本發(fā)明涉及水文模型，尤其涉及一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法、系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、分布式水文模擬是闡明流域水文過程、定量分析生態(tài)水文系統(tǒng)復(fù)雜動態(tài)的有效方法，廣泛應(yīng)用于評估用水效率、水資源管理及水文預(yù)測等方面。

2、在干旱灌區(qū)，人工改造后的農(nóng)田、零星的天然地、縱橫交錯的多級渠溝網(wǎng)絡(luò)，深刻地改變下墊面條件；同時，灌排活動又造成區(qū)域內(nèi)更加緊密的水力聯(lián)系與頻繁的水轉(zhuǎn)化及伴生過程(如土壤水-地下水交換、地下水的側(cè)向運(yùn)動及與排溝的水量交換、排溝的逐級排泄、鹽分隨著水分運(yùn)動遷移等)。因此，農(nóng)業(yè)水文過程非常復(fù)雜、難以精確模擬，針對農(nóng)業(yè)水文過程的研究也更加關(guān)注農(nóng)田土壤水(鹽)-作物模擬的精度，這是制定農(nóng)業(yè)用水管理的核心。且隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水措施(擴(kuò)大渠道襯砌程度、節(jié)水灌溉)的實(shí)施及對地下水-地表水的聯(lián)合管理，模擬現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)灌區(qū)比模擬采用傳統(tǒng)灌溉方式的灌區(qū)需要考慮更多的時空細(xì)節(jié)，對模擬精度的要求也更高。針對地下水淺埋灌區(qū)，高效精確地模擬農(nóng)業(yè)四水轉(zhuǎn)化過程，不僅對提高灌區(qū)自身用水效率有助益，更對實(shí)現(xiàn)流域水資源合理分配與利用具有重要意義。

3、然而針對地下水淺埋、受到人為影響較大的干旱灌區(qū)，現(xiàn)有的模擬方法在應(yīng)用時仍有不足之處：(1)一些被廣泛使用的概念模型對土壤水、地下水、地表水的時空動態(tài)模擬精度較低；(2)大部分模型對于干旱農(nóng)業(yè)流域的產(chǎn)-匯流過程刻畫不充分，缺乏針對灌區(qū)不同級別排溝匯流過程模擬的實(shí)用方法；(3)采用地表-地下全耦合方法的模型在地下水淺埋的農(nóng)業(yè)流域建模時，三維垂向土壤水動力學(xué)方程的強(qiáng)非線性會使求解精度和求解效率無法得到保證。由此可見，現(xiàn)有的模擬方法缺乏能夠從機(jī)理上統(tǒng)一刻畫地下水淺埋干旱灌區(qū)土壤水(鹽)-地下水-地表水運(yùn)移及植被生長耦合關(guān)系的能力，在實(shí)際中難以得到較好的應(yīng)用。

4、因此，亟需一種新的適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法、系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)，以更精確地模擬土壤水-地下水-地表水的時空動態(tài)及其之間的相互作用，以及伴生過程(鹽分遷移)和作物生長情況，滿足干旱灌區(qū)水文循環(huán)動態(tài)定量研究的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法、系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)，用以解決現(xiàn)有的模擬方法缺乏能夠從機(jī)理上統(tǒng)一刻畫地下水淺埋干旱灌區(qū)土壤水(鹽)-地下水-地表水運(yùn)移及植被生長耦合關(guān)系的能力，在實(shí)際中難以得到較好的應(yīng)用的缺陷。

2、本發(fā)明提供的一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法，包括：

3、s0、獲取待模擬灌區(qū)的渠道排溝數(shù)據(jù)、土壤水?dāng)?shù)據(jù)、地下水?dāng)?shù)據(jù)、地表水?dāng)?shù)據(jù)、種植結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；

4、s1、根據(jù)待模擬灌區(qū)的渠道排溝數(shù)據(jù)和種植結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，將待模擬灌區(qū)劃分為若干個子流域以及將若干個子流域中的每個子流域按照土地類型和種植結(jié)構(gòu)劃分為若干個水文響應(yīng)單元，并對每個水文響應(yīng)單元的非飽和帶土壤水鹽運(yùn)移過程進(jìn)行模擬；

