基于生态最优性原理的分布式流域生态水文模型研究

Watershed eco-hydrological model is an important tool for watershed management which has been a hot research focus in recent years. The traditional ecohydrological models have the deficit in coupling ecological and hydrological processes. Recently, ecological optimality has been introduced to ecohydrology research which has given rise to a novel framework for modeling ecohydrological process. However, this work is limited to plot scale which only considers one-dimensional soil moisture on vegetation dynamic. The absence of lateral water movement makes the ecological optimality based model inaccurate to represent the relationships between hydrology and vegetation. This project aims to build a new ecological optimality based watershed ecohydrological model which overcomes the above problems. The basic concept of this model is to incorporate the lateral hydrological process to a ecological optimality based vegetation model VOM to realistically describe the coupling of hydrological and ecological processes. The optimality based ecohydrological model may overcomes the problem of VOM model in neglecting lateral hydrological process and the problem of traditional watershed ecohydrological models in depict ecological and hydrological coupling.

流域生态水文模型是生态水文研究和水资源管理的重要工具。现有的流域生态水文模型，对植被与水文过程之间相互作用及动态耦合关系刻画较简单，导致生态水文过程模拟因缺乏动态反馈造成偏差。新兴的基于生态最优性原理的生态水文模型，从植被与水文过程相互作用机制出发，根据最优性原理合理刻画植被与水文过程的相互作用及动态耦合机制，但目前模型仅局限于田间尺度，只考虑垂向的土壤水运动过程，未考虑侧向水文过程的影响，限制了模型对植被与水文过程相互作用及其动态耦合机制的定量刻画。本研究针对以上问题，以生态最优性原理为基础，以栅格为计算单元，构建全分布式的模拟框架，设计栅格分层的策略实现侧向水文过程与生态最优性模型的耦合，在生态最优性原则定量中充分考虑生态水文过程空间相互作用,建立基于生态最优性原理的分布式流域生态水文模型。本项目研究为流域生态水文模型研究提供了新的思路，是对现有生态水文模型的有力拓展。

流域生态水文模型是生态水文研究和水资源管理的重要工具。现有的基于生态最优性原理的生态水文模型能合理描述田间尺度生态水文过程，但未考虑侧向水文过程的影响，限制了模型对植被与水文过程相互作用及其动态耦合机制的定量刻画。鉴于此，本研究旨在构建基于最优性原理的分布式流域生态水文模型，主要开展以下研究工作：.1）构建了基于最优性原理的分布式流域水文模型。在分布式的模拟框架下，以栅格为基本计算单元，耦合侧向水文过程与田间尺度基于生态最优性原理的生态水文模型，以逐栅格汇流的方式实现空间单元水流交换，在生态最优性原则定量中充分考虑上游栅格水流汇入的影响。.2）重点探索了模型中植被优化参数及植被“净碳”（NCP）对关键土壤参数的敏感性，结果表明，模型中植被参数对Van Genuchten参数nvg变化更敏感，对土壤饱和含水量的敏感性次之，对土壤残余含水量的敏感性最弱。.3）模型的应用与评价。在美国Walnut Gulch小流域开展了实例研究，分别在研究区Kendall草地通量站和Luckyhill灌木通量站进行验证，对模拟结果空间分布进行评价。结果表明，站点模拟结果与实测值的一致性较好，模拟结果的空间分布呈现与汇水面积、地形湿度指数、坡度等地形参数的变化相符的空间分布格局，表明模型能合理地模拟生态水文过程与要素在空间上的变化特征。.4）实现了模型的并行化。建立了基于动态任务调度的模型的并行化方法，突破现有全分布式流域模型并行逻辑控制复杂、运行容错性较差等问题。在鄱阳湖流域的实例研究表明，该方法能有效提高模型的计算效率，尤其在栅格数量超过1万时更有效提高计算效率。.本项目所建的模型从生态最优性原理出发描述植被生态过程与水文过程的复杂相互作用和动态耦合关系，合理模拟流域内生态水文过程的空间相互作用，弥补现有生态最优性模型未考虑侧向径流过程的缺陷，具有重要的科学意义。模型在应用中，只需常规气象数据和地形、土壤等数据作为输入，输入数据简单易获取，且模型通过优化计算获取植被关键生化参数，不需要进行复杂的参数率定，可作为全球变化环境下流域水资源管理的重要工具。