[發明專利]一種考慮雨水資源承載力的植被恢復規劃方法

有效

• 申請號: 202111094890.3
• 申請日: 2021-09-17
• 公開（公告）號: CN113780858B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發明（設計）人: 張寶慶;李垚;吳普特;趙西寧
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: G06Q10/0637
• 分類號: G06Q10/0637;G06Q50/26;G06F30/20
• 代理公司: 上海段和段律師事務所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

1.一種考慮雨水資源承載力的植被恢復規劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、驅動驗證改進的Shuttleworth-Wallace模型

通過模型驅動數據和模型驗證數據，驅動并驗證改進的Shuttleworth-Wallace模型，所述模型驅動數據包括氣象數據、土壤數據和植被數據，氣象參數包括蒸發潛熱λ，單位MJ/kg；地表凈輻射R_n，單位W/m²；地表熱通量G，單位W/m²；飽和水汽壓隨溫度變化的斜率Δ，單位kPa/℃；空氣密度ρ，單位kgm^-3；飽和水汽壓差D，單位kPa；干濕球常數γ，單位kPa℃^-1；

驅動驗證改進的Shuttleworth-Wallace模型包括以下步驟：

第一步、處理待輸入的數據

將所使用的氣象數據、植被數據和土壤數據統一處理到時間分辨率相同、同樣大小的網格中，并對Shuttleworth-Wallace模型計算所需要的各類氣象參數進行計算；

第二步、阻力參數計算

計算Shuttleworth-Wallace模型中使用的五個阻力參數：地面到冠層高度間的空氣動力學阻力和冠層高度到參考高度間的空氣動力學阻力土壤表面阻力冠層邊界層阻力冠層氣孔阻力其中，冠層氣孔阻力通過整合了添加二氧化碳影響因子的Jarvis模型計算得到；

五個阻力參數的公式分別為：

其中，h_c是植被冠層高度，單位m；K_h為冠層頂部渦擴散系數，單位m²s^-1；z_0g為地表粗糙度長度，單位m；Z₀是參考粗糙度長度，單位m；d_p是參考零平面位移，單位m；n是植被的渦流擴散衰減常數；

其中，k是von?Karman常數，u_*為摩擦速度，單位ms^-1；Z_a是參考高度，單位m；d₀為零高度到冠層的平面位移，單位m；h_c是植被冠層高度，單位m；K_h為冠層頂部渦擴散系數，單位m²s^-1；n是植被的渦流擴散衰減常數，Z₀是參考粗糙度長度，單位m；d_p是參考零平面位移，單位m；

其中，n是植被的渦流擴散衰減常數，l_w是葉寬，單位m；u_h為冠層高度風速，單位m/s；

其中，LAI_active是有效葉面積指數，單位m²/m²；r_STmin是理想條件下的最小氣孔阻力，單位s/m；F_i(X_i)是阻力函數；

其中，α_s及θ_min均為經驗參數，θ為土壤含水量；

有效葉面積指數LAI_active和五個阻力函數的計算公式如下：

F₃(T)＝1-1.6×10^-3(298-T)²

其中，PAR是光合有效輻射，單位W/m²；取總凈輻射的0.6倍，CO_2ref為參考二氧化碳濃度，單位ppm；b、c、d為經驗參數，b取0.663，低矮植物的c取100，高大植物的c取400，d＝1+c/1000，θ、θ_f和θ_r分別為土壤含水量、土壤田間持水量和凋萎系數，D為飽和水汽壓差，單位kPa；

冠層頂部渦擴散系數K_h，單位m²s^-1；摩擦速度u_*，單位ms^-1；零高度到冠層的平面位移d₀，單位m，植被的渦流擴散衰減常數n，植被冠層高度h_c，單位m；參考粗糙度長度Z₀，單位m；參考零平面位移d_p，單位m；參考高度Z_a，單位m；葉寬l_w，單位m；計算公式如下：

K_h＝ku_*(h_c-d₀)

Z₀＝0.13h_c

d_p＝0.63h_c

Z_a＝h_c+2

其中，u_a指參考高度Z_a上的風速，z₀、z_0g和z_0c分別是粗糙度長度、地表粗糙度長度和植被粗糙度長度，單位m；LAI是植被葉面積指數，單位m²/m²；LAI_max為植被歷史最大葉面積指數，單位m²/m²；c_d為單個葉片的平均阻力系數，h_cmax是冠層最大高度，單位m；h_cmin是冠層最低高度，單位m；c_d、z₀、z_0c的計算公式如下：

z₀＝min{0.3(h_c-d₀)，z_0g+0.3h_c(c_dLAI)^0.25}

第三步：改進的Shuttleworth-Wallace模型模擬和驗證

Shuttleworth-Wallace模型的主干公式為：

其中，蒸發潛熱λ＝2.501-0.002361×T，單位為MJ/kg；T為氣溫，單位℃；ET代表總的蒸散發，單位mm，C_c和C_s分別為植被和土壤的蒸發權重系數，PM_c和PM_s分別是封閉冠層及裸土條件下，由Penman-Monteith模型計算得到的蒸散發熱通量，單位W/m²；

輸入第一步和第二步中計算得到的氣候、土壤、植被參數和阻力參數，構建Shuttleworth-Wallace模型，計算用于校準和驗證的區域蒸散發量ET，并對結果通過相關系數R、均方根誤差RMSE進行驗證；

步驟二、估算雨水資源的植被最大承載力

在選定的植被類型下，采用步驟一改進的Shuttleworth-Wallace模型，分別計算選定植被的LAI從0到最大值變動時相應的總蒸散發量ET，當總蒸散發量ET等于基準降水量時，對應的LAI為基于雨水資源的植被最大承載力；

步驟三、植被的固碳能力和水分利用效率估算

利用步驟二中植被最大承載力對應的蒸散發量，估算植被的固碳能力和水分利用效率；

步驟四、生態恢復規劃

根據步驟二估算的雨水資源的植被最大承載力和步驟三估算的植被的固碳能力和水分利用效率，提供對應區域植被的生態恢復和植樹造林的理論上限，制定生態恢復規劃方案。