SWAT蒸散發(fā)模擬級遙感驗證PPT課件

1、.,1,基于SWAT模型的區(qū)域蒸散發(fā) 模擬及遙感驗證,目錄 | Contents,研究目的及意義,材料與方法,1,2,結(jié)果與討論,3,結(jié)論,4,.,3,1 研究背景,蒸散發(fā)（ET）是水文循環(huán)的主要過程和水資源管理的關(guān)鍵因素，尤其是在干旱半干旱地區(qū)，它控制著陸地表面的水分和能量通量的分配。 SWAT模型能夠預(yù)測不同土壤類型、土地利用方式和管理條件對流域水文循環(huán)的影響，大部分以徑流為目標(biāo)變量進行率定模型6-8；但在流域水平衡要素中徑流所占比例相對流域蒸散發(fā)量極低，僅以徑流為目標(biāo)變量開展率定過程存在極大的弊端。遙感能夠提供不同時空尺度的流域信息用于估算區(qū)域ET9-11，利用遙感反演的ET對模型模擬的

2、ET進行率定是比較新的研究方法。蔡錫填等14利用SWAT對漳衛(wèi)南運河流域主要農(nóng)業(yè)耕作區(qū)的實際蒸散發(fā)進行了分布式模擬，并利用遙感反演數(shù)據(jù)進行了對比驗證，二者具有很好的吻合度。錢坤等15對不同土地利用類型下模型ET值與遙感監(jiān)測值進行了對比，平均相對誤差為6.01%。,.,4,1 研究背景,本研究首先以LAI和地上部生物量為目標(biāo)變量對冬小麥和夏玉米作物參數(shù)進行率定?；谶b感ET數(shù)據(jù)進行敏感性分析，篩選出對ET影響比較大的參數(shù)，同時進行灌溉制度設(shè)置，模擬20022008年各月的實際ET，并采用遙感監(jiān)測值進行對比驗證，特別對SWAT模型作物生長過程模擬和灌溉影響水量平衡進行探討，為SWAT在海河平原農(nóng)作

3、物耕作區(qū)的ET模擬提供參考依據(jù)。,.,5,2 材料與方法,2.1 研究區(qū)概況,大興區(qū)地處海河流域中 北部，屬典型的海河平原 農(nóng)作物耕作區(qū)。表層土壤 以砂性表層土壤以砂性土 和砂壤土為主，適合多種 作物生長，主要種植作物 為冬小麥和夏玉米。氣候 為中緯度暖溫大陸性季風(fēng) 氣候，多年平均氣溫為12，多年平均降水量516.4mm，降水量年際變化較大，而且季節(jié)分布不均80%以上的雨量主要集中在69月。多年平均水面蒸發(fā)量1 142mm，陸面蒸發(fā)量遠大于多年平均降水量。,.,6,2 材料與方法,2.2 SWAT模型,運用“burn-in”算法對DEM進行凹陷化處理,生成能夠反映灌區(qū)實際的子流域邊界和河網(wǎng)，共

4、劃分為34個子流域，267個水文計算單元。,蒸發(fā)蒸騰量（ET0）,潛在蒸發(fā)蒸騰量（ETp）,簡化的EPIC作物生長模擬,Penman-Monteith,.,7,2 材料與方法,2.3 模型數(shù)據(jù)輸入,SWAT模型數(shù)據(jù)庫可以分為空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫兩大類，空間數(shù)據(jù)庫主要包括數(shù)字高程模型（DEM）、土壤類型分布圖和土地利用圖；屬性數(shù)據(jù)庫主要包括氣象數(shù)據(jù)和ET數(shù)據(jù)等。,（1）數(shù)字高程圖DEM：從美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）提供的GTOPO30公共域中獲取，數(shù)據(jù)空間分辨率為90m。 （2）1100萬土壤類型圖：來源于中國科學(xué)院南京土壤數(shù)據(jù)庫，綜合全國土壤分類和南京土壤分類，將大興灌區(qū)分為14種土壤類型，

5、每種土壤類型選取2個典型點，室內(nèi)實測得到每種土壤的顆粒組成和容重，通過三次樣條函數(shù)插值算法將中國制的土壤級配換算為美制標(biāo)準(zhǔn)，再借助SPAW估算土壤可利用水量、導(dǎo)水率和有機質(zhì)含量。,.,8,2 材料與方法,2.3 模型數(shù)據(jù)輸入,3）110萬土 地利用圖：土地 利用類型圖是通 過對LANDSAT TM 圖像進行目視判 讀得到，并考慮 實時野外勘查資 料，結(jié)合人工修 正的方法完成土地利用解譯； 4）氣象數(shù)據(jù)：包括逐日最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、相對濕度、太陽輻射、降雨資料。來源于大興氣象站、北京氣象站和永樂店3個氣象站點19952008年實測值及大興實驗基地20042008年實測值。,.,9,2 材料