5、s2、根據(jù)待模擬灌區(qū)的地下水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合渠道滲漏、排溝排水和土壤水對地下水的影響，利用改進(jìn)型地下水流模型對待模擬灌區(qū)的地下水動態(tài)進(jìn)行模擬；

6、s3、根據(jù)待模擬灌區(qū)的地表水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合子流域內(nèi)地表徑流量、低級別排溝排水量和地下水對待模擬灌區(qū)的地表水流的影響，對待模擬灌區(qū)的地表水流的匯流演進(jìn)過程進(jìn)行模擬；

7、s4、利用改進(jìn)型農(nóng)作物生長模型對待模擬灌區(qū)的農(nóng)作物生長情況進(jìn)行模擬，將其與土壤水鹽模擬過程緊密耦合，得到待模擬灌區(qū)的四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬模型；

8、s5、基于s1-s4的模擬結(jié)果，利用時空耦合法將待模擬灌區(qū)的土壤水、地下水、地表水之間的相互作用進(jìn)行耦合模擬。

9、根據(jù)本發(fā)明提供的一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法，s1包括：

10、利用垂向土壤水動力學(xué)方程對若干個水文響應(yīng)單元中的每個水文響應(yīng)單元的垂向一維水流運(yùn)動進(jìn)行模擬；

11、利用溶質(zhì)運(yùn)移方程對若干個水文響應(yīng)單元中的每個水文響應(yīng)單元的土壤中溶質(zhì)運(yùn)移過程進(jìn)行模擬；

12、其中，垂向土壤水動力學(xué)方程為：

13、

14、垂向土壤水動力學(xué)方程中，θ表示土壤體積含水率(cm3?cm-3)；t表示時間(day)；z表示地面以下深度(cm，向上表示正)；sa表示土壤水源匯項(xiàng)(cm3?cm-3d-1，即根系吸水)；hs表示土壤壓力水頭(cm)；k(hs)表示土壤導(dǎo)水率(cm?d-1)；

15、溶質(zhì)運(yùn)移方程為：

16、

17、溶質(zhì)運(yùn)移方程中，θ表示土壤體積含水率(cm3?cm-3)；ρb表示土壤干容重(g?cm-3)；q表示節(jié)點(diǎn)間土壤水通量(cm?d-1)；c表示土壤鹽分濃度(g?l-1)；z表示地面以下深度(cm，向上表示正)；ddif表示溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)(cm2?d-1)；ddis表示水動力彌散長度(cm)；q表示土壤吸附溶質(zhì)的量(g?g-1)；ss表示溶質(zhì)源匯項(xiàng)(g?cm-3d-1)。

18、根據(jù)本發(fā)明提供的一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法，s2包括：

19、利用變給水度公式更新待模擬灌區(qū)的給水度；

20、利用渠道滲漏量公式得到待模擬灌區(qū)內(nèi)低級別渠道的渠道滲漏量；

21、結(jié)合更新后的給水度和待模擬灌區(qū)內(nèi)低級別渠道的渠道滲漏量和通過s1得到的土壤水與地下水的交換量，利用改進(jìn)型地下水流模型通過三維地下水流運(yùn)動方程對待模擬灌區(qū)的地下水動態(tài)進(jìn)行模擬；

22、其中，變給水度公式為：

23、

24、變給水度公式中，sy表示更新后的給水度；θs、θr分別表示飽和含水率和殘余含水率(cm3?cm-3)；d表示地下水埋深(m)；α(cm-1)和n(-)表示形狀經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；d0表示地下水埋深的臨界值，sycons表示在d0之上給水度被假定表示傳統(tǒng)的常數(shù)(m)；

