[发明专利]一种纯遥感数据驱动的流域水循环模拟方法

摘要

本发明公开了一种纯遥感数据驱动的流域水循环模拟方法，构建包括植被截留与蒸散发过程、产流过程和汇流过程在内的，兼容空间信息的流域水循环模拟框架；完全基于遥感数据完成流域产流、汇流过程模拟，得到流域内任意栅格点上的总产流量和径流量背景值；增加模型方法参数自优化方法模块，构建目标函数，随机采样生成待率定模拟参数样本组合，引入模型进行迭代运算，确定最终符合条件的流域水循环模拟参数和模拟产汇流结果。本发明可以有效减少对传统气象站点观测数据的依赖性，更好地体现了水循环过程的时空连续性和空间异质性特点，增强了方法的物理机制和多源数据兼容性。

主权项

1.一种纯遥感数据驱动的流域水循环模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、构建包括植被截留与蒸散发过程、产流过程和汇流过程的兼容多种遥感数据的流域水循环模拟框架；步骤二、完全基于遥感数据完成对参数以及上下层土体的土壤饱和含水量、田间持水量和凋萎含水量的水循环要素信息提取；其中：参数包括对日尺度、时‑空分布连续的流域降水量、大气温度、融雪量、蒸发潜力、植被盖度和根系深度；步骤三、开展流域产流、汇流过程模拟，得到流域内任意栅格点上的总产流量和径流量背景值，同时获取流域内任意栅格点上蒸散发量、融雪量、地表径流量、壤中流量的水资源分量的背景信息；步骤四、增加模型参数自优化模块，构建参数目标函数，随机采样生成待率定模拟参数样本组合，引入模型进行迭代运算，确定最终符合条件的流域水循环模拟参数和模拟产汇流结果；所述步骤一的构建方式如下：A、栅格植被截留与蒸散发计算方法；①采用下述公式(1)对植被截留量进行估算：式中：Sv为叶面累积截留量，单位mm；Smax为林冠最大截留量，单位mm；cv为植被盖度，单位％；η为校正系数；Pcum为时段降水量，单位mm；实际蒸散发等于植被截留蒸发、植被蒸腾、水面蒸发和土壤蒸发四个部分之和；陆地栅格的实际蒸散发量等于栅格上的植被截留蒸发、植被蒸腾与土壤蒸发之和，水面栅格实际蒸散发量等于潜在蒸散发量；②植被截留蒸发采用下述公式(2)计算：Ecan＝min(Sv，ETp，P)  (2)式中：Ecan为植被截留蒸发量，单位mm；Sv为叶面累积截留量，单位mm；ETp为潜在蒸散发量，单位mm；P为降水量，单位mm；③植被蒸腾采用下述公式(3)计算：Eat＝f1(LAI)·f2(θ)·(RDF)·(ETp‑Ecan)  (3)式中：Eat为植被蒸腾量，单位mm；f1、f2分别为植被叶面积指数和根系层土壤水分的函数；LAI为叶面积指数；RDF为根系分布函数，(ETp‑Ecan)为扣除截留蒸发后的最大蒸发能力，式中f1、f2和RDF的表达式分别如下(4)、(5)、(6)所示：f1(LAI)＝max(0，min(1，(C2+C1·LAI)))  (4)式中：C1，C2，C3为参数，通过参数率定得到；θ为土壤体积含水量，单位％；θf为土壤田间持水量，单位％；θw为萎蔫含水量，单位％；RDF为根系分布函数，Z1，Z2分别为所求土壤层垂直方向上的两端坐标，单位m；LR为根系深度，单位m；R(z)为根系随土壤深度变化的函数，Z为土壤深度；④土壤蒸发采用下述公式(7)计算；K‑J模型中设定土壤蒸发仅发生在表层土壤，受到表层土壤水分和潜在蒸发能力的限制，当土壤中水分含量降至土壤剩余含水量时，土壤水蒸发停止；土壤蒸发计算公式如下：Es＝ETp·f3(θ)+(ETp‑Eat‑ETp·f3(θ))·f4(θ)·(1‑f1(LAI))  (7)式中：θr为土壤剩余含水量；Es为土壤蒸发量；B、产流过程和汇流过程模拟采用时变增益水文非线性概念模型中的方法。