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黑河流域地处中国西北河西走廊,是典型的中国西北干旱区。水资源问题一直是该地区经济社会发展的障碍。近年来,随着工农业的快速发展,这一问题更加突出。土壤水分是黑河流域陆表水中极其重要的组成部分,是连接地气之间水分交换、能量平衡的纽带,更是农作物和牧草生长的关键因子。因此,在黑河流域开展土壤水分研究具有重要的科学意义和应用价值。
本论文以黑河流域表层土壤水分为研究目标,分别以热惯量遥感反演和BBH模型模拟为研究方法,以MODIS地表温度和地表反射率产品、黑河中上游自动气象站观测资料、土壤质地数据(HWSD)等为基础,分别获取了站点尺度和流域尺度上的土壤热惯量、土壤水分。主要的研究工作包括以下三个方面:
1)以MODIS地表温度产品和地表反射率数据为基础,从土壤热传导方程出发,建立真实热惯量模型,在反演了模型中昼夜最大温差、地表反照率等关键参数的基础上,反演得到了黑河流域的土壤热惯量,为研究流域土壤水分提供了可靠方法和数据。利用地面站点的四分量辐射、土壤温度、土壤热通量等数据估算了地表温度、反照率、土壤热传导率和土壤热容等,验证了各反演结果。在此基础上,分析了地表昼夜最大温差、地表反照率及土壤热惯量的季节变化规律和空间分布特征,对比了真实热惯量模型与表观热惯量模型的反演结果与土壤水分的相关性。结果表明:地表昼夜最大温差、地表反照率及土壤热惯量都具有明显的季节变化特征;土壤热惯量受土壤水分等控制,呈现出中上游相对较高,下游很低的空间分布格局;真实热惯量较表观热惯量与土壤水分更相关,因此真实热惯量模型更适合土壤水分的反演。
2)在黑河流域土壤热惯量反演的基础上,利用土壤质地数据,提取土壤含沙量、孔隙率、容重等参数,根据经验模型计算土壤热传导率、土壤热容等参数,再分别根据经验公式和土壤热惯量的定义计算了干土和饱和土的热惯量。将计算出的土壤热惯量与遥感反演的土壤热惯量进行归一化处理,得到归一化函数,根据土壤收缩曲线,推算了土壤含水量,从而达到反演土壤水分的目的。利用站点观测的土壤水分对遥感反演结果进行了验证,结果表明,真实热惯量模型反演的土壤水分与实测的土壤水分有一定的相关性,两者具有一致的变化趋势。土壤水分的趋势变化分析表明:黑河流域土壤水分受降雨、蒸发、灌溉、径流等因素影响,具有明显的季节性变化特征;土壤水分还呈现中上游含量较高,下游含量低的空间分布格局。
3)利用黑河中上游两个自动气象站的观测资料,采用BBH(Bucket with a Bottom Hole)模型模拟计算了中游农田和上游草地下垫面的土壤水分,并与实测数据进行了对比,模拟误差不超过5％,模拟值的变化趋势和实测值趋势一致。表明该模型模拟流域土壤水分有一定的精度,能够满足农田水分预测和灌溉需水分析的要求,而且该模型需要的参数较少,计算过程简单,获取数据容易,能够满足不同下垫面的土壤水分的模拟要求,具有一定的实用意义。采用参数同定法对模型的参数进行了敏感性分析,确定了模型参数的适用范围和敏感程度。并在结合模型模拟与实际观测的基础上,探讨了农田和草地土壤水分的变化规律,结果发现,土壤水分冬春两季变化平缓,夏秋两季变化剧烈。