25、渠道滲漏量公式為：

26、

27、渠道滲漏量公式中，csk表示第k個水文響應(yīng)單元內(nèi)的渠道滲漏量(mm?d-1)；kc,sat表示渠底的有效飽和導(dǎo)水率(mm?d-1)；x表示濕周(m)，根據(jù)每個水文響應(yīng)單元中給定的灌溉水量估算；lc,k表示第k個水文響應(yīng)單元內(nèi)的渠道長度(m)；ak表示第k個水文響應(yīng)單元的面積(m2)；

28、三維地下水流運(yùn)動方程為：

29、

30、三維地下水流運(yùn)動方程中，kxx、kyy和kzz分別表示沿x、y和z坐標(biāo)軸的水力傳導(dǎo)率(md-1)；h表示地下水水頭(m)；t表示時間(day)；w表示源匯項(xiàng)(m)，表示單位時間從單位體積含水層流入或流出的水量；sy和ss分別表示孔隙介質(zhì)的給水度和儲水系數(shù)(m-1)。

31、根據(jù)本發(fā)明提供的一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法，s3包括：

32、利用hooghoudt方程得到子流域內(nèi)地表徑流量和低級別排溝排水量；

33、結(jié)合子流域內(nèi)地表徑流量、低級別排溝排水量和通過s2得到的含水層-河段交換量對待模擬灌區(qū)的地表水流的影響，利用一維擴(kuò)散波方程對待模擬灌區(qū)的地表水流的匯流演進(jìn)過程進(jìn)行模擬；

34、其中，hooghoudt方程為：

35、

36、mm＝dd-gwdj-1，

37、

38、hooghoudt方程中，qg表示排水量(m?d-1)，其中，qg,hru和qg,sub分別表示水文響應(yīng)單元和子流域的排水量；gwd為地下水埋深(m)；j為模擬日期(-)；ke表示側(cè)向?qū)?m?d-1)；mm表示地下水面排水高程(m)；de表示等效深度(m)；dd表示不透水層深度(m)；ld表示排水溝間距(m)；nhru表示子流域中水文響應(yīng)單元的數(shù)量；ahru表示水文響應(yīng)單元的面積(m2)；

39、一維擴(kuò)散波方程為：

40、

41、一維擴(kuò)散波方程中，v表示任意控制體的體積(m3)；t表示時間(天)；nconn表示控制體的連接數(shù)；a表示橫截面積(m2)；h表示基準(zhǔn)面以上的地表水位(m)；x表示空間坐標(biāo)(m)；qlat表示源匯項(xiàng)(即子流域內(nèi)地表徑流量和低級別排溝排水量，m3?d-1)的體積流量；qpr表示降雨量(m3?d-1)；qev表示蒸發(fā)量(m3?d-1)；qaq表示含水層-河段交換量(m3?d-1)；dmi表示一個非線性擴(kuò)散項(xiàng)(m?d-1)。

42、根據(jù)本發(fā)明提供的一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法，s4包括：

43、利用改進(jìn)型農(nóng)作物生長模型，通過潛在根系吸水量表達(dá)式、實(shí)際根系吸水量表達(dá)式、實(shí)際蒸騰速率表達(dá)式、植物生長調(diào)節(jié)因子表達(dá)式，得到待模擬灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物的潛在根系吸水量、實(shí)際根系吸水量、實(shí)際蒸騰速率、植物生長調(diào)節(jié)因子；

44、根據(jù)待模擬灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物的潛在根系吸水量、實(shí)際根系吸水量、實(shí)際蒸騰速率、植物生長調(diào)節(jié)因子，對待模擬灌區(qū)的農(nóng)作物生長情況進(jìn)行模擬，并將其與土壤水鹽模擬進(jìn)行耦合，得到待模擬灌區(qū)的動力學(xué)耦合模擬模型；

45、其中，潛在根系吸水量表達(dá)式為：

46、

47、潛在根系吸水量表達(dá)式中，sp表示特定節(jié)點(diǎn)z處的潛在根系吸水量(cm?d-1)；droot表示當(dāng)天根系最深深度(cm)；tp表示不受水鹽脅迫的潛在植物騰發(fā)量(cm?d-1)，是利用葉面積指數(shù)(lai)將潛在蒸散量(etp，cm?d-1)劃分表示潛在土壤蒸發(fā)量(ep，cm?d-1)和植物蒸騰量(tp，cm?d-1)所得；iroot表示特定節(jié)點(diǎn)z深度處的根長密度(cm?cm-3)；