6、與方法,2.3 模型數(shù)據(jù)輸入,5）遙感ET數(shù)據(jù)：實際騰發(fā)量采用基于吳炳方開發(fā)ETWatch系統(tǒng)生產(chǎn)的30m分辨率蒸騰蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時段為20022008年，時間尺度為月。利用地面觀測資料對蒸散遙感監(jiān)測產(chǎn)品的驗證表明，30m級的遙感監(jiān)測ET平均誤差12.7左右。,.,10,2 材料與方法,2.4 農(nóng)業(yè)管理措施,農(nóng)業(yè)管理措施對灌區(qū)的水量平衡影響很大，尤其是ET模擬與農(nóng)業(yè)灌溉制度密切相關(guān)。為了顯示灌溉對實際蒸騰蒸發(fā)量的影響，本文在模型中設(shè)置了有灌溉和無灌溉兩種情景，用來對比灌溉對作物耗水的影響。冬小麥-夏玉米輪作體系下的灌溉制度和施肥制度如表1。,.,11,2 材料與方法,2.5 模型率定及敏感性

7、分析,農(nóng)業(yè)管理措施對灌區(qū)的水量平衡影響很大，尤其是ET模擬與農(nóng)業(yè)灌溉制度密切相關(guān)。為了顯示灌溉對實際蒸騰蒸發(fā)量的影響，本文在模型中設(shè)置了有灌溉和無灌溉兩種情景，用來對比灌溉對作物耗水的影響。冬小麥-夏玉米輪作體系下的灌溉制度和施肥制度如表1。,模型參數(shù)率定及驗證,參數(shù)敏感性分析,作物參數(shù)率定,2 材料與方法,Designed by Guild Design Inc.,2.5 模型率定及敏感性分析,.,13,2 材料與方法,2.5.1 作物參數(shù)率定,采用SWAT 模型自帶的率定模塊SCE-UA 方法，LAI、地上部生物量為目標(biāo)變量進行率定。,.,14,2 材料與方法,2.5.2 參數(shù)敏感性分析,

8、影響SWAT模型產(chǎn)匯流和蒸發(fā)過程的參數(shù)較多，敏感性分析能夠幫助識別最敏感的參數(shù)，提高模型的率定效率和準(zhǔn)確度。,.,15,2 材料與方法,2.5.3模型參數(shù)率定及驗證,本文采用20022005年月遙感ET數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定，20062008年的數(shù)據(jù)進行模型驗證。具體過程分為2個水平：一是在整個流域水平，即代表流域的平均狀況；二是各土地利用類型水平，即體現(xiàn)不同植被覆蓋間的差異性。本文用Nash效率系數(shù)（NS）、相關(guān)系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）3個指標(biāo)評價模型在研究區(qū)的適應(yīng)性。最終優(yōu)化的參數(shù)取值如表4。,.,16,3 結(jié)果與討論,3.1作物參數(shù)率定結(jié)果,表2給出了大興灌溉試驗站上冬小麥和夏玉米

9、作物參數(shù)的模型默認(rèn)值和率定值。圖3率定后的冬小麥、夏玉米的葉面積指數(shù)和地上部生物量的模型模擬值與實測值擬合的較好,.,17,3 結(jié)論與討論,3.1ET模擬結(jié)果分析,通過對冬小麥-夏玉米輪作灌溉制度設(shè)置、作物參數(shù)率定及敏感性分析，區(qū)域模擬值與遙感觀測ET的比較結(jié)果如圖4所示。,.,18,3 結(jié)果與討論,3.2 ET模擬結(jié)果分析,20022008年蒸騰蒸發(fā)量模擬值的7年平均值為485.21mm（見表5），比遙感監(jiān)測值偏低2.85%。其原因主要是一些年份降水量較少，模型設(shè)置灌溉量和實際灌溉量存在偏差。不同的土地利用形式下，蒸騰蒸發(fā)量變化顯著。,.,19,3 結(jié)果與討論,3.3 作物生長階段蒸散發(fā)規(guī)律

10、,農(nóng)田蒸散發(fā)模擬的關(guān)鍵在于模型中作物葉面積指數(shù)變化過程應(yīng)該符合作物實際生長過程。圖6是模型中2007年作物生長期間所受到的脅迫，圖7為SWAT模型模擬得到的典型冬小麥返青后和夏玉米生育期的葉面積指數(shù)和作物蒸騰蒸發(fā)量變化過程。,.,20,3 結(jié)果與討論,3.4 灌溉對作物蒸散發(fā)的影響,灌溉對區(qū)域水文循環(huán)影響很大，尤其影響實際蒸騰蒸發(fā)量和土壤剖面水分總量的準(zhǔn)確模擬。,.,21,3 結(jié)論,（1）結(jié)合遙感ET數(shù)據(jù)空間分辨率高的特點，水文模型能夠更好的模擬區(qū)域不同空間尺度和不同土地類型下的蒸散發(fā)，為分布式水文模型驗證提供了一種依據(jù)和方向。 （2）對于以農(nóng)業(yè)區(qū)為主的大興灌區(qū)，冬小麥和夏玉米是主要的作物。因此相對于河道參數(shù)，作物參數(shù)及ET相關(guān)參數(shù)的合理選取，模型中作物葉面積指數(shù)變化過程符合作物實際生長過程，才是區(qū)域水文循環(huán)模擬準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。 （3）灌溉制度對區(qū)域水文循環(huán)影響很大，尤其對華北地區(qū)冬小麥返青至成熟期間各月的實際蒸騰蒸發(fā)量影響顯著，但是對玉米生