黄玲玲，刘国东，向雪梅，吴 媛

(1． 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都610065;2. 中国电力工程顾问集团 电力设计院，成都610065;3. 四川省电力设计院，成都610065)

1 模型概述

陆面过程中考虑植被在土壤—植被—大气系统各界面之间能量、物质传输和交换过程中重要作用的物理—化学—生物联合模型统称为SVAT 模型［1］。SVAT 模型以Monteith － Perman 方程和Darcy 方程为基础，考虑植物叶片对不同波段辐射的选择吸收和反射以及植被冠层对蒸腾作用、水热转化和动量交换的影响等，对土壤—植物—大气连续体的水热交换过程进行统一的描述［2］。较有效的SVAT 模型有BATS、SiB、SiB2 和LEAF。

半个世纪以来，经过初期“水桶”模型、生物物理学模型及生物化学模型等阶段的研究和发展，SVAT模型已取得了显著的进展。模型用于研究土壤—植被—大气传输系统中的5 种水的转化关系，具体包括:大气水、植物水、地表水、土壤水和地下水，能够有效地反映植物耗水过程与生态需水间的规律、生态系统与局地气候间的反馈机制、土壤水分与植被生长的相互作用机制、以及区域植被演替规律，对生态环境的恢复与重建具有十分重要的意义，也是进行广义水资源评价的基础［3］。

2 模型的组成

SVAT 模型对陆面水循环、能量循环及其它物质循环过程进行模拟。按其对植被冠层处理方式的不同，可将模型分为单层、双层和多层模型3 种［4］。模型建立方法为，针对不同植被分层分别列出各自对应的水量平衡和能量平衡方程，分别求解其中的每一项，最后计算出土壤—植被—大气系统的水热通量。单层模型、双层模型和多层模型的相同之处在于均模拟了土壤和植被冠层的水热通量; 不同之处在于单层模型和双层模型对植被冠层内部水热循环过程的描述较为粗略，不易求解植被冠层的湍流交换系数和表面传导系数。

2.1 单层模型

单层模型将下垫面，即土壤—植被系统看作一个整体，仅仅描述下垫面与大气圈的交换，不考虑土壤—植被系统内部能量及水分的循环和相互作用，只能反映大气层和下垫面之间的水热交换过程［5］。其优点是计算简洁，因而广泛应用于各个领域，常用的模型是R. E. Dickinson 的单层大叶面模型BATS。模型中将土壤—植被系统看作是一个大叶片，首先由空气动力学阻抗及表面温度与气温的差值确定显热通量，然后由能量平衡方程计算蒸散。

2.2 双层模型

双层模型在单层模型的基础上更为完善，将下垫面中的植被冠层与土壤分开，分别考虑各自水分、能量和物质相互转化和作用的过程。模型对植被蒸腾与土壤蒸发分别进行计算，物理含义更为清晰。双层模型有P. J. Sellers 等SiB2 模型［6］。

2.3 多层模型

多层模型考虑了植被冠层微气候的差异，将冠层分成若干层，较精确地描述了冠层小气候、辐射分布以及叶气界面水热交换的过程，如P. J. Sellers 等的多层大叶面模型SiB［7］。

3 SVAT 模型耦合研究

3.1 热水耦合模型SHA W

热水耦合SHAW 模型是SWAT 模型中最有代表性的耦合模型之一［8］，由美国农业部北方流域研究中心Flerchinger 等人建立，它以大气层为上边界，以土壤层为下边界，模拟土壤、地表、积雪层、枯枝落叶层、林冠层和大气层之间的能量、水量和溶质通量的交换过程［9］。模型每一层均由一个节点表示，以日或时的时间步长分别计算各节点的水、热及溶质通量。

SHAW 的优点表现为:①有着清晰的数学表达，能够对方程式进行联立求解; ②模型参数易于确定，气象参数可从气象站获取，土壤植被特征参数也可通过实验获得。

模型计算主要应用以下方程。

3.1.1 系统上边界水热通量计算

主要输入气象参数，包括降水、湿度、温度、风速和太阳辐射。大气边界能量平衡公式为:

