塔里木河下游胡杨林耗水数值模型.docx

塔里木河下游胡杨林耗水数值模型苏里坦1，关东海2，王兴勇3，赵天宇1(1．中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆乌鲁木齐830011;2．新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐830049;3．中国水利水电科学研究院水力学研究所，北京100038)摘要:基于SHAW(SimultaneousHeatandWater)模型，以基本观测要素、植被参数和土壤剖面水热观测数据为模型的输入，对河岸胡杨林的耗水过程、土壤剖面水分变化和能通量进行了较小时间尺度上的模拟研究。结果表明，采用SHAW模型模拟的胡杨耗水量与观测值间存在较大偏差。因此，为了进一步提升水热耦合SHAW模型在干旱区的实用性，引入了地下水位因子GSI(Groundwater-SoilwaterInteraction)，建立了改进的SHAW(GSI-SHAW)模型，解决干旱区荒漠河岸林耗水过程模拟的方法问题。采用SHAW模型和GSI-SHAW模型对胡杨耗水量的模拟进行了对比研究。结果显示，SHAW模型和GSI-SHAW模型模拟的胡杨耗水量与观测值的相关性系数分别为0.8533、0.9075，其平均相对误差分别为21.4%、16.9%，可见，改进的SHAW模型的模拟值更加接近试验观测值。地下水位的考虑一定程度上提升了传统SHAW模型的模拟精度，为干旱区自然植被耗水量的计算提供了新的方法和科学依据。关键词:胡杨林;耗水;改进SHAW模型;塔里木河下游;中国西北干旱区中图分类号:P343.1文献标志码:A文章编号:1001-6791(2014)04-0511-07塔里木河流域的水文过程控制着生态过程，对流域生态系统的稳定性有着直接影响。作为干旱区生态系统的重要组成部分，胡杨林主要依赖于地下水和地表水，而在塔里木河下游几乎无降水，地下水则成为维系胡杨林生长的唯一水源。植被生态需水量的估算基础是植被的耗水量，所利用的基础数据是由许多单株植物个体组成的种群或群落乃至生态系统所消耗的水量。植被耗水是生态耗水研究的重要研究内容之一，植被耗水的研究既是干旱区自然生态系统保护的紧迫需要，同时也是生态水文学发展的需要。1991年Flerchinger和Pierson［1］首次提出了SHAW(SimultaneousHeatandWater)模型，SHAW模型的优点是水热耦合传输过程建立在植物-积雪-残留-土壤系统，而不是SPAC系统。20世纪80年代后，国内外有些学者进行了考虑自然植被影响的陆面水分耗散过程的研究［2-7］，这些研究给自然植被耗水的研究提供了很多研究思路和方法。近几年，基于自然植被的地表水与地下水转化研究成了水文学及生态学方面研究的热点问题［8］。Eva等［9］用水量平衡法估算了胡杨林的年耗水量。不过此算法是建立在均匀下垫面下，忽略了自然植被种类不同、盖度分布不均等空间变异性对耗水量计算精度的影响。郭斌等［10］采用定额法和潜水蒸发法估算了塔里木河干流生态需水量，其算法是某一类型植被的面积乘以其平均生态需水定额，较粗略地预测了生态需水量，并未进行模型的检验或可靠性分析。笔者基于SHAW模型，引入地下水位因子，建立改进的SHAW模型，提升植被耗水量的计算精度，解决干旱区荒漠河岸林耗水过程模拟的方法问题，揭示地下水因子对SHAW模型的贡献率。材料与方法研究区概况研究区位于塔里木河下游上端达西库勒胡杨林管护站附近的天然胡杨林生长带(85°3248″E，40°5919″11.1N，海拔906m)，多年平均降水量为50mm，最高日均气温达30℃，最低日均气温为－15℃，夏季日均太阳收稿日期:2013-08-13;网络出版时间:2014-04-10网络出版地址:/kcms/detail/32.1309.P0951.014.html基金项目:国家自然科学基金资助项目作者简介:苏里坦(1972—)，男，新疆霍城人，副研究员，博士，主要从事地表水文过程研究。E-mail:sulitan@512水科学进展第25卷辐射为260～350W/m2，而冬季日均太阳辐射为80～100W/m2，以国家林业局塔里木河天然胡杨林管护站为依托，重点研究天然胡杨林耗水过程，研究区具有很好的代表性。试验区面积为200m×200m，胡杨林覆盖度为32%。塔里木河下游实验区土壤类型为砂质壤土，其测定的饱和含水率为43.5%。观测要素的测定方法供试胡杨为3种不同年龄胡杨(幼龄、中龄和成熟);根系层土壤水热分布采用Hydra土壤水、热、盐同步测定仪测定，根层探头埋设深度分别为5cm、20cm、60cm和100cm;胡杨茎干蒸腾速率采用SF-L(SapFlow，USA)型插针式茎流计系统测定;太阳净辐射、冠层顶大气温度、湿度、降雨量和风速等气象数据采用Hobo自动气象