48、實(shí)際根系吸水量表達(dá)式為：

49、sa(z)＝αrw·αrs·sp(z)，

50、實(shí)際根系吸水量表達(dá)式中，sa表示特定節(jié)點(diǎn)z處實(shí)際根系吸水量(cm?d-1)；αrw(-)和αrs(-)分別表示水分脅迫和鹽分脅迫折減系數(shù)；

51、實(shí)際蒸騰速率表達(dá)式為：

52、

53、實(shí)際蒸騰速率表達(dá)式中，ta表示實(shí)際蒸騰速率(cm?d-1)；sa表示特定節(jié)點(diǎn)z處實(shí)際根系吸水量(cm?d-1)；droot表示當(dāng)天根系最深深度(cm)；

54、植物生長調(diào)節(jié)因子表達(dá)式為：

55、γreg＝1-max(αrwαrs,strst)，

56、植物生長調(diào)節(jié)因子表達(dá)式中，γreg表示植物生長調(diào)節(jié)因子，即在給定的一天內(nèi)實(shí)現(xiàn)的潛在生長的一部分；αrw(-)和αrs(-)分別表示水分脅迫和鹽分脅迫折減系數(shù)；strst表示溫度脅迫系數(shù)(-)。

57、根據(jù)本發(fā)明提供的一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法，s5包括：

58、基于s1-s4的模擬結(jié)果，在時間的維度上，結(jié)合順序耦合和迭代耦合，對待模擬灌區(qū)的土壤水、地下水、地表水之間的相互作用進(jìn)行耦合模擬；

59、在空間的維度上，利用映射表達(dá)式，對待模擬灌區(qū)的土壤水、地下水、地表水之間的相互作用進(jìn)行耦合模擬；

60、其中，映射表達(dá)式為：

61、

62、映射表達(dá)式中，rechgrid表示地下水模擬中每個地下水網(wǎng)格的每日累計垂直凈補(bǔ)給量(m)；ndhru表示與地下水網(wǎng)格重疊的dhru數(shù)量，dhru表示由hru分解的獨(dú)立的子水文響應(yīng)單元；csdhru,p和分別為分解的獨(dú)立的子水文響應(yīng)單元的土壤底部通量、渠道滲漏量和排水量(mm)；aoverlap表示重疊面積(m2)；agrid表示地下水網(wǎng)格的面積(m2)，gwdgrid表示各地下水網(wǎng)格的地下水埋深(m)；ngrid表示與地下水格網(wǎng)重疊的dhru數(shù)；adhru和ahru分別表示dhru和hru的面積(m2)；gwddhru和gwdhru分別表示dhru和hru的地下水埋深(m)。

63、根據(jù)本發(fā)明提供的一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法，所述在時間的維度上，結(jié)合順序耦合和迭代耦合，對待模擬灌區(qū)的土壤水、地下水、地表水之間的相互作用進(jìn)行耦合模擬，包括：

64、采用順序耦合的方式求解待模擬灌區(qū)的非飽和帶土壤水鹽運(yùn)移過程和地下水動態(tài)；

65、采用迭代耦合的方式求解待模擬灌區(qū)的地下水動態(tài)和地表水流的匯流演進(jìn)過程直至符合預(yù)設(shè)收斂標(biāo)準(zhǔn)；

66、利用映射表達(dá)式，從空間上對待模擬灌區(qū)的土壤水、地下水、地表水之間的相互作用進(jìn)行耦合模擬；

67、其中，預(yù)設(shè)收斂標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)式為：

68、

69、預(yù)設(shè)收斂標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)式中，qaqii表示地表水模擬的當(dāng)前外部迭代對河段ii的含水層-河段交換量(m3?d-1)；qmfii表示地下水模擬的當(dāng)前外部迭代對河段ii的含水層-河段交換量(m3?d-1)；faqmax表示預(yù)設(shè)的含水層-河段交換量在任何河段中允許的最大相對差異；nr表示地表水?dāng)?shù)據(jù)集中的河段數(shù)。