式中: Rn 为净辐射，W/m2; H 为感热通量，W/m2;LvE 为潜热通量，W/m2; G 为地表热通量，W/m2; Lv为蒸发潜热，J/kg; E 为从土壤表面和植被冠层的总蒸散发量，kg/m2·s。

3.1.2 土壤层—枯枝落叶层—植被冠层系统中的水热通量

1) 植被冠层的水热通量。植被冠层空气中的能量变化方程为:

式中:z 为从冠层顶垂直向下的距离，m; ρa为空气密度，kg/m3;ca为空气比热，J/kg·℃; ke为冠层内的传输系数，m2/s; Hl为植被( 叶子) 的热量传输，W/m3;T 为气温，℃;t 为时间，s。

SHWA 模型对植被冠层水量的模拟将根系吸水和植被蒸腾作为一个连续整体，假设植物体内水流的运动是稳定且连续的，植被蒸腾拉力为水分从根系运移至冠层空气层提供了主要动力。植被冠层空气中的水量通量表达式为:

式中: ρv为水汽密度，kg/m3; El为冠层内叶面蒸腾量，kg/s·m3。

2) 枯枝落叶层的水热通量。枯枝落叶层中能量通量的传输过程为:

式中:Cr和T 分别为枯枝落叶层的体积热容量( J/m3·℃) 和温度( ℃) ; kr为枯枝落叶层的热传导和热对流传输系数，W/m·℃; hrr为枯枝落叶层组成物的相对湿度; Pv为枯枝落叶层中的饱和水汽密度，kg/m3;rh为枯枝落叶层中组成物和空气之间的边界层阻力，s/m。

枯枝落叶层中水量通量的传输过程为:

式中: Kv为枯枝落叶层中水汽对流传输系数，m2/s;rvr为枯枝落叶层中组成物和空气之间的水汽传输阻力，s/m。

3) 土壤层的水热通量。土壤层中的能量通量传输方程为:

式中: Cs为土壤体积热容量，J/kg·℃; T 为土壤温度，℃; ks为土壤导热系数，W/m·℃; r1为水的密度，kg/m3; c1为水的比热，J/kg·℃; q1为液态水通量，m/s; qv为水汽通量，kg/m2·s。

SHAW 模型根据饱和土壤水分传输的达西定律和非饱和土壤水分传输的Richard 方程，模拟土壤内液态水和气态水的迁移转化，并考虑了温度的影响。其土壤层水量通量传输公式为:

式中: K 为土壤非饱和导水率，m/s; ψ 为土壤基质势，m; U 为土壤层中水通量的源汇项，m3/m3·s; θ1为土壤容积含水量，m3/m3。

3.1.3 方程求解

联立方程( 2) ～( 7) 进行计算，输入土壤参数、植被参数及气象参数，系统各节点间的水量和能量通量将相应发生变化。用Newton-Raphson 迭代法并建立Jacobian 矩阵可求解出系统各节点的状态变量［9］。

3.2 SVAT＆HYCY 模型

SVAT＆HYCY 模型是由日本的Fukushima1Ma等人提出的。模型利用SVAT 模块计算净雨量，HYCY 模块计算坡面产流，ROUTING 模块计算流域汇流。其计算过程是将流域划分为若干单元网格，在每一个单元网格上计算净降雨量，并进行坡面产流及汇流计算［10］。SVAT＆HYCY 模型具有大尺度的分布式水文模型结构，考虑了流域各处降水及地形、土壤、植被等下垫面因素的差异，因此，具有较为清晰的物理意义。

