地表凈輻射Rn有一半被吸收成為冰雪的G：G=0.5Rn由上述可知，土壤熱通量G的計(jì)算是通過(guò)地表凈輻射Rn和植被蓋度cv完成的。汽化潛熱λ在蒸散發(fā)模塊中是通過(guò)氣溫Ta進(jìn)行估算：λ=2.5-0.0022Ta而飽和水氣壓-溫度曲線斜率Δ在蒸散發(fā)模塊中是通過(guò)氣溫Ta進(jìn)行計(jì)算：干濕表常數(shù)γ在蒸散發(fā)模塊中是通過(guò)下列公式進(jìn)行計(jì)算：式中，Cp為空氣定壓比熱，取值為1.013×10-3，Pr為大氣壓，ε是水汽分子量和干空氣分子量的比值，取值為0.622；λ為汽化潛熱。以上可以得出瞬時(shí)的蒸散發(fā)量ETa，但是蒸散發(fā)量ETa在每一時(shí)間是不一樣的，在得出瞬時(shí)蒸散發(fā)量ETa以后，再進(jìn)行積分運(yùn)算，就可以得出所需要的蒸散發(fā)量。由上述可知，在蒸散發(fā)模塊中輸入田間持水量Wf、萎蔫系數(shù)Wm、長(zhǎng)波輻射RL、短波輻射RS、地表反照率α、植被蓋度cv、大氣壓Pr和氣溫Ta就可以得出蒸散發(fā)量ETa，而上述數(shù)據(jù)均可以通過(guò)遙感進(jìn)行獲取，部分?jǐn)?shù)據(jù)還可以通過(guò)其他方式獲取。土壤含水量模塊可以進(jìn)行土壤含水量的模擬，以確定土壤內(nèi)的水分是否對(duì)足夠生物生長(zhǎng)需要。利用遙感獲取初始土壤含水量和檢測(cè)時(shí)的土壤含水量之后，就可以對(duì)農(nóng)田凈灌溉用水進(jìn)行計(jì)算了。綜上所述，可以得出利用農(nóng)田凈灌溉用水模型實(shí)現(xiàn)估算農(nóng)田灌溉用水量的方法，其包括以下步驟：S1：獲取下墊面參數(shù)和氣象參數(shù)；S2：分別向植被截留模塊、蒸散發(fā)模塊、徑流模塊和土壤含水量模塊中輸入下墊面參數(shù)和氣象參數(shù)；S3：將計(jì)算出的植被截留量SV、蒸散發(fā)量ETa和徑流量R傳輸給中央數(shù)據(jù)處理器；S4：中央數(shù)據(jù)處理器根據(jù)各模塊傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)控制土壤含水量模塊進(jìn)行土壤含水量模擬，S5：根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算出農(nóng)田灌溉用水量I。其中，步驟S1中的下墊面參數(shù)包括植被類(lèi)型、植被蓋度cv、葉面積指數(shù)LAI、田間持水量Wf、萎蔫系數(shù)Wm、各層土壤含水量W和表層土壤厚度Thick，氣象參數(shù)包括降水量P、氣溫Ta、長(zhǎng)波輻射RL、短波輻射RS、地表反照率α和大氣壓Pr。其中，步驟S4在計(jì)算時(shí)需向中央數(shù)據(jù)處理器輸入降水量P。需要用遙感獲取的數(shù)據(jù)，如果有其他方式可以獲取，也可以用其他方式，如氣溫Ta可以用溫度計(jì)，降水量P可以在氣象監(jiān)測(cè)站獲取等。本發(fā)明充分考慮大尺度的地表不均一性,將空間離散化為像元，通過(guò)逐個(gè)像元反演水平衡方程各子模型所需的部分參數(shù)，耦合生態(tài)水文過(guò)程模型，并進(jìn)行降水植被截留、土壤含水量、徑流和蒸散發(fā)全過(guò)程模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田土壤的含水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能及時(shí)知道農(nóng)田是否需要灌溉，或需要灌溉時(shí)的用水量，從而避免農(nóng)田沒(méi)有及時(shí)灌溉而造成損失或灌溉用水量太大而受到損失和水資源浪費(fèi)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。