70、本發(fā)明還提供一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬系統(tǒng)，包括：

71、數(shù)據(jù)獲取模塊，用于執(zhí)行s0：獲取待模擬灌區(qū)的渠道排溝數(shù)據(jù)、土壤水?dāng)?shù)據(jù)、地下水?dāng)?shù)據(jù)、地表水?dāng)?shù)據(jù)、種植結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；

72、土壤水模擬模塊，用于執(zhí)行s1：根據(jù)待模擬灌區(qū)的渠道排溝數(shù)據(jù)和種植結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，將待模擬灌區(qū)劃分為若干個子流域以及將若干個子流域中的每個子流域按照土地類型和種植結(jié)構(gòu)劃分為若干個水文響應(yīng)單元，并對每個水文響應(yīng)單元的非飽和帶土壤水鹽運(yùn)移過程進(jìn)行模擬；

73、地下水模擬模塊，用于執(zhí)行s2：根據(jù)待模擬灌區(qū)的地下水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合渠道滲漏、排溝排水和土壤水對地下水的影響，利用改進(jìn)型地下水流模型對待模擬灌區(qū)的地下水動態(tài)進(jìn)行模擬；

74、地表水模擬模塊，用于執(zhí)行s3：根據(jù)待模擬灌區(qū)的地表水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合子流域內(nèi)地表徑流量、低級別排溝排水量和地下水對待模擬灌區(qū)的地表水流的影響，對待模擬灌區(qū)的地表水流的匯流演進(jìn)過程進(jìn)行模擬；

75、農(nóng)作物生長模擬模塊，用于執(zhí)行s4：利用改進(jìn)型農(nóng)作物生長模型對待模擬灌區(qū)的農(nóng)作物生長情況進(jìn)行模擬，將其與土壤水鹽模擬過程緊密耦合，得到待模擬灌區(qū)的四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬模型；

76、耦合模擬模塊，用于執(zhí)行s5：基于s1-s4的模擬結(jié)果，利用時空耦合法將待模擬灌區(qū)的土壤水、地下水、地表水之間的相互作用進(jìn)行耦合模擬。

77、本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括處理器和存儲有計算機(jī)程序的存儲器，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時實(shí)現(xiàn)上述任一種所述的適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法。

78、本發(fā)明還提供一種非暫態(tài)計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機(jī)程序，該計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)上述任一種所述的適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法。

79、本發(fā)明還提供一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計算機(jī)程序產(chǎn)品包括計算機(jī)程序，計算機(jī)程序可存儲在非暫態(tài)計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上，所述計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時，計算機(jī)能夠執(zhí)行上述任一種所述的適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法。

80、本發(fā)明提供的一種適用于干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長的動力學(xué)耦合模擬方法、系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)，采用動力學(xué)方程準(zhǔn)確模擬土壤水(鹽)-地下水-地表水動態(tài)及采用改進(jìn)型農(nóng)作物生長模型模擬植被生長過程，并依靠高效的時空耦合方法合理描述各個水系統(tǒng)在時間和空間上復(fù)雜的相互作用，精確地模擬干旱地下水淺埋灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化及植被生長過程。本發(fā)明合理考慮干旱灌區(qū)內(nèi)的各種農(nóng)藝及土地管理措施(如地表覆蓋、土堤、渠道、排溝等)對水轉(zhuǎn)化的影響，同時考慮由于地下水淺埋導(dǎo)致的土壤鹽漬化對植物根系吸水和生長的影響。本發(fā)明在模擬精度和計算效率方面具有顯著優(yōu)勢，且操作簡單方便、并能提供清晰的結(jié)果輸出，具備極強(qiáng)的實(shí)用性。