SVAT 模块是模型的基础，向SWAT 模块中输入植被叶水势等植被参数、土壤导水率等土壤参数、降水等气象参数，根据能量平衡方程和水量平衡方程模拟计算各单元网格内土壤—植被—大气( SVAT)系统中水量的变化和迁移转化。常采用Penman-Montieth 公式进行模拟，其核心内容是流域各单元网格的蒸散发计算，进而计算出各单元的净雨量。

由SVAT 计算出流域净雨量之后，再利用HYCY模块模拟流域产流过程。在HYCY 模块中，将径流组分分为河道径流、地表径流及地下基流3 部分，并概化为线性或非线性的水库，计算出流域各单元网格产流量。最后通过ROUTING 模块进行汇流演算，基于等流时线的概念，在确定各个单元到出口断面的汇流路径及出流时间后，将各单元网格的等流时线进行叠加，计算出流域汇流过程及流量。

3.3 SVAT 模型与遥感数据相耦合

SVAT 模型能够分层模拟土壤、植被、大气间的物质、能量传输过程，但并未考虑下垫面的不均匀性，下垫面往往因植被、土地利用、土壤类型、雪盖的不同而在小尺度范围内存在较大差异，下垫面的不均匀将对模型各层水量、能量状况产生较大影响。因此，针对不同的下垫面，应相应调整模型参数及计算方法，一个有效的方法是将模拟区域划分为足够小的单元网格，使各网格的地形、土地利用、植被和土壤类型等下垫面属性基本保持一致，分别进行模拟。另一方面，SVAT 模型的输入参数多，覆盖面广而凭借先进的遥感技术可多角度、高分辨率地获取土壤水分、地表温度、植被覆盖、叶面积系数、地表反射率等土壤、植被参数。SVAT 模型与遥感数据相耦合，对大尺度区域蒸散研究具有重要的价值。

强迫法主要将遥感数据在各时间步长和空间网格内进行插值计算，使其在时间上与SVAT 模型进行积分计算的步长保持一致，在空间上与模型的计算格网大小相一致。通过该方法，可使SVAT 模型实现网格模拟，有效避免由下垫面的不均匀性所带来的模拟误差。数据同化法考虑了数据观测在时空分布上的误差，在模型运行的动态过程中不断融合新的观测数据，生成时空一致的数据集。数据同化在SVAT 模型中的应用是将模型的输出结果输入辐射模型，通过计算和优化，选取辐射模拟值与遥感实测值差异最小的模型参数，该参数则是较优的SVAT 模型参数。通过数据同化，不但能找到较优的参数，也能反演出最优的参数集，这将较大程度地提高模型的模拟精度。

SVAT 模型与遥感数据相耦合可为模型模拟提供高质量的数据和计算方法，一方面，SVAT 模型所需参数的种类多，数量大，精度要求高［11］; 另一方面，SVAT 模型的参数获取较难达到连续性( 如观测1 次/h 的气象参数) 。此外，SVAT 模型本身的计算过程复杂，加之遥感数据同化的大规模计算，使其计算更为复杂、计算量更为庞大，因此，还需进行长期的探索与研究。

4 结 语

1) SVAT 模型分为单层模型、双层模型和多层模型3 种，其复杂程度不同。

2) 热水耦合SHAW 模型以大气层为上边界，以土壤层为下边界，模拟土壤、地表、积雪层、枯枝落叶层、林冠层和大气层之间的能量、水量和溶质通量的交换过程，具有物理意义清晰、方程易于求解、适应性强等优点。

3) SVAT＆HYCY 模型属于松散耦合型大尺度的分布式水文模型，利用SVAT 模块计算净雨量，HYCY 模块计算坡面产流，ROUTING 模块计算流域汇流，用于流域水文过程的模拟。

4) 遥感数据以“强迫法”或“数据同化法”与SVAT 模型相耦合估算地表通量，一定程度地提高模型的模拟精度，但由于模型在参数大量获取方面存在一定困难，且耦合后的模型计算量大，SVAT 模型与遥感数据的同化技术距实际应用还有一定距离，同时也有很大的发展空间。

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