森林生态系统水循环模型

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contributed at 2018-12-04

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岳天祥编著
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Geography SubjectPhysical GeographyEcosystem

Detailed Description

森林生态系统水循环模型

将整个生态系统抽象看成由五个分室构成即:乔木层、草本层、畦、沟坡和沟底。

(1)     地上部分水分的运动过程:

  天然降雨直接进入乔木、草本层以及沟坡和沟底,并且水分以蒸发或蒸腾的形式从这5个分室回归到大气之中。根据这些分室中水分平衡状态可得到如下矩阵方程:

            

式中,R为天然降雨量;Dc为乔木的覆盖度;TA为实验地的总面积;EVP为蒸发量;为降雨被乔木截留部分;为降雨被草本层截留部分;为畦的面积;;为沟坡的面积;ADB为沟底的面积;TR为实验地内总的降雨量;Q1为降雨被乔木截留后剩余的部分;Q2为由输入沟坡的水流;Q3为由沟坡输入沟底的水流;Q4为由沟底输出的水流。

      由上式可得:

  

      ,则在单位面积上雨水被植被(乔木、草本)截留后的剩余量可用下式来模拟:

          

       如果再加入变量:以i表示日变量,j表示一天内以2h为单位的变量,那么可改写成:

          

       当暴雨产生时,土壤亚表层水分可能达到极大值(GMI),这是土壤表层水分已经充分饱和就有可能产生地表漫流:

             

式中,c是常数,它与地形和土壤的性质有关;t是从开始漫流的时间的延迟。

(2)     地下部分水分运动过程的模拟:

1)      畦:

式中,QG是地下水量;SI是亚表层储水量。

      地下水量可由下列方程计算:

                     

式中,RG是土壤蓄水量常数。

       以上过程能以下列公式进行模拟:

              

     当土壤表面水分完全饱和时,亚表层储水层(SI)就会达到极大值。如果SI大于GMI,那么就会在土壤表面产生过剩的水流,即:

              

式中,SRI是表面流。

      亚表层储水量(QI)方程式中,间流直线相关,即:

              

2)      沟坡过水面积计算公式:

      

3)      沟底饿水文过程:

首先仅考虑进入沟底的地下水:

      

如果由上式计算出的DSB(i,j)为负值,则意味着饱和状态下有剩余水存在。这时就会有地下水产生:

           

式中,

(3)     总净流量的模拟:

1)      降雨被截留后的地表径流的计算:

2)      2h为单位的总净流量的模拟:

  

式中,QT是单位时间内的总径流量,其单位是mm.h-1

(4)     对模拟的检验:

  首先引入下列方程(Doglas1974):

             

式中,F值是n时间间隔内的径流量模拟值与观测值差的平方和;QT是模拟的径流量;QOB是实际观测的流量。

     实际观测径流量的方差能用观测值与其均值差的平方来表示:

            

式中,sumn观测径流量之和。模拟误差最后由下式计算:

              

式中,EFF又叫模拟效率,常用来检验一个系统内水分循环过程的模拟效果。

参考文献:

    李飞:南苏格兰森林生态系统水分循环的模拟。自然资源学报,62

How to cite

《资源环境数学模型手册》 (2018). 森林生态系统水循环模型, Model Item, OpenGMS, https://geomodeling.njnu.edu.cn/modelItem/c2ad13f2-fd2d-45de-8c0e-d747c352a